Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
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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The aim of this article is to present a synthesis on the state-of-the art technology of two-phase fluid loops used as thermal control devices i.e. loop heat pipes and capillary-pumped loops. These loops differ from heat pipes in that the vapour and fluid circulate inside separate pipes. The article presents elements of dimensioning for fluid loops and focuses on the description of two-phase thermohydraulic phenomena occurring in the evaporator, condenser and pipes. It then provides a detailed description of the various components of the capillary loops in order to highlight the dimensioning issues of such systems as well as their behavior during transitory start-up phases. Finally it describes a certain number of practical applications, often related to the space industry sector.
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 : 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 -
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 diphasiques gravitaires
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3. Conclusion
Du point de vue théorique, le fonctionnement des boucles diphasiques gravitaires semble raisonnablement bien compris. Pourtant, en pratique, le dimensionnement de tels systèmes se heurte à la difficulté d'évaluer correctement les coefficients d'échange thermique et les pertes de charge. En effet, on ne dispose actuellement pas de méthode fiable permettant de prédire ces grandeurs pour des géométries plus complexes que les simples conduits circulaires. Ainsi, les applications de ces systèmes restent limitées à des cas pour lesquels un certain empirisme lors de la réalisation reste acceptable.
Les boucles fluides diphasiques à pompage thermocapillaire (BFDPT) ont, quant à elles, atteint une maturité suffisante pour être proposées en tant que technologie commercialement disponible, après plus de 30 ans de développements initialement réalisés pour l'industrie spatiale. Les activités de recherche sur ces systèmes se poursuivent néanmoins pour mieux comprendre les phénomènes complexes et fortement couplés responsables de leur comportement, et ainsi améliorer leurs performances notamment dans les phases de fonctionnement transitoire. Un vaste champ théorique et technologique reste donc encore à explorer. L'utilisation de ces dispositifs est maintenant très sérieusement envisagée pour les applications terrestres. De nouveaux concepts sont à l'étude, notamment pour le contrôle thermique de composants électroniques de puissance. Dans ce domaine, les technologies émergentes (semi-conducteurs à grand gap et à haute température) et leur intégration de plus en plus poussée (géométrie 3D) génèrent des densités de puissance thermique à dissiper redoutablement élevées. Cela est également vrai pour les machines électriques qui, dans le cadre du développement des moyens de transport de plus en plus électriques (aéronautique, automobile), doivent fortement évoluer. Comme cela s'est produit pour l'industrie spatiale, les BFDPT peuvent assurer la rupture technologique qui permettra de surmonter ces contraintes. Des dispositifs de toute taille et de toute forme peuvent être conçus, dont la modularité permet d'aller récupérer la chaleur au plus près de l'endroit où elle est produite et de concevoir de véritables bus thermiques pour la transférer jusqu'aux sources froides disponibles.
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Conclusion
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).
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(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...
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 http://www.astrium.eads.net
Euro...
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