Caloducs conventionnels
Les caloducs conventionnels ont, en général, une forme cylindrique ou plate. Il s’agit d’un tube étanche dans le quel la vapeur et le liquide s’écoule à contre-courant où la vapeur occupe, généralement, la majorité du volume total alors que la liquide circule du condenseur vers l’évaporateur de différents modes.
Thermosiphon : Dans les thermosiphons, l’évaporateur est placé à une hauteur inférieure au condenseur et le liquide revient à l’évaporateur par gravité.
Caloduc à pompage capillaire : Dans ce type de caloduc , le retour du liquide du condenseur vers l’évaporateur est assuré par capillarité à l’aide des rainures ou bien un milieu poreux, qui crée un gradient de pression et pousse le fluide à déplacer.
Caloduc tournant (rotatoire) : Dans les caloducs tournants, le liquide revient du condenseur vers l’évaporateur par la force centrifuge grâce à une légère conicité de l’enceinte.
Caloduc électro-hydrodynamique : Le fonctionnement de ce type de caloduc est basé sur le phénomène électro-hydrodynamique qui repose sur la convection électrique.
Caloduc électro-osmotique : C’est un nouveau développement dans la technologie des caloducs, ce genre caloduc est basé sur le phénomène d’osmose (Lorsqu’on applique un champ électrique tangentiel dans la double couche électrique, il crée une force de Coulomb qui agit sur les charges libres et engendre par conséquent le mouvement de ces charges. Via les liaisons visqueuses entre les charges et les molécules du liquide, ce dernier se met par conséquent en mouvement).
Microcaloducs et diffuseurs thermiques diphasique
Les microcaloducs et les diffuseurs thermiques diphasiques sont des caloducs de petites tailles. Les premières études sur ces systèmes datent du début des années 1990. Elles ont été motivées par la nécessité de remplacer les systèmes de refroidissement traditionnels inadaptés au refroidissement de composants électroniques en constante miniaturisation. Dans la littérature, deux types de ce groupe de caloduc ont été distingués selon les matériaux utilisés pour leur fabrication : d’une part, les systèmes métalliques, fabriqués en cuivre, en aluminium ou en laiton, et d’autre part les systèmes en silicium . Microcaloduc : Comme un caloduc, un microcaloduc est constitué d’un tube fermé, rempli par un fluide caloporteur à l’état d’équilibre liquide-vapeur dans les conditions de fonctionnement. Il est constitué avec un canal non circulaire de 10- 500 µm de diamètre équivalent et de 10 – 20 mm de longueur . Le retour du liquide à l’évaporateur s’effectue dans les zones formées par les angles aigus qui constituent des artères . Le flux maximal transporté par les microcaloducs est de l’ordre de 1-5 W/cm2. Il est possible d’utiliser un réseau de microcaloducs en parallèle, pour refroidir des surfaces assez larges;
Diffuseur thermique diphasique : L’écoulement du liquide et de la vapeur est unidirectionnel dans les microcaloducs; le transfert de chaleur en leur sein est donc également unidirectionnel, ce qui limite le choix du positionnement de la source chaude et de la source froide ; on peut utiliser des diffuseurs thermiques diphasiques (DTD), qui ont un unique canal de circulation de la vapeur pour l’ensemble de la structure capillaire . Le principe de fonctionnement d’un DTD est identique à celui d’un réseau de microcaloducs. Un DTD est un caloduc plat, généralement de faible épaisseur (de l’ordre de 1 à 2 mm) .
Principe de fonctionnement du caloduc capillaire
Le but de l’utilisation d’un caloduc est de transférer de la chaleur entre deux sources. Le principe de fonctionnement repose sur la circulation en boucle fermée d’un fluide caloporteur en état de saturation liquide/vapeur. La chaleur est prélevée à une source chaude par évaporation du liquide et restituée à une source froide par condensation de la vapeur .
Alors, le caloduc transfère de l’énergie entre la zone évaporateur et la zone condenseur en exploitant la chaleur latente de changement de phase d’un fluide en suivant le cycle suivant : le fluide étant à l’état de saturation liquide/vapeur ; au niveau de l’évaporateur, le liquide présent dans la structure capillaire s’évapore lorsque de l’énergie est fournie.
Cette évaporation provoque une augmentation de la pression dans la phase vapeur donc une différence de pression entre le condenseur et l’évaporateur, ce qui entraîne un écoulement du gaz vers la zone condenseur où la pression est plus faible.
Au niveau du condenseur, la vapeur se condense dans cette partie refroidie en y restituant la chaleur latente de changement de phase.
Dans un caloduc à pompage capillaire, le retour du liquide entre la zone de condensation et la zone d’évaporation est assuré par pompage capillaire à travers un milieu poreux. La température de la phase vapeur est liée à la pression puisque le fluide est à l’état de saturation.
Modes de transfert de chaleur dans un caloduc
Dans un caloduc ; la conduction, la convection et le rayonnement sont trois modes de transfert de chaleur.
La conduction : La conduction est un mode de transfert de chaleur dans les caloducs, la conductance thermique entre la paroi extérieure du caloduc et la surface d’évaporation ou de condensation est très inférieure à la conductance pure de changement de phase. Ainsi, les conductances globales d’évaporation et de condensation entre les parois et la phase vapeur sont fortement conditionnées par les phénomènes conductifs.
La convection : Au sein du caloduc, les phénomènes convectifs sont en général très faibles puisque les gradients de température entre la vapeur et la surface des parois ou du liquide sont très faibles. Les phénomènes convectifs jouent un rôle important dans les échanges au niveau de la paroi externe du condenseur puisque le flux transféré est en général cédé à un fluide.
Le rayonnement : Les échanges par rayonnement au sein du caloduc sont négligeables en raison des différences de températures relativement faibles dans un caloduc. De plus, les parois internes sont très peu émissives puisqu’elles sont métalliques. On retrouve le transfert de chaleur par rayonnement dans les applications spatiales ou pour des caloducs particuliers fonctionnant à hautes températures.
Table des matières
Introduction générale
Chapitre 01 : RECHERCHE BIBLIOGRAPHIQUE
1.1. Introduction
1.2. Bref historique
1.3. Types de caloducs
1.3.1. Caloducs conventionnels
1.3.1.1. Thermosiphon
1.3.1.2. Caloduc à pompage capillaire
1.3.1.3. Caloduc tournant
1.3.1.4. Caloduc électro-hydrodynamique
1.3.1.5. Caloduc électro-osmotique
1.3.2. Boucles diphasiques
1.3.2.1. Boucle gravitaire
1.3.2.2. Boucle à pompage thermo-capillaire
1.3.3. Caloduc oscillant
1.3.4. Microcaloducs et diffuseurs thermiques diphasique
1.3.4.1. Microcaloduc
1.3.4.2. Diffuseur thermique diphasique
1.4. Domaines d’utilisation
1.5. Principe de fonctionnement du caloduc capillaire
1.6. Principe de fonctionnement du thermosiphon
1.6.1. Evolution des pressions dans le thermosiphon
1.6.2. L’écoulement fluide
1.6.2.1. Phase vapeur
1.6.2.2. Phase liquide
1.6.3. Modes de transfert de chaleur dans un caloduc
1.6.3.1. La conduction
1.6.3.2. La convection
1.6.3.3. Le rayonnement
1.7. Le phénomène d’ébullition
1.7.1. Mécanismes de l’ébullition
1.7.2. Crise d’ébullition
1.7.3. Types d’ébullition
1.7.3.1. Ebullition en vase
1.7.3.2. Ebullition convective
1.8. Phénomène de condensation
1.8.1. Condensation en gouttes
1.8.2. Condensation en film
1.9. Limites de fonctionnement des caloducs
1.9.1. Limite visqueuse
1.9.2. Limite sonique
1.9.3. Limite d’entrainement
1.9.4. Limite capillaire
1.9.5. Limite d’ébullition
1.9.6. Limite d’assèchement
1.10. Fluides de travail
1.11. Remplissage du fluide de travail
1.12. Paramètres influençant le fonctionnement d’un caloduc
1.13. Procédures de fabrication du caloduc
1.14. Conclusion
1.15. Références bibliographiques
Chapitre 02 : ETUDE EXPERIMENTALE DE LA PERFORMANCE THERMIQUE D’UN THERMOSIPHON TUBE
2.1. Introduction
2.2. Instrumentations
2.3. Procédure du remplissage du caloduc assisté par gravité
2.4. Taux de remplissage
2.5. Résultats et discussions
2.5.1. Etude du thermosiphon vide
2.5.2. Démarrage du fonctionnement du thermosiphon
2.5.3. Influence de la puissance d’entrée
2.5.4. Effet de la nature du fluide de travail
2.5.5. Effet des gaz incondensables
2.5.6. Variation de la pression et la température de l’évaporateur
2.5.7. Etude de la variation des résistances thermique dans le thermosiphon
2.5.8. Variation de la conductivité thermique
2.5.9. Etude de la variation du coefficient de transfert de chaleur
2.5.10. Effet d’inclinaison du thermosiphon
2.6. Limites de fonctionnement
2.6.1.Limite d’assèchement
2.6.2.Limite d’entrainement
2.7. Conclusion
2.8. Références bibliographiques
Chapitre 03 : ETUDE DE L’INFLUENCE DE LA CHARGE SUR LE FONCTIONNEMENT ET LES PERFORMANCES D’UNE BOUCLE DE TYPE THERMOSIPHON DIPHASIQUE
3.1. Introduction
3.2. Description de la boucle thermosiphon
3.2.1. Montage expérimental et instrumentations
3.2.2. Protocole expérimental
3.3. Présentation des observables
3.4. Résultats et interprétations
3.4.1. Fonctionnement de la boucle
3.4.2. Influence de la nature du fluide caloporteur
3.4.3. Etude d’influence de la charge de l’éthanol
3.4.4. Influence de la singularité cyclonique
3.4.5. Influence du réservoir cyclonique
3.5. Limites de fonctionnement
3.5.1.Limite d’assèchement
3.5.2.Limite d’engorgement
3.6. Conclusion
3.7. Références bibliographiques
Conclusions et perspectives
Annexe A : expérience de Nukiyama
Annexe B : Les principales caractéristiques des matériaux composant l’évaporateur
B.1. Téflon
B.2. PEER
B.3. POM
Annexe C : Propriétés thermo-physiques des fluides de travail utilisés
Annexe D : Fiches techniques de quelques instruments utilisés dans les expériences
Annexe E : Courbes d’étalonnage des capteurs
E.1. Courbe d’étalonnage du débitmètre
E.2. Courbe d’étalonnage des thermocouples
E.3. Courbe d’étalonnage de capteur de pression
