Systèmes diphasiques de contrôle thermique - Boucles capillaires et gravitaires

BE9546 v1 Article de référence

Systèmes diphasiques de contrôle thermique - Boucles capillaires et gravitaires

Auteur(s) : Jocelyn BONJOUR, Frédéric LEFÈVRE, Valérie SARTRE, Yves BERTIN, Cyril ROMESTANT, Vincent AYEL, Vincent PLATEL

Relu et validé le 04 juin 2017 | Read in English

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Sommaire
Médias

Présentation

1 - Boucles diphasiques gravitaires

1.1 - Modèle hydraulique isotherme

Tableau 1
1.2 - Modèle thermique basé sur l'analogie électrique

Tableau 2
1.3 - Performances
1.4 - Applications

2 - Boucles fluides diphasiques à pompage thermocapillaire (BFDPT)

2.1 - Principaux éléments constitutifs et principe de fonctionnement
2.2 - Boucles diphasiques de type CPL
2.3 - Boucles diphasiques de type LHP
2.4 - Mini- et micro-BFDPT
2.5 - Boucles cryogéniques

3 - Conclusion

Bibliographie & annexes

Présentation

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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Auteur(s)

Jocelyn BONJOUR : Professeur à l'INSA de Lyon - CETHIL UMR5008 CNRS – INSA – Université Lyon 1
Frédéric LEFÈVRE : Professeur 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 : Professeur à l'ENSMA - Institut Pprime UPR3346 CNRS – ENSMA – Université de Poitiers
Cyril ROMESTANT : Ingénieur de Recherche au CNRS - Institut Pprime UPR3346 CNRS – ENSMA – Université de Poitiers
Vincent AYEL : Maître de Conférences à l'ENSMA - Institut Pprime UPR3346 CNRS – ENSMA – Université de Poitiers
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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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-be9546

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