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WO2019220035A1 - Évaporateur d'une boucle fluide et boucle fluide comprenant un tel évaporateur - Google Patents

Évaporateur d'une boucle fluide et boucle fluide comprenant un tel évaporateur Download PDF

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WO2019220035A1
WO2019220035A1 PCT/FR2019/051045 FR2019051045W WO2019220035A1 WO 2019220035 A1 WO2019220035 A1 WO 2019220035A1 FR 2019051045 W FR2019051045 W FR 2019051045W WO 2019220035 A1 WO2019220035 A1 WO 2019220035A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
evaporator
liquid
coolant
capillary structure
thermally conductive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2019/051045
Other languages
English (en)
Inventor
Alexandre MARIE
Laurent Lachassagne
Marc Miscevic
Pascal LAVIEILLE
Vincent Dupont
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
IRT Saint Exupery
Universite de Toulouse
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Toulouse III Paul Sabatier
IRT Saint Exupery
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite Toulouse III Paul Sabatier, IRT Saint Exupery filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of WO2019220035A1 publication Critical patent/WO2019220035A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/04—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure
    • F28D15/043—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure forming loops, e.g. capillary pumped loops

Definitions

  • the technical field of the invention is that of cooling systems for electrical or electronic components, in particular for the aeronautical and space industries.
  • the invention more particularly relates to an evaporator of a fluid loop, in particular of a two-phase loop.
  • a two-phase loop typically comprises an evaporator, a condenser and a heat transfer fluid reservoir.
  • a two-phase loop makes it possible to transport a large quantity of heat by vaporizing the coolant in the zone hot formed by the evaporator, then evacuating heat to a condenser that allows to condense the steam.
  • a two-phase loop makes it possible to extract and transport a heat flow from the electronic component to a remote zone of heat dissipation.
  • a mechanical two-phase loop when the pumping of liquid in the loop is provided by a mechanical pump (for example a positive displacement pump or a centrifugal pump), of a two-phase loop with capillary pumping when the pumping of liquid in the loop is provided by capillarity, hybrid diphasic loop when the pumping of liquid in the loop is provided by the combination of a mechanical pump and the capillarity phenomenon, two-phase diphasic loop (thermosiphons) when pumping is provided by gravity forces, or ElectroHydroDynamic pumping loop (better known by the acronym EHD) when pumping is provided by the application of an electric field on the fluid.
  • a mechanical pump for example a positive displacement pump or a centrifugal pump
  • hybrid diphasic loop when the pumping of liquid in the loop is provided by the combination of a mechanical pump and the capillarity phenomenon
  • two-phase diphasic loop thermosiphons
  • EHD ElectroHydroDynamic pumping loop
  • a diphasic capillary or hybrid pumping loop generally comprises a porous structure, sometimes referred to as a wick, which forms the evaporator interface of the evaporator.
  • Some of the known evaporators furthermore have a heat transfer liquid circuit that is distinct from the evacuation circuit of the vapors produced, while other evaporators have a single outlet for the steam generated and optionally the non-vaporized liquid.
  • the evaporators with separate circuits are more efficient from a hydraulic point of view insofar as the presence of vapor in the liquid flow generates significant losses of charges.
  • such an evaporator of a two-phase cooling loop of a dissipative component comprises a thermally conductive substrate intended to be brought into contact with the dissipative component to be cooled, a sealed casing surmounting the thermally conductive substrate, and a porous capillary structure. , housed in the sealed housing on the thermally conductive substrate and forming a vaporization interface of a refrigerant liquid in contact with said thermally conductive substrate, between a circulation channel of this coolant and a steam channel evacuation of the steam produced.
  • US20120137718 discloses an evaporator of a two-phase loop comprising a thermally conductive substrate in contact with an electronic component to be cooled and a porous capillary structure.
  • the evaporator of this document further comprises a plurality of coolant circulation channels distributed on the surface of the wick in a first direction and a plurality of vapor channels arranged between the thermally conductive substrate and the liquid circulation channels distributed to the surface of the wick in a second direction perpendicular to the first direction.
  • This solution has the disadvantage of requiring a complex structure of the steam channels and liquid circulation channels.
  • this document multiplies the contact surfaces between the coolant and the wick.
  • the behavior of the evaporator can be degraded in case of overfeeding of the wick.
  • Another disadvantage is the presence of a two-phase flow (such as, for example, the presence of vapor bubbles in the fluid in the liquid state) at the outlet of the evaporator, which necessarily creates significant pressure drops in the main flow.
  • the inventors have therefore sought to provide a new evaporator to meet the cooling needs of the aeronautical and space industries in particular and the aforementioned constraints.
  • the aim of the invention is to provide an evaporator which overcomes at least some of the disadvantages of known evaporators that can fit into a fluid loop.
  • the invention aims in particular to provide an evaporator that can be inserted in a two-phase loop, regardless of the pumping mode of the loop (mechanical, capillarity, gravity for example), which overcomes at least some of the disadvantages of known evaporators.
  • the invention also aims to provide an evaporator that can be inserted in a monophasic loop thus becoming two-phase, and which overcomes at least some of the disadvantages of known evaporators.
  • the invention aims in particular to provide, in at least one embodiment, an evaporator which makes it possible to evacuate a large heat flux (of the order of a few hundred watts) on a reduced surface (of the order of a few cm2).
  • the invention aims to provide an evaporator for evacuating flux densities of several tens (or even hundreds) Watts per cm 2 with temperature differences (between the conductive substrate and the fluid) low, especially less than 10 or 20 degrees.
  • the invention also aims to provide, in at least one embodiment, a compact evaporator, in particular an evaporator that can be arranged as close as possible to the electrical or electronic component to be cooled.
  • the invention also aims to provide, in at least one embodiment of the invention, an evaporator which limits the loss of charge, that is to say whose losses are less than a few millibars.
  • the invention also aims to provide, in at least one embodiment of the invention, an evaporator which minimizes the thermal resistance between the dissipative component to be cooled and the liquid / vapor interface.
  • the invention also aims to provide, in at least one embodiment of the invention, an evaporator that can be inserted into all types of two-phase loops.
  • the invention also aims to provide a two-phase loop comprising an evaporator according to the invention.
  • the invention relates to an evaporator of a fluid loop of cooling a dissipative component comprising:
  • thermally conductive substrate intended to be brought into contact with said dissipative component to be cooled
  • a sealed housing at least partially surmounting said thermally conductive substrate
  • a capillary structure housed in said sealed housing, fixed or etched on said thermally conductive substrate, and forming an interface for vaporizing a cooling liquid in contact with said thermally conductive substrate, between a circulation channel of this coolant and a channel; steam evacuation of the steam produced.
  • An evaporator according to the invention is characterized in that said liquid circulation channel comprises at least one coolant dispenser configured to be able to locally supply a surface of said capillary structure, said distribution surface, so that the cooling liquid can be capillary pumping in contact with said substrate forming a liquid layer which extends over said substrate, and in that said vapor channel is supplied with vapor, produced by contact of the coolant with said thermally conductive substrate, via a surface of said capillary structure, said active surface, adjacent and coplanar with said distribution surface.
  • said liquid circulation channel comprises at least one coolant dispenser configured to be able to locally supply a surface of said capillary structure, said distribution surface, so that the cooling liquid can be capillary pumping in contact with said substrate forming a liquid layer which extends over said substrate, and in that said vapor channel is supplied with vapor, produced by contact of the coolant with said thermally conductive substrate, via a surface of said capillary structure, said active surface, adjacent and coplanar with said distribution surface.
  • the capillary structure comprises a distribution surface fed by the coolant circulation channel and an adjacent coplanar active surface supplying steam, said steam channel.
  • two surfaces are said to be coplanar when they extend on the same plane.
  • a plane can be flat, curved, concave, convex, etc. according to the applications.
  • the active surface and the distribution surface extend in the plane of the capillary structure.
  • This plane of the capillary structure may be flat or curved depending on the application.
  • an evaporator according to the invention makes it possible limit the pressure losses by separating the channel from the refrigerant liquid of the steam evacuation channel and by making it possible to take from the circulation channel of the cooling liquid only the portion of liquid necessary for cooling without generating significant pressure drops in the refrigerant circulation circuit.
  • the coolant circulation channel is not disturbed by the puncture due to the evaporation of the liquid.
  • the local supply of the capillary structure by a distributor allows, by capillary pumping, the formation of a layer of liquid on the thermally conductive substrate in contact with the dissipative component, without an intermediate dry zone between the liquid circuit and the substrate.
  • the active surface of the capillary structure is adjacent and coplanar with the capillary coolant supply surface, the vapor produced in contact with the thermally conductive substrate is directly discharged to the steam channel, without the risk that the vapor is directed into the the coolant flow.
  • said coolant liquid distributor comprises a liquid inlet, a liquid outlet, and a coolant circulation pipe extending in a direction parallel to the plane of said capillary structure, said longitudinal direction, between said liquid inlet and said liquid outlet and having at least one opening opening on said distribution surface of said capillary structure to be able to supply said capillary structure with cooling liquid.
  • An evaporator makes it possible to supply the capillary structure via at least one tubular having an opening opening on the dispensing surface.
  • This opening may take the form of a plurality of orifices extending along the longitudinal direction or one or more slots.
  • said opening opening on said distribution surface of said capillary structure is of axis perpendicular to said longitudinal direction.
  • the opening has a section of axis perpendicular to the longitudinal direction so as to feed the capillary structure by a flow perpendicular to the distribution surface.
  • said coolant circulation channel comprises at least two coolant dispensers comprising a liquid inlet, a liquid outlet, and a coolant circulation pipe extending in a direction, said direction. longitudinal, between said liquid inlet and said liquid outlet and having an opening opening on said distribution surface of said capillary structure, said distribution surface then being formed of two disjoint surfaces separated by said active surface.
  • the evaporator comprises at least two distributors, each distributor supplying locally an elementary distribution surface.
  • said distribution surface is formed of several disjunct elementary distribution surfaces separated by said active surface.
  • This advantageous variant makes it possible to form several local feeds of the capillary structure, which facilitates the formation of a thin layer of liquid on the surface of the thermally conductive substrate and makes it possible to reduce the length over which the fluid must be spread by the capillary forces. .
  • This contributes, in particular, to improving the vaporization of the liquid with respect to a variant with a single distributor since, for a given heat flow, the double feed makes it possible to reduce the thicknesses of liquid on the surface of the thermally conductive substrate and therefore to improve heat transfer.
  • said opening opening on said distribution surface extends along the longitudinal direction forming a longitudinal axis slot.
  • This advantageous variant allows an extended and uniform supply of the capillary structure.
  • said capillary structure is formed of a disordered and consolidated porous material.
  • said porous material is formed of a plurality of pores of which at least one of the dimensions is smaller than the capillary length of the coolant.
  • said porous material is metal sintered or welded to said thermally conductive substrate.
  • said capillary structure is formed of a porous medium, for example a network of grooves or a mesh network of which at least one of the dimensions is smaller than the capillary length of the coolant.
  • the capillary structure is formed of a network of grooves.
  • each groove has at least one dimension smaller than the capillary length of the coolant.
  • the groove has a dimension, for example its width, less than the depth of the liquid from which the forces due to the hydrostatic pressure are equivalent to the forces due to the capillary phenomenon.
  • said dissipative component is an electronic component.
  • the dissipative component may be any type of component requiring the evacuation of a heat flow.
  • the invention also relates to a two-phase cooling loop of at least one dissipative component comprising a circulation circuit of a coolant on which are arranged in series, means for pumping the fluid in said circuit, at least one evaporator adapted for producing a vapor flow by contacting the coolant with said dissipative component, a condenser adapted to condense the vapor flow provided by said evaporator, and a refrigerant reservoir configured to supply said liquid circulation circuit, characterized in that said evaporator is an evaporator according to the invention.
  • the two-phase loop comprises a plurality of evaporators arranged in series, in parallel or in series / parallel combination.
  • the two-phase loop further comprises a refrigerant pressure regulating valve arranged on said fluid control circuit between said evaporator and said condenser.
  • This advantageous variant makes it possible, for a given cooling liquid feed rate, to extend the range of heat flux which induces an optimal operation of the evaporator.
  • This control valve is controlled according to the liquid flow and the heat flow.
  • the two-phase loop further comprises a pump forming said pumping means, arranged on said circulation circuit of a coolant liquid.
  • This pump may for example be a mechanical volumetric pump, a centrifugal mechanical pump or a capillary pump.
  • the invention also relates to an evaporator and a two-phase loop characterized in combination by all or some of the characteristics mentioned above or below.
  • FIG. 1a is a schematic view of a two-phase loop according to one embodiment of the invention comprising an evaporator according to one embodiment of the invention
  • FIG. 1b is a schematic view of a two-phase loop according to another embodiment of the invention comprising an evaporator according to one embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a diagrammatic perspective view cut along a longitudinal axis of an evaporator according to one embodiment of the invention
  • FIG. 3 is a diagrammatic sectional view of an evaporator according to one embodiment of the invention
  • FIG. 4 is a diagrammatic view in longitudinal section of an evaporator according to one embodiment of the invention
  • FIG. 5 is a diagrammatic view from above of an evaporator according to one embodiment of the invention
  • Figure 6 is a schematic view of a two-phase loop according to another embodiment of the invention.
  • the longitudinal direction corresponds to the main direction of the coolant distributors.
  • the vertical direction is the direction defined by gravity.
  • the transverse direction is the direction perpendicular to the longitudinal direction and the vertical direction.
  • a two-phase loop according to the invention comprises, as represented in FIG. 1a, a reservoir 10 of a coolant, a circulation circuit 11 of the coolant set in motion by a pump 14, an evaporator 12 supplied with the coolant of the circulation circuit, a condenser 13 supplied with steam produced by the evaporator by a steam circuit.
  • the condenser 13 makes it possible to condense the vapor so as to be able to reinject the liquid produced in the circulation circuit 11 of liquid at a node represented by the reference 16 in FIG.
  • FIG. 1b is a variant of the embodiment of FIG. 1a which differs from this first embodiment in that the junction node 16 of the liquid circulation circuit 11 and the vapor circuit is arranged upstream of the condenser 13. and not downstream of the condenser as for the mode of Figure la. This embodiment does not change the operation of the evaporator which will be described below.
  • FIG. 2 illustrates an evaporator 12 according to one embodiment of the invention and FIGS. 3 to 5 schematically illustrate the operating principle of such an evaporator, in particular the supply of refrigerant liquid to the capillary structure.
  • the evaporator 12 of FIG. 2 is cut along a longitudinal plane at a distributor 31 so as to illustrate the internal structure of the evaporator G according to this embodiment.
  • the evaporator 12 of FIG. 2 is intended to cool a dissipative component 17, which is for example an electronic component, mounted on a support 18.
  • the evaporator 12 comprises a thermally conductive substrate 21 placed in contact with the dissipative component 17 to be cooled.
  • This substrate 21 is for example a copper plate or a silicon plate.
  • this substrate 21 may be made of any type of thermally conductive material, for example a material having good thermal conductivity, that is to say a thermal conductivity of at least 10 W. mT 1 . K -1 .
  • the evaporator also comprises a sealed housing 20 which at least partially overcomes the thermally conductive substrate 21.
  • the sealed housing has a lower opening in which the substrate 21 thermally conductive.
  • the evaporator 12 also comprises a capillary structure 22 fixed on the thermally conductive substrate 21.
  • This capillary structure 22 is for example formed of a disordered and consolidated porous material.
  • the porous material is metal sintered or welded to the thermally conductive substrate 21.
  • a metallic material may for example be copper.
  • the capillary structure 22 is etched in the thermally conductive substrate 21.
  • the capillary structure 22 forms a vaporization interface of the coolant circulating in the circuit 11 of the two-phase loop arranged between a liquid circulation channel and a steam channel 15.
  • the steam channel 15 comprises a steam chamber 23 in contact with the capillary structure.
  • the steam chamber 23 is closed by a transparent plate 24 which forms the upper wall of the sealed enclosure 20, which makes it possible to detect the orifice 25 for evacuating the steam towards the condenser.
  • the supply of the capillary structure 22 with a cooling liquid is carried out by a liquid circulation channel which comprises, according to the embodiment of the figures, two distributors 31, 32 of coolant.
  • FIG. 2 being a section along a longitudinal plane at the distributor 31, the latter is partially shown for the sake of clarity.
  • FIGS. 3, 4 and 5 schematically illustrate the principle of evaporation implemented by the evaporator 12 according to the invention at the level of the capillary structure 22.
  • Figure 3 is a cross-sectional view of the evaporator 12 and Figure 4 is a longitudinal sectional view of the evaporator.
  • FIGS. 3 and 4 thus illustrate the dissipative component 17 on which the evaporator comprising the thermally conductive substrate 21, itself surmounted by the capillary structure 22, is arranged.
  • This capillary structure is supplied with cooling liquid by the distributors 31, 32. Only the distributor 31 is visible in FIG. 4 since this view is a longitudinal section of the evaporator at the level of this distributor 31.
  • the distributor 31 comprises a liquid inlet 3a, a liquid outlet 3lb, and a refrigerant liquid circulation pipe 3a extending between the liquid inlet 3a and the liquid outlet 3b.
  • the distributor 31 comprises an opening 3ld which opens on the capillary structure 22 at a surface portion, said distribution surface 22a. The distributor 31 feeds the capillary structure with cooling liquid through this opening 3ld.
  • This opening 3ld can be of all types.
  • this opening 3ld is formed of a longitudinal slot.
  • the coolant passage section at the slot is reduced relative to the liquid flow section in the tubing.
  • the fluid passage section at the slot may be the same or larger than the passage section in the tubing.
  • the opening 3ld has a section of axis perpendicular to the longitudinal direction.
  • the opening 3ld may have another structure, for example holes evenly distributed along the pipe 3 le.
  • the liquid is pumped by capillary action by the capillary structure 22, which has the effect of forming a layer 27 of liquid on the thermally conductive substrate 21.
  • the contact of the liquid with the thermally conductive substrate 21 causes the vaporization of the cooling liquid, schematically represented by corrugated arrows 26 in FIG. 3.
  • the upper part of the capillary structure 22 is thus formed of a layer 24 forming the liquid interface
  • the vapor generated by contact of the coolant with the substrate 21 supplies the chamber 23 and then the steam channel 15 through an active surface 22b of the capillary structure 22.
  • the vapor of the enclosure 23 is then discharged to the condenser 13 via the orifice 25 and adapted conduits of the steam circuit 15.
  • the active surface 22b and the distribution surface 22a are adjacent and coplanar.
  • the coolant circulation channel formed by the distributors 31, 32 is not disturbed by the puncture due to the evaporation of the liquid.
  • FIG. 5 diagrammatically illustrates, in a view from above, the spreading of the liquid on the capillary structure 22 which pumps the liquid to bring it into contact with the thermally conductive substrate 21 arranged under the capillary structure.
  • the arrows show schematically the displacements of the coolant in the pipes 3 a, 32c of the distributors 31, 32 and the spreading of the liquid in the capillary structure 22.
  • FIG. 6 illustrates the insertion of an evaporator 12 according to the embodiment of the figures in a more detailed two-phase loop than that of FIG. 1.
  • a circulation circuit 11 of the coolant in addition to the reservoir 10 of a coolant, a circulation circuit 11 of the coolant, a pump 14, an evaporator 12, a condenser 13, and a steam circuit 15, the two-phase loop of FIG. a filter 42, which is for example a 0.5 mhi filter for filtering the coolant before feeding the evaporator distributors 12.
  • the loop also includes a flowmeter 43 for measuring and regulating the flow of liquid in the liquid circulation circuit 11.
  • the loop also comprises a controlled valve 44 arranged between the evaporator G 12 and the condenser 13, in parallel with the steam channel 15.
  • This controlled valve 44 allows for a given liquid feed rate, to extend the range of heat flux. inducing an optimal operation of the evaporator.
  • valve 44 By controlling the valve 44, it is possible to control the pressure variation between points A and C and to control the maximum vaporized flow.
  • the evaporator may comprise more than two distributors and / or distributors comprising slots not rectilinear for feeding the capillary structure.

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Abstract

L'invention concerne un évaporateur (12) d'une boucle fluide de refroidissement d'un composant dissipatif (17) comprenant : un substrat (21) thermiquement conducteur en contact avec ledit composant dissipatif; une structure capillaire (22) formant une interface de vaporisation, entre un canal de circulation d'un liquide réfrigérant et un canal vapeur (15), caractérisé en ce que ledit canal de circulation de liquide comprend au moins un distributeur (31, 32) de liquide configuré pour pouvoir alimenter localement une surface de distribution (22a) de la structure capillaire, de sorte que le liquide puisse être amené par pompage capillaire au contact dudit substrat en formant une couche de liquide qui s'étend sur ledit substrat, et en ce que ledit canal vapeur est alimenté en vapeur, par l'intermédiaire d'une surface surface active (22b) de la structure capillaire, adjacente et coplanaire à ladite surface de distribution.

Description

EVAPORATEUR D’UNE BOUCLE FLUIDE ET BOUCLE FLUIDE COMPRENANT UN TEL ÉVAPORATEUR
1. Domaine technique de l’invention
Le domaine technique de l’invention est celui des systèmes de refroidissement des composants électriques ou électroniques, en particulier destinés aux industries aéronautiques et spatiales. L’invention concerne plus particulièrement un évaporateur d’une boucle fluide, en particulier d’une boucle diphasique. 2. Arrière-plan technologique
Les industries aéronautiques et spatiales, et d’une manière générale toutes les industries mettant en œuvre des composants électriques ou électroniques disséminés dans des environnements complexes, cherchent à développer des solutions permettant de refroidir ces composants. On notera que les domaines des composants électriques ou électroniques ne sont pas les seuls domaines couverts par la présente invention. De manière plus générale tous les domaines concernant l’évacuation d’un flux de chaleur, la régulation de température d’un processus exothermique ou la production de vapeur sont potentiellement concernés.
Il est par exemple connu de recourir à des ventilateurs ou radiateurs à ailettes configurés pour pouvoir souffler un air froid de refroidissement sur les composants électroniques. Ces solutions sont simples à mettre en œuvre, mais présentent des efficacités de refroidissement faibles et présentent un encombrement et un poids souvent rédhibitoires pour les applications aéronautiques et spatiales dans lesquelles les contraintes de poids et de volume sont omniprésentes.
II est également connu de recourir à des boucles fluides, notamment à des boucles diphasiques, pour refroidir des composants électroniques. Une boucle diphasique comprend typiquement un évaporateur, un condenseur et un réservoir de fluide caloporteur. Une telle boucle diphasique permet de transporter une importante quantité de chaleur en vaporisant le fluide caloporteur dans la zone chaude formée par l’évaporateur, puis en évacuant la chaleur vers un condenseur qui permet de condenser la vapeur. En d’autres termes, une boucle diphasique permet d’extraire et de transporter un flux de chaleur du composant électronique vers une zone distante d’évacuation de la chaleur.
Selon le type de pompage du liquide caloporteur, on parle de boucle diphasique mécanique, lorsque le pompage de liquide dans la boucle est assuré par une pompe mécanique (par exemple une pompe volumétrique ou une pompe centrifuge), de boucle diphasique à pompage capillaire lorsque le pompage de liquide dans la boucle est assuré par capillarité, de boucle diphasique hybride lorsque le pompage de liquide dans la boucle est assuré par la combinaison d’une pompe mécanique et du phénomène de capillarité, de boucle diphasique gravitaire (thermosiphons) lorsque le pompage est assuré par des forces de gravité, ou de boucle à pompage ElectroHydroDynamique (plus connue sous l’acronyme EHD) lorsque le pompage est assuré par l’application d’un champ électrique sur le fluide.
Une boucle diphasique à pompage capillaire ou hybride comprend en général une structure poreuse, parfois désignée par le terme de mèche, qui forme l’interface de vaporisation de l’évaporateur.
Certains des évaporateurs connus présentent en outre un circuit de liquide caloporteur distinct du circuit d’évacuation des vapeurs produites alors que d’autres évaporateurs présentent une sortie unique pour la vapeur générée et éventuellement le liquide non vaporisé.
En général, les évaporateurs à circuits distincts sont plus performants d’un point de vue hydraulique dans la mesure où la présence de vapeur dans le flux de liquide génère des pertes de charges significatives.
En particulier, un tel évaporateur d’une boucle diphasique de refroidissement d’un composant dissipatif comprend un substrat thermiquement conducteur destiné à être mis en contact avec le composant dissipatif à refroidir, un boîtier étanche surmontant le substrat thermiquement conducteur, et une structure capillaire poreuse, logée dans le boîtier étanche sur le substrat thermiquement conducteur et formant une interface de vaporisation d’un liquide réfrigérant en contact dudit substrat thermiquement conducteur, entre un canal de circulation de ce liquide réfrigérant et un canal vapeur d’évacuation de la vapeur produite.
Par exemple, US20120137718 décrit un évaporateur d’une boucle diphasique comprenant un substrat thermiquement conducteur en contact d’un composant électronique à refroidir et une structure capillaire poreuse. L’ évaporateur de ce document comprend en outre une pluralité de canaux de circulation de liquide réfrigérant distribués à la surface de la mèche selon une première direction et une pluralité de canaux vapeur agencés entre le substrat thermiquement conducteur et les canaux de circulation de liquide distribués à la surface de la mèche selon une seconde direction perpendiculaire à la première direction.
Cette solution présente l’inconvénient de nécessiter une structure complexe des canaux vapeur et des canaux de circulation de liquide. En particulier, ce document multiplie les surfaces de contact entre le liquide réfrigérant et la mèche.
Un autre inconvénient de la solution proposée par ce document est la présence de zones sèches entre les canaux de circulation de liquide et le substrat thermiquement conducteur. La résistance thermique entre la source chaude et l’interface liquide/vapeur peut donc être importante.
En outre, le comportement de l’évaporateur peut être dégradé en cas de suralimentation de la mèche.
Un autre inconvénient est la présence d’un écoulement diphasique (tel que par exemple la présence de bulles de vapeur dans le fluide à l’état liquide) en sortie de l’évaporateur créant nécessairement des pertes de charge significatives dans l’écoulement principal.
A ce jour, il n’existe aucune solution compacte qui permet d’évacuer d’importantes densités de flux de chaleur avec des faibles écarts de température entre l’élément dissipatif et le fluide et de très faibles pertes de charges.
Les inventeurs ont donc cherché à proposer un nouvel évaporateur permettant de répondre aux besoins de refroidissement des industries aéronautiques et spatiales notamment et aux contraintes susmentionnées.
3. Objectifs de l’invention
L’invention vise à fournir un évaporateur qui pallie au moins certains des inconvénients des évaporateurs connus pouvant s’insérer dans une boucle fluide.
L’invention vise en particulier à fournir un évaporateur pouvant s’insérer dans une boucle diphasique, quel que soit le mode de pompage de la boucle (mécanique, capillarité, gravité par exemple), qui pallie au moins certains des inconvénients des évaporateurs connus.
L’invention vise également à fournir un évaporateur pouvant s’insérer dans une boucle monophasique devenant ainsi diphasique, et qui pallie au moins certains des inconvénients des évaporateurs connus.
L’invention vise en particulier à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un évaporateur qui permet d’évacuer un important flux de chaleur (de l’ordre de quelques centaines de Watts) sur une surface réduite (de l’ordre de quelques cm2). En d’autres termes, l’invention vise à fournir un évaporateur permettant d’évacuer des densités de flux de plusieurs dizaines (voire centaines) de Watts par cm2 avec des écarts de températures (entre le substrat conducteur et le fluide) faibles, notamment inférieurs à 10 ou 20 degrés.
L’invention vise également à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un évaporateur compact, en particulier un évaporateur pouvant être agencé au plus près du composant électrique ou électronique à refroidir.
L’invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l’invention, un évaporateur qui limite les pertes de charges, c’est-à-dire dont les pertes sont inférieures à quelques millibars.
L’invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l’invention, un évaporateur qui minimise la résistance thermique entre le composant dissipatif à refroidir et l’interface liquide/vapeur.
L’invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l’invention, un évaporateur qui peut être inséré dans tous types de boucles diphasiques.
L’invention vise aussi à fournir une boucle diphasique comprenant un évaporateur selon l’invention.
4. Exposé de l’invention
Pour ce faire, l’invention concerne un évaporateur d’une boucle fluide de refroidissement d’un composant dissipatif comprenant :
- un substrat thermiquement conducteur destiné à être mis en contact avec ledit composant dissipatif à refroidir,
- un boîtier étanche surmontant au moins partiellement ledit substrat thermiquement conducteur,
- une structure capillaire, logée dans ledit boîtier étanche, fixée ou gravée sur ledit substrat thermiquement conducteur, et formant une interface de vaporisation d’un liquide réfrigérant au contact dudit substrat thermiquement conducteur, entre un canal de circulation de ce liquide réfrigérant et un canal vapeur d’évacuation de la vapeur produite.
Un évaporateur selon l’invention est caractérisé en ce que ledit canal de circulation de liquide comprend au moins un distributeur de liquide réfrigérant configuré pour pouvoir alimenter localement une surface de ladite structure capillaire, dite surface de distribution, de sorte que le liquide réfrigérant puisse être amené par pompage capillaire au contact dudit substrat en formant une couche de liquide qui s’étend sur ledit substrat, et en ce que ledit canal vapeur est alimenté en vapeur, produite par contact du liquide réfrigérant avec ledit substrat thermiquement conducteur, par l’intermédiaire d’une surface de ladite structure capillaire, dite surface active, adjacente et coplanaire à ladite surface de distribution.
En d’autres termes, l’invention est caractérisée par le fait que la structure capillaire comprend une surface de distribution alimentée par le canal de circulation de liquide réfrigérant et une surface active adjacente coplanaire alimentant en vapeur, ledit canal vapeur.
Dans tout le texte, deux surfaces sont dites coplanaires lorsqu’elles s’étendent sur un même plan. Un tel plan peut être plat, courbe, concave, convexe, etc. selon les applications. En d’autres termes, selon l’invention, la surface active et la surface de distribution s’étendent dans le plan de la structure capillaire. Ce plan de la structure capillaire peut-être plat ou courbe selon les applications.
La structure particulière d’un évaporateur selon l’invention permet de limiter les pertes de charges en dissociant le canal du liquide réfrigérant du canal d’évacuation de la vapeur et en permettant de ne prélever du canal de circulation du liquide réfrigérant que la portion de liquide nécessaire au refroidissement sans générer des pertes de charge significatives dans le circuit de circulation de liquide réfrigérant. En particulier, dans un évaporateur selon l’invention, le canal de circulation du liquide réfrigérant n’est pas perturbé par la ponction due à l’évaporation du liquide.
L’alimentation locale de la structure capillaire par un distributeur permet, par pompage capillaire, la formation d’une couche de liquide sur le substrat thermiquement conducteur en contact avec le composant dissipatif, sans zone sèche intermédiaire entre le circuit de liquide et le substrat.
La surface active de la structure capillaire étant adjacente et coplanaire à la surface d’alimentation de la structure capillaire en liquide réfrigérant, la vapeur produite au contact du substrat thermiquement conducteur est directement évacuée vers le canal vapeur, sans risque que la vapeur se dirige dans le flux de liquide réfrigérant.
Avantageusement et selon l’invention, ledit distributeur de liquide réfrigérant comprend une entrée de liquide, une sortie de liquide, et une tubulure de circulation de liquide réfrigérant s’étendant selon une direction parallèle au plan de ladite structure capillaire, dite direction longitudinale, entre ladite entrée de liquide et ladite sortie de liquide et présentant au moins une ouverture débouchant sur ladite surface de distribution de ladite structure capillaire pour pouvoir alimenter ladite structure capillaire en liquide réfrigérant.
Un évaporateur selon cette variante particulière permet d’alimenter la structure capillaire par le biais d’au moins une tubulure présentant une ouverture débouchant sur la surface de distribution. Cette ouverture peut prendre la forme d’une pluralité d’orifices s’étendant le long de la direction longitudinale ou d’une ou plusieurs fentes.
Avantageusement et selon cette variante, ladite ouverture débouchant sur ladite surface de distribution de ladite structure capillaire est d’axe perpendiculaire à ladite direction longitudinale. Selon cette variante avantageuse, l’ouverture présente une section d’axe perpendiculaire à la direction longitudinale de manière à pouvoir alimenter la structure capillaire par un flux perpendiculaire à la surface de distribution.
Avantageusement et selon l’invention, ledit canal de circulation de liquide réfrigérant comprend au moins deux distributeurs de liquide réfrigérant comprenant une entrée de liquide, une sortie de liquide, et une tubulure de circulation de liquide réfrigérant s’étendant selon une direction, dite direction longitudinale, entre ladite entrée de liquide et ladite sortie de liquide et présentant une ouverture débouchant sur ladite surface de distribution de ladite structure capillaire, ladite surface de distribution étant alors formée de deux surfaces disjointes séparées par ladite surface active.
Selon cette variante avantageuse, l’évaporateur comprend au moins deux distributeurs, chaque distributeur alimentant localement une surface de distribution élémentaire. Autrement dit, dans ce cas, ladite surface de distribution est formée de plusieurs surfaces de distribution élémentaires disjointes séparées par ladite surface active.
Cette variante avantageuse permet de former plusieurs alimentations locales de la structure capillaire, ce qui facilite la formation d’une fine couche de liquide à la surface du substrat thermiquement conducteur et permet de réduire la longueur sur laquelle le fluide doit être étalé par les forces capillaires. Cela contribue notamment à améliorer la vaporisation du liquide par rapport à une variante à un seul distributeur étant donné que pour un flux de chaleur donné, la double alimentation permet de diminuer les épaisseurs de liquide à la surface du substrat thermiquement conducteur et donc d’améliorer le transfert de chaleur.
Avantageusement et selon l’invention, ladite ouverture débouchant sur ladite surface de distribution s’étend le long de la direction longitudinale formant une fente d’axe longitudinale.
Cette variante avantageuse permet une alimentation étendue et uniforme de la structure capillaire.
Avantageusement et selon l’invention, ladite structure capillaire est formée d’un matériau poreux désordonné et consolidé. Avantageusement et selon cette variante, ledit matériau poreux est formé d’une pluralité de pores dont au moins une des dimensions est inférieure à la longueur capillaire du liquide réfrigérant.
Avantageusement et selon cette variante, ledit matériau poreux est métallique fritté ou soudé sur ledit substrat thermiquement conducteur.
Avantageusement et selon l’invention, ladite structure capillaire est formée d’un milieu poreux, par exemple un réseau de rainures ou un réseau maillé dont au moins une des dimensions est inférieure à la longueur capillaire du liquide réfrigérant.
Selon cette variante avantageuse, la structure capillaire est formée d’un réseau de rainures. Dans ce cas, chaque rainure présente au moins une dimension inférieure à la longueur capillaire du liquide réfrigérant. Autrement dit, la rainure présente une dimension, par exemple sa largeur, inférieure à la profondeur du liquide à partir de laquelle les forces dues à la pression hydrostatique sont équivalentes aux forces dues au phénomène capillaire. Cette variante permet d’assurer que les forces capillaires sont capables de maintenir le liquide dans la structure capillaire quelle que soit la direction et l’intensité de la force gravitaire ou d’accélération (ou toute autre force de volume).
Avantageusement et selon l’invention, ledit composant dissipatif est un composant électronique.
Bien entendu, selon d’autres variantes, le composant dissipatif peut être tous types de composants nécessitant l’évacuation d’un flux de chaleur.
L’invention concerne également une boucle diphasique de refroidissement d’au moins un composant dissipatif comprenant un circuit de circulation d’un fluide caloporteur sur lequel sont agencés en série, un moyen de pompage du fluide dans ledit circuit, au moins un évaporateur adapté pour produire un flux de vapeur par contact du liquide réfrigérant avec ledit composant dissipatif, un condenseur adapté pour condenser le flux de vapeur fourni par ledit évaporateur, et un réservoir de liquide réfrigérant configuré pour pouvoir alimenter ledit circuit de circulation de liquide, caractérisée en ce que ledit évaporateur est un évaporateur selon l’invention. Selon une variante de l’invention, la boucle diphasique comprend une pluralité d’évaporateurs agencés en série, en parallèles ou en combinaison série/parallèle.
Avantageusement et selon l’invention, la boucle diphasique comprend en outre une vanne de régulation de pression du liquide réfrigérant agencée sur ledit circuit de régulation de fluide entre ledit évaporateur et ledit condenseur.
Cette variante avantageuse permet, pour un débit d’alimentation de liquide réfrigérant donné, d’étendre la gamme de flux de chaleur qui induit un fonctionnement optimal de l’évaporateur. Cette vanne de régulation est pilotée en fonction du débit de liquide et du flux de chaleur.
Avantageusement et selon l’invention la boucle diphasique comprend en outre une pompe formant ledit moyen de pompage, agencée sur ledit circuit de circulation d’un liquide réfrigérant.
Cette pompe peut par exemple être une pompe mécanique volumétrique, une pompe mécanique centrifuge ou une pompe capillaire.
L'invention concerne également un évaporateur et une boucle diphasique caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci- dessus ou ci-après.
5. Liste des figures
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles :
- la figure la est une vue schématique d’une boucle diphasique selon un mode de réalisation de l’invention comprenant un évaporateur selon un mode de réalisation de l’invention,
- la figure lb est une vue schématique d’une boucle diphasique selon un autre mode de réalisation de l’invention comprenant un évaporateur selon un mode de réalisation de l’invention,
- la figure 2 est une vue schématique en perspective coupée selon un axe longitudinal d’un évaporateur selon un mode de réalisation de l’invention, la figure 3 est une vue schématique en coupe d’un évaporateur selon un mode de réalisation de l’invention,
la figure 4 est une vue schématique en coupe longitudinale d’un évaporateur selon un mode de réalisation de l’invention, la figure 5 est une vue schématique de dessus d’un évaporateur selon un mode de réalisation de l’invention,
la figure 6 est une vue schématique d’une boucle diphasique selon un autre mode de réalisation de l’invention.
6. Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention
Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d’illustration et de clarté. Dans toute la description détaillée qui suit en référence aux figures, sauf indication contraire, chaque élément de l’évaporateur est décrit tel qu’il est agencé lorsque l’évaporateur est agencé sur un composant dissipatif présentant une surface s’étendant dans un plan horizontal. Cet agencement est représenté notamment sur la figure 2.
En outre, les éléments identiques, similaires ou analogues sont désignés par les mêmes références dans toutes les figures.
Enfin, les termes longitudinal, transversal et vertical sont utilisés à titre non limitatif en référence au trièdre L, T, V tel que représenté sur la figure 2. La direction longitudinale correspond à la direction principale des distributeurs de liquide réfrigérant. La direction verticale est la direction définie par la gravité. La direction transversale est la direction perpendiculaire à la direction longitudinale et à la direction verticale.
Une boucle diphasique selon l’invention comprend, tel que représenté sur la figure la, un réservoir 10 d’un liquide réfrigérant, un circuit de circulation 11 du liquide réfrigérant mis en mouvement par une pompe 14, un évaporateur 12 alimenté par le liquide réfrigérant du circuit de circulation, un condenseur 13 alimenté en vapeur produite par l’évaporateur par un circuit 15 vapeur. Le condenseur 13 permet de condenser la vapeur de manière à pouvoir réinjecter le liquide produit dans le circuit de circulation 11 de liquide à un nœud représenté par la référence 16 sur la figure la. La figure lb est une variante du mode de réalisation de la figure la qui diffère de ce premier mode de réalisation par le fait que le nœud 16 de jonction du circuit de circulation 11 de liquide et du circuit 15 vapeur est agencé en amont du condenseur 13 et non en aval du condenseur comme pour le mode de la figure la. Ce mode de réalisation ne change pas le fonctionnement de l’évaporateur qui va être décrit ci-après.
La figure 2 illustre un évaporateur 12 selon un mode de réalisation de l’invention et les figures 3 à 5 illustrent schématiquement le principe de fonctionnement d’un tel évaporateur, en particulier l’alimentation en liquide réfrigérant de la structure capillaire.
L’évaporateur 12 de la figure 2 est coupé selon un plan longitudinal, au niveau d’un distributeur 31 de manière à illustrer la structure interne de G évaporateur selon ce mode de réalisation.
L’évaporateur 12 de la figure 2 est destiné à refroidir un composant dissipatif 17, qui est par exemple un composant électronique, monté sur un support 18.
L’évaporateur 12 comprend un substrat 21 thermiquement conducteur mis en contact avec le composant dissipatif 17 à refroidir. Ce substrat 21 est par exemple une plaque de Cuivre ou une plaque de Silicium. D’une manière générale, ce substrat 21 peut être fait en tout type de matériau thermiquement conducteur, par exemple un matériau présentant une bonne conductivité thermique, c’est-à-dire une conductivité thermique d’au moins 10 W . mT1. K-1.
L’évaporateur comprend également un boîtier 20 étanche qui surmonte, au moins partiellement le substrat 21 thermiquement conducteur. Selon le mode de réalisation de la figure 2, le boîtier étanche présente une ouverture inférieure dans laquelle s’étend le substrat 21 thermiquement conducteur.
L’évaporateur 12 comprend également une structure capillaire 22 fixée sur le substrat 21 thermiquement conducteur.
Cette structure capillaire 22 est par exemple formée d’un matériau poreux désordonné et consolidé. Selon un mode de réalisation de l’invention, le matériau poreux est métallique fritté ou soudé sur le substrat 21 thermiquement conducteur. Un tel matériau métallique peut par exemple être du Cuivre.
Selon un autre mode de réalisation non représenté sur les figures, la structure capillaire 22 est gravée dans le substrat 21 thermiquement conducteur.
La structure capillaire 22 forme une interface de vaporisation du liquide réfrigérant circulant dans le circuit 11 de la boucle diphasique agencée entre un canal de circulation de liquide et un canal vapeur 15.
Le canal vapeur 15 comprend une enceinte vapeur 23 en contact avec la structure capillaire. Sur la figure 2, l’enceinte vapeur 23 est obturée par une plaque 24 transparente qui forme la paroi supérieure de l’enceinte 20 étanche, ce qui permet de déceler l’orifice 25 d’évacuation de la vapeur vers le condenseur.
L’alimentation de la structure capillaire 22 en liquide réfrigérant est réalisée par un canal de circulation de liquide qui comprend, selon le mode de réalisation des figures, deux distributeurs 31, 32 de liquide réfrigérant.
La figure 2 étant une coupe selon un plan longitudinal au niveau du distributeur 31, ce dernier est partiellement représenté à des fins de clarté.
Les figures 3, 4 et 5 illustrent schématiquement le principe d’évaporation mis en œuvre par l’évaporateur 12 selon l’invention au niveau de la structure capillaire 22.
La figure 3 est une vue en coupe transversale de l’évaporateur 12 et la figure 4 est une vue en coupe longitudinale de l’évaporateur.
Les figures 3 et 4 illustrent donc le composant dissipatif 17 sur lequel est agencé l’évaporateur comprenant le substrat 21 thermiquement conducteur, lui- même surmonté de la structure capillaire 22. Cette structure capillaire est alimentée en liquide réfrigérant par les distributeurs 31, 32. Seul le distributeur 31 est visible sur la figure 4 étant donné que cette vue est une coupe longitudinale de l’évaporateur au niveau de ce distributeur 31.
Le distributeur 31 comprend une entrée de liquide 3 la, une sortie de liquide 3lb, et une tubulure 3 le de circulation de liquide réfrigérant s’étendant entre l’entrée de liquide 3 la et la sortie de liquide 3 lb. En outre, le distributeur 31 comprend une ouverture 3ld qui débouche sur la structure capillaire 22 au niveau d’une portion de surface, dite surface de distribution 22a. Le distributeur 31 alimente la structure capillaire en liquide réfrigérant par cette ouverture 3ld.
Cette ouverture 3ld peut être de tous types. Par exemple, et tel que représenté sur les figures, cette ouverture 3ld est formée d’une fente longitudinale.
Selon le mode de réalisation des figures, la section de passage de liquide réfrigérant au niveau de la fente est réduite par rapport à la section de circulation du liquide dans la tubulure. Cela étant, selon d’autres modes de réalisation, la section de passage de fluide au niveau de la fente peut être identique ou plus grande que la section de passage dans la tubulure.
En outre, et tel que représenté sur les figures, l’ouverture 3ld présente une section d’axe perpendiculaire à la direction longitudinale. Bien entendu, selon d’autres modes de réalisation, l’ouverture 3ld peut présenter une autre structure, par exemple des perçages régulièrement répartis le long de la tubulure 3 le.
Le liquide est pompé par effet de capillarité par la structure capillaire 22, ce qui a pour effet de former une couche 27 de liquide sur le substrat 21 thermiquement conducteur. Le contact du liquide avec le substrat thermiquement conducteur 21 entraîne la vaporisation du liquide réfrigérant, schématiquement représenté par des flèches ondulées 26 sur la figure 3. La partie supérieure de la structure capillaire 22 est donc formée d’une couche 24 formant l’interface liquide/vapeur de l’évaporateur 12. La vapeur générée par contact du liquide réfrigérant avec le substrat 21 alimente l’enceinte 23 puis le canal vapeur 15 par l’intermédiaire d’une surface active 22b de la structure capillaire 22. La vapeur de l’enceinte 23 est ensuite évacuée vers le condenseur 13 en passant par l’orifice 25 et des conduites adaptées du circuit vapeur 15.
La surface active 22b et la surface de distribution 22a sont adjacentes et coplanaires.
Comme représenté sur la figure 4, le canal de circulation du liquide réfrigérant formé des distributeurs 31, 32, n’est pas perturbé par la ponction due à l’évaporation du liquide.
Aussi, l’évaporateur ne subit que très peu de pertes de charges, c’est-à-dire qu’il n’est pas nécessaire de disposer d’une pompe puissante pour mettre le liquide en écoulement. Les distributeurs 31, 32 permettent de former, par pompage capillaire de la structure capillaire 22, une couche de liquide fine sur le substrat 21 thermiquement conducteur. La figure 5 illustre schématiquement, en vue de dessus, l’étalement du liquide sur la structure capillaire 22 qui vient pomper le liquide pour l’amener au contact du substrat 21 thermiquement conducteur agencé sous la structure capillaire. Sur cette figure, les flèches représentent schématiquement les déplacements du liquide réfrigérant dans les tubulures 3 le, 32c des distributeurs 31, 32 et l’étalement du liquide dans la structure capillaire 22.
La figure 6 illustre l’insertion d’un évaporateur 12 selon le mode de réalisation des figures dans une boucle diphasique plus détaillée que celle de la figure 1.
En particulier, outre le réservoir 10 d’un liquide réfrigérant, un circuit de circulation 11 du liquide réfrigérant, une pompe 14, un évaporateur 12, un condenseur 13, et un circuit vapeur 15, la boucle diphasique de la figure 6 comprend en outre un filtre 42, qui est par exemple un filtre 0,5 mhi permettant de filtrer le liquide réfrigérant avant l’alimentation des distributeurs de l’évaporateur 12.
La boucle comprend également un débitmètre 43 pour permettre de mesurer et régler le débit de liquide dans le circuit 11 de circulation de liquide.
La boucle comprend également une vanne 44 pilotée et agencée entre G évaporateur 12 et le condenseur 13, en parallèle du canal vapeur 15. Cette vanne 44 pilotée permet pour un débit d’alimentation de liquide donné, d’étendre la gamme de flux de chaleur induisant un fonctionnement optimal de l’évaporateur.
Par exemple et en référence à la figure 6, si G on note A, un point de la boucle en entrée de l’évaporateur 12, B, un point de la boucle en sortie de l’évaporateur et C, un point en entrée du condenseur 13, alors, la variation de pression entre les points A, B et C dépend notamment de la position de la vanne 44.
Aussi, en pilotant la vanne 44, il est possible de contrôler la variation de pression entre les points A et C et de piloter le flux vaporisé maximum.
L’invention ne se limite pas aux seuls modes de réalisation décrits en lien avec les figures. Ainsi, et selon d’autres modes de réalisation, G évaporateur peut comprendre plus de deux distributeurs et/ou des distributeurs comprenant des fentes non rectilignes permettant d’alimenter la structure capillaire.

Claims

REVENDICATIONS
1. Évaporateur (12) d’une boucle fluide de refroidissement d’un composant dissipatif (17) comprenant :
un substrat (21) thermiquement conducteur destiné à être mis en contact avec ledit composant dissipatif (17) à refroidir, un boîtier étanche (20) surmontant au moins partiellement ledit substrat (21) thermiquement conducteur,
une structure capillaire (22), fixée ou gravée sur ledit substrat (21) thermiquement conducteur, logée dans ledit boîtier étanche (20) sur ledit substrat (21) thermiquement conducteur et formant une interface de vaporisation d’un liquide réfrigérant au contact dudit substrat (21) thermiquement conducteur, entre un canal de circulation de ce liquide réfrigérant et un canal vapeur (15) d’évacuation de la vapeur produite,
caractérisé en ce que ledit canal de circulation de liquide comprend au moins un distributeur (31, 32) de liquide réfrigérant configuré pour pouvoir alimenter localement une surface de ladite structure capillaire, dite surface de distribution (22a), de sorte que le liquide réfrigérant puisse être amené par pompage capillaire au contact dudit substrat (21) en formant une couche de liquide qui s’étend sur ledit substrat,
et en ce que ledit canal vapeur (15) est alimenté en vapeur, produite par contact du liquide réfrigérant avec ledit substrat thermiquement conducteur, par l’intermédiaire d’une surface de la structure capillaire, dite surface active (22b), adjacente et coplanaire à ladite surface de distribution (22a).
2. Évaporateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’au moins un distributeur (31, 32) de liquide réfrigérant comprend une entrée de liquide (3 la, 32a), une sortie de liquide (3lb, 32b), et une tubulure (3 le, 32c) de circulation de liquide réfrigérant s’étendant selon une direction parallèle au plan de ladite structure capillaire, dite direction longitudinale, entre ladite entrée de liquide (3 la, 32a) et ladite sortie de liquide (3 lb, 32b) et présentant au moins une ouverture (3 ld, 32d) débouchant sur ladite surface de distribution (22a) de ladite structure capillaire (22) pour pouvoir alimenter ladite structure capillaire (22) en liquide réfrigérant.
3. Évaporateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite ouverture (3ld, 32d) de ladite tubulure (3 le, 32c) présente une section d’axe perpendiculaire à ladite direction longitudinale
4. Évaporateur selon l’une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit canal de circulation de liquide réfrigérant comprend au moins deux distributeurs (31, 32) de liquide réfrigérant comprenant chacun une entrée de liquide (3 la, 32a), une sortie de liquide (3lb, 32b), et une tubulure (3 le, 32c) de circulation de liquide réfrigérant s’étendant selon une direction, dite direction longitudinale, entre ladite entrée de liquide et ladite sortie de liquide et présentant une ouverture (3ld, 32d) débouchant sur ladite surface de distribution (22a) de ladite structure capillaire (22), ladite surface de distribution étant alors formée de deux surfaces disjointes séparées par ladite surface active (22b).
5. Évaporateur selon l’une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que ladite ouverture (3ld, 32d) d’axe perpendiculaire à ladite direction longitudinale débouchant sur ladite surface de distribution (22a) s’étend le long de la direction longitudinale formant une fente d’axe longitudinale.
6. Évaporateur selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite structure capillaire (22) est formée d’un matériau poreux désordonné et consolidé.
7. Évaporateur selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit matériau poreux est formé d’une pluralité de pores dont au moins une dimension est inférieure à la longueur capillaire du liquide réfrigérant.
8. Évaporateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit matériau poreux est métallique fritté ou soudé sur ledit substrat thermiquement conducteur.
9. Évaporateur selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite structure capillaire (22) est formée d’un réseau de rainures dont au moins une des dimensions est inférieure à la longueur capillaire du liquide réfrigérant.
10. Évaporateur selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit composant dissipatif (17) est un composant électronique.
11. Boucle diphasique de refroidissement d’un composant dissipatif (17) comprenant un circuit de circulation (11) d’un liquide réfrigérant sur lequel sont agencés un moyen de pompage (14) dudit liquide réfrigérant, un évaporateur (12) adapté pour produire un flux de vapeur par contact du liquide réfrigérant avec ledit composant dissipatif (17), un condenseur (13) adapté pour condenser le flux de vapeur fourni par ledit évaporateur (12), et un réservoir (10) de liquide réfrigérant configuré pour pouvoir alimenter ledit circuit de circulation de liquide, caractérisée en ce que ledit évaporateur (12) est un évaporateur selon l’une des revendications 1 à 10.
12. Boucle diphasique selon la revendication 11, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre une vanne (44) de régulation de pression du liquide réfrigérant agencée sur ledit circuit de régulation de fluide entre ledit évaporateur (12) et ledit condenseur (13).
13. Boucle diphasique selon l’une des revendications 11 ou 12, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre une pompe (14) agencée sur ledit circuit de circulation d’un liquide réfrigérant.
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