Bibliographie & annexes
Présentation
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
-
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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Thermosiphons diphasiques2. Caloducs capillaires
Dans le cas d'un caloduc capillaire, le réseau capillaire peut revêtir différentes formes (fritté, couches de tissus ou tapis de films métalliques, rainures axiales ou circonférentielles, etc.). Ces diverses géométries de réseau développent une pression capillaire (pcap), plus ou moins forte, dont la valeur est donnée par l'équation de Laplace-Young :
( 2 )
avec :
- σ :
- (N · m–1) tension de surface liquide-vapeur,
- rI , rII :
- (m) rayons principaux de courbure de l'interface.
C'est l'écart de cette pression capillaire entre l'évaporateur et le condenseur qui permet le pompage du liquide.
Un caloduc peut être caractérisé par un ensemble de courbes reliant la puissance thermique maximale transportée à la température de fonctionnement (cf. § 4). Parmi ces limites de fonctionnement, la limite de capillarité (flux thermique au-delà duquel la pression capillaire n'est plus suffisante pour assurer le mouvement du liquide) et la limite d'ébullition (flux au-delà duquel des bulles naissent dans le capillaire et empêchent le développement de la capillarité) dépendent fortement du dimensionnement du capillaire.
2.1 Équation de fonctionnement
Pour qu'un caloduc à pompage capillaire fonctionne, il faut que la pression motrice capillaire, qui correspond à la différence de pression capillaire à l'évaporateur et au condenseur, soit égale aux pertes de charges générées par l'écoulement de la vapeur et par l'écoulement du liquide. Cela peut s'écrire...
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Caloducs capillaires
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
SEEM SEMRAC,...
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