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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Conclusion
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2. Boucles fluides diphasiques à pompage thermocapillaire (BFDPT)
Une boucle fluide diphasique à pompage thermocapillaire est une boucle étanche dans laquelle circule un fluide entre un évaporateur, où l'énergie thermique de l'élément dont on veut réguler la température est prélevée, et un condenseur, où elle est restituée à une source froide. Ces deux composants, thermiquement « actifs », sont reliés par des conduites traversées par le liquide ou la vapeur. Ces dispositifs sont capables de transférer sur plusieurs mètres, en environnement gravitaire ou spatial, des quantités de chaleur qui peuvent atteindre quelques kW sous des écarts de température de quelques dizaines de degrés au maximum.
Comme les caloducs, ces dispositifs ne contiennent aucun organe mécanique de puissance pour mettre le fluide en mouvement. C'est la vaporisation du fluide au sein d'une matrice poreuse contenue dans l'évaporateur qui assure la mise en mouvement du fluide. Contrairement aux caloducs, les phases liquide et vapeur sont séparées et circulent dans le même sens dans des conduites différentes. Le liquide se déplace principalement dans une conduite lisse et ne traverse plus la structure capillaire que pour se vaporiser. La faible épaisseur de corps poreux traversée (typiquement de l'ordre de quelques millimètres) permet d'utiliser des pores de très petites dimensions et de générer un saut de pression capillaire beaucoup plus important que dans les caloducs, tout en maintenant des pertes de charge acceptables au niveau de la boucle.
Un réservoir diphasique est un autre élément indispensable au fonctionnement de ces dispositifs. Ce sont principalement sa position dans la boucle et la manière dont il interagit avec l'évaporateur qui définissent les différents types de BFDPT.
Les BFDPT ont été initialement développées pour l'industrie spatiale, pour fournir la technologie d'extraction et de transfert de chaleur capable de répondre aux contraintes imposées par les équipements et les composants, toujours plus dissipatifs dans des charges utiles toujours plus importantes. Le contrôle thermique sous gradient de température modéré (jusqu'à une dizaine de degrés) est d'autant plus difficile à réaliser que la puissance thermique et les distances de transport de la chaleur sont importantes. Les caloducs permettent d'évacuer quelques centaines de W · m avec des densités de puissance pouvant atteindre quelques W · cm–2 au niveau de l'évaporateur ;...
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Boucles fluides diphasiques à pompage thermocapillaire (BFDPT)
BIBLIOGRAPHIE
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(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).
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(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).
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(3) - KHODABANDEH (R.) - Pressure drop in riser and evaporator in an advanced two-phase thermosyphon loop. - Int. J. Refrig., 28, p. 725-734 (2005).
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(4) - COLLIER (J.G.), THOME (J.R.) - Convective boiling and condensation. - Oxford Science Publications (1996).
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(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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