EP4325158A1

EP4325158A1 - Capillary pumping type heat pipe with re-entrant grooves transverse to the longitudinal axis of the heat pipe

Info

Publication number: EP4325158A1
Application number: EP23191678.4A
Authority: EP
Inventors: Mathieu Mariotto; Bénédicte CHAMPEL; Jean-Antoine Gruss
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2022-08-17
Filing date: 2023-08-16
Publication date: 2024-02-21
Also published as: FR3138941A1

Abstract

Caloduc de type à pompage capillaire, à rainures réentrantes transversales à l'axe longitudinal du caloduc.L'invention concerne un caloduc (1) dont au moins l'évaporateur comprend des canaux de liaison entre canal vapeur et canal(ux) liquide(s) qui sont non pas réalisés selon la longueur du caloduc comme selon l'état de l'art, mais transversalement à cette longueur.Capillary pumping type heat pipe, with reentrant grooves transverse to the longitudinal axis of the heat pipe. The invention relates to a heat pipe (1) of which at least the evaporator comprises connecting channels between the vapor channel and the liquid channel(s). ) which are not made along the length of the heat pipe as according to the state of the art, but transversely to this length.

Description

Domaine techniqueTechnical area

La présente invention concerne un caloduc de type à pompage capillaire à rainures réentrantes.The present invention relates to a capillary pumping type heat pipe with reentrant grooves.

La présente invention vise à améliorer la limite d'ébullition d'un tel caloduc.The present invention aims to improve the boiling limit of such a heat pipe.

Technique antérieurePrior art

Un caloduc est un dispositif thermique permettant de transférer une quantité d'énergie depuis une source chaude vers une source froide, distantes d'une certaine longueur.A heat pipe is a thermal device allowing a quantity of energy to be transferred from a hot source to a cold source, a certain length apart.

Un caloduc comporte une enceinte hermétiquement close, un fluide de travail et un réseau capillaire. Lors de la fabrication, tout l'air présent dans le tube caloduc est évacué et on introduit une quantité de liquide pur permettant de saturer le réseau capillaire. Une fois l'enceinte close, et soumis à une source chaude, il y a établissement d'un équilibre entre la phase liquide et la phase vapeur.A heat pipe comprises a hermetically sealed enclosure, a working fluid and a capillary network. During manufacturing, all the air present in the heat pipe tube is evacuated and a quantity of pure liquid is introduced to saturate the capillary network. Once the enclosure is closed and subjected to a hot source, an equilibrium is established between the liquid phase and the vapor phase.

Sous l'effet d'une source chaude appliquée dans une zone à l'une des extrémités longitudinales, désignée évaporateur, une partie de la phase liquide se vaporise et absorbe le flux thermique sous forme latente en induisant une légère surpression qui provoque le mouvement de la vapeur vers une zone à l'autre extrémité longitudinale, désignée condenseur où la source froide s'applique. Au condenseur, la vapeur se condense et repasse en phase liquide. Le fluide condensé (les condensats) circule dans le réseau capillaire et revient vers l'évaporateur pour refaire un cycle, sous l'effet de forces capillaires, lorsque le caloduc n'est pas soumis à la gravité. Le retour du fluide liquide du condenseur à l'évaporateur est obtenu par pompage capillaire.Under the effect of a hot source applied in a zone at one of the longitudinal ends, designated the evaporator, part of the liquid phase vaporizes and absorbs the heat flow in latent form by inducing a slight overpressure which causes the movement of the steam towards an area at the other longitudinal end, designated the condenser where the cold source is applied. At the condenser, the vapor condenses and returns to the liquid phase. The condensed fluid (condensates) circulates in the capillary network and returns to the evaporator to repeat a cycle, under the effect of capillary forces, when the heat pipe is not subject to gravity. The return of the liquid fluid from the condenser to the evaporator is obtained by capillary pumping.

En effet, en l'absence de gravité, le moteur du caloduc est le pompage capillaire du fluide qui s'opère au niveau des zones d'interface liquide-vapeur spécifiquement configurées pour qu'un ménisque se forme, résultant de l'angle de contact entre le fluide et le métal constituant le caloduc (lui-même dépendant de la tension superficielle du fluide, et des tensions interfaciales solide/liquide et solide/vapeur). Plus les forces de pompage capillaire sont grandes par rapport aux diverses forces de frottement des phases du fluide avec les parois et entre elles, plus le caloduc est performant et peut transporter une grande quantité d'énergie. Les caloducs concernés par cette absence de gravité sont par exemple ceux mis en oeuvre dans des conditions de fonctionnement spatiales, comme pour la thermalisation de système de télécommunication des satellites.Indeed, in the absence of gravity, the engine of the heat pipe is the capillary pumping of the fluid which takes place at the level of the liquid-vapor interface zones specifically configured so that a meniscus forms, resulting from the angle of contact between the fluid and the metal constituting the heat pipe (itself depending on the surface tension of the fluid, and the solid/liquid and solid/vapor interfacial tensions). The greater the capillary pumping forces greater in relation to the various friction forces of the phases of the fluid with the walls and between them, the more efficient the heat pipe is and can transport a large quantity of energy. The heat pipes affected by this absence of gravity are for example those used in space operating conditions, such as for the thermalization of satellite telecommunications systems.

En régime terrestre, avec la gravité, la problématique du retour de phase liquide est tout autre, et d'autres configurations d'interface liquide-vapeur/paroi sont mises en oeuvre.In the terrestrial regime, with gravity, the problem of liquid phase return is completely different, and other liquid-vapor/wall interface configurations are implemented.

Les caloducs à rainures fonctionnent sur le principe du pompage capillaire. Ils comportent un tube, dans lequel la surface intérieure comporte des rainures axiales/longitudinales [1] ou légèrement en forme de spirale. Les caloducs à rainures comportent un coeur vapeur et un réseau capillaire dans lequel circule la phase liquide. Du fait d'une variation de courbure de l'interface liquide-vapeur- entre la zone condenseur et la zone évaporateur, un gradient de pression apparaît dans le liquide, qui mène à une variation de pression capillaire. Plus la largeur des rainures est petite, plus l'effet de pompage capillaire est important.Grooved heat pipes work on the principle of capillary pumping. They feature a tube, in which the inner surface has axial/longitudinal [1] or slightly spiral-shaped grooves. Grooved heat pipes comprise a vapor core and a capillary network in which the liquid phase circulates. Due to a variation in curvature of the liquid-vapor interface between the condenser zone and the evaporator zone, a pressure gradient appears in the liquid, which leads to a variation in capillary pressure. The smaller the width of the grooves, the greater the capillary pumping effect.

Par ailleurs, des rainures profondes permettent d'obtenir une section de passage pour le retour liquide grande, et donc de minimiser la perte de pression.Furthermore, deep grooves make it possible to obtain a large passage section for the liquid return, and therefore to minimize pressure loss.

La puissance maximale que peuvent transporter des caloducs à rainures est généralement fixée par la limite capillaire dont le terme moteur est la pression capillaire, et le terme limitant essentiellement la perte de pression liquide dans les rainures et, dans une moindre mesure les pertes de charge de l'écoulement vapeur.The maximum power that grooved heat pipes can transport is generally fixed by the capillary limit, the driving term of which is the capillary pressure, and the term essentially limiting the loss of liquid pressure in the grooves and, to a lesser extent, the pressure losses of steam flow.

Les caloducs à rainures réentrantes sont des exemples particuliers de caloducs à rainures, dans lesquels les rainures présentent un canal de liaison étroit par rapport au reste de la rainure, ce qui permet d'augmenter l'effet de pompage capillaire tout en limitant les pertes de charge. Ces caloducs sont utilisés principalement dans le domaine spatial, par exemple pour la régulation thermique dans les satellites et/ou les engins spatiaux.Reentrant groove heat pipes are particular examples of groove heat pipes, in which the grooves have a narrow connection channel relative to the rest of the groove, which allows the capillary pumping effect to be increased while limiting heat losses. charge. These heat pipes are used mainly in the space sector, for example for thermal regulation in satellites and/or spacecraft.

Les techniques de réalisation connues des caloducs à rainures, et notamment des caloducs à rainures réentrantes, ne permettent pas d'obtenir des rainures ayant une profondeur sensiblement plus grande que leur largeur.The known production techniques for heat pipes with grooves, and in particular heat pipes with reentrant grooves, do not make it possible to obtain grooves having a depth significantly greater than their width.

Ces caloducs sont réalisés essentiellement par extrusion. Avec une telle technique, le rapport profondeur sur largeur de rainures rectangulaires est de l'ordre de 1.These heat pipes are made mainly by extrusion. With such a technique, the depth to width ratio of rectangular grooves is of the order of 1.

Dans le cas des rainures réentrantes, les contraintes de fabrication sont encore plus draconiennes, limitant la largeur, la longueur du rétrécissement et la section de la partie réentrante.In the case of reentrant grooves, the manufacturing constraints are even more drastic, limiting the width, the length of the constriction and the section of the reentrant part.

Une autre technique utilise l'usinage mécanique, avec cette technique également le rapport profondeur sur largeur n'est pas sensiblement supérieur à 1. En outre, cette technique a un prix de revient relativement élevé et n'est pas adaptée à la fabrication en moyenne et grande série.Another technique uses mechanical machining, with this technique also the depth to width ratio is not significantly greater than 1. Furthermore, this technique has a relatively high cost price and is not suitable for manufacturing on average and large series.

Une autre technique utilise la gravure chimique. Mais elle ne permet pas non plus d'avoir un rapport profondeur sur largeur important.Another technique uses chemical etching. But it also does not allow for a significant depth to width ratio.

Pour pallier ces inconvénients, la demanderesse a proposé dans la demande de brevet EP3553445A1 un caloduc réalisé par empilement de plaques solidarisées entre elles avec étanchéité, dont les plaques d'extrémité formant des plaques de fermeture et les plaques intercalaires sont structurées, de sorte que leur empilement délimite des rainures réentrantes s'étendant sur toute la longueur du caloduc. Les plaques peuvent être assemblées par différentes techniques de soudure, brasure ou collage.To overcome these drawbacks, the applicant proposed in the patent application EP3553445A1 a heat pipe made by stacking plates joined together with sealing, the end plates of which forming closing plates and the intermediate plates are structured, so that their stacking delimits reentrant grooves extending over the entire length of the heat pipe. The plates can be assembled using different welding, brazing or bonding techniques.

Le brevet US7051793 décrit un caloduc comportant une ou plusieurs zones de circulation du fluide sous forme vapeur et de part et d'autre de ces zones des zones poreuses de circulation du liquide, ces zones capillaires s'étendant sur tout le caloduc. Le caloduc est réalisé également par empilement de plaques. Les zones capillaires sont obtenues en empilant des plaques comportant des fenêtres, les fenêtres ayant des directions orthogonales d'une plaque à l'autre. L'effet de pompage capillaire n'est pas optimal. En outre, une importante perte de charge existe. Ce caloduc étale le flux thermique sur la largeur du caloduc et n'est pas optimisé pour le transport du flux de chaleur sur sa longueur.The patent US7051793 describes a heat pipe comprising one or more zones for circulation of the fluid in vapor form and on either side of these zones porous zones for circulation of the liquid, these capillary zones extending over the entire heat pipe. The heat pipe is also made by stacking plates. The capillary zones are obtained by stacking plates comprising windows, the windows having orthogonal directions from one plate to another. The capillary pumping effect is not optimal. In addition, a significant pressure loss exists. This heat pipe spreads the heat flow across the width of the heat pipe and is not optimized for transporting the heat flow along its length.

Sur la plage de températures de fonctionnement d'un caloduc, différentes limites physiques peuvent limiter ses performances. La courbe de fonctionnement du caloduc, qui permet de connaitre sa capacité de transport maximum, est obtenue par la réunion des courbes correspondant aux différentes limites physiques de fonctionnement qui définissent au final le domaine de fonctionnement du caloduc en termes de puissance maximale qu'il peut transférer.Over the operating temperature range of a heat pipe, different physical limits can limit its performance. The operating curve of the heat pipe, which allows us to know its maximum transport capacity, is obtained by combining the curves corresponding to the different physical operating limits which ultimately define the operating range of the heat pipe in terms of maximum power that it can to transfer.

La figure 1 illustre la courbe délimitant le domaine de fonctionnement pour un exemple de caloduc à pompage capillaire. Sur cette figure 1, on rappelle que les portions de courbe Qvisqueuse, Qsonique, Qentraînement, Qcapillaire, Qébullition, définissent respectivement les limites visqueuse, sonique, d'entraînement, capillaire et d'ébullition.There figure 1 illustrates the curve delimiting the operating range for an example of a capillary pumped heat pipe. On this figure 1 , we recall that the portions of curve Qviscous, Qsonic, Qentrainment, Qcapillary, Qboiling, define the viscous, sonic, entrainment, capillary and boiling limits respectively.

En ce qui concerne la limite d'ébullition, dans un caloduc à pompage capillaire, la pression motrice capillaire doit compenser les pertes de charge statiques liées aux forces de volume et dynamiques générées par l'écoulement du fluide de travail du caloduc (frottements entre les écoulements et les parois). Cette pression motrice capillaire, qui correspond à la différence de pression capillaire entre l'évaporateur et le condenseur, est fonction de la structure du caloduc, et les pertes de charge dynamiques sont croissantes avec le débit massique du fluide de travail (et avec la longueur du caloduc) : la limite capillaire est atteinte lorsque la pression motrice capillaire est égale à la somme des pertes de charges. Autrement dit, un caloduc ne fonctionne que si la pression motrice capillaire est supérieure, en conditions de microgravité, aux pertes de charge, et donc en dessous de la limite capillaire.Regarding the boiling limit, in a capillary pumped heat pipe, the capillary driving pressure must compensate for the static pressure losses linked to the volume and dynamic forces generated by the flow of the working fluid from the heat pipe (friction between the flows and walls). This capillary driving pressure, which corresponds to the difference in capillary pressure between the evaporator and the condenser, is a function of the structure of the heat pipe, and the dynamic pressure losses are increasing with the mass flow rate of the working fluid (and with the length of the heat pipe): the capillary limit is reached when the capillary driving pressure is equal to the sum of the pressure losses. In other words, a heat pipe only works if the capillary driving pressure is greater, in microgravity conditions, than the pressure losses, and therefore below the capillary limit.

Cette limite s'exprime généralement en W.m : elle est inversement proportionnelle à la longueur efficace du caloduc, c'est-à-dire que pour un même design (même section transversale sur toute la longueur), la limite capillaire, exprimée en W, d'un caloduc de 2 mètres est la moitié de celle d'un caloduc de 1 mètre.This limit is generally expressed in W.m: it is inversely proportional to the effective length of the heat pipe, that is to say that for the same design (same cross section over the entire length), the capillary limit, expressed in W, of a 2 meter heat pipe is half that of a 1 meter heat pipe.

Les pertes de charge par frottement dans un écoulement s'expriment par l'équation de Darcy-Weisbach comme suit : $\frac{dP}{dz} = f \frac{1}{D_{h}} ρ \frac{v^{2}}{2}$

dans laquelle :

f est le coefficient de perte de charge (dépendant du régime d'écoulement du fluide, et que l'on peut déterminer via le nombre de Reynolds à partir de corrélations),
v la vitesse du fluide de travail (proportionnelle à la puissance thermique à transporter),
p la masse volumique du fluide de travail et
Dh le diamètre hydraulique.

Frictional pressure losses in a flow are expressed by the Darcy-Weisbach equation as follows:

\frac{dP}{dz} = f \frac{1}{D_{h}} ρ v \frac{^{2}}{2}

in which :

f is the pressure loss coefficient (dependent on the fluid flow regime, and which can be determined via the Reynolds number from correlations),
v the speed of the working fluid (proportional to the thermal power to be transported),
p the density of the working fluid and
Dh the hydraulic diameter.

Le diamètre hydraulique est lui-même défini par l'équation suivante: $D_{h} = \frac{4 S}{P_{m}}$

avec S la section du fluide et Pm le périmètre mouillé.The hydraulic diameter is itself defined by the following equation:

D_{h} = \frac{4 S}{P_{m}}

with S the section of the fluid and Pm the wetted perimeter.

On comprend donc que pour maximiser la limite capillaire, il faut privilégier des canaux de liquide et de vapeur de section élevée, afin de minimiser les vitesses de fluides dans ces canaux sans réduire le débit, qui est proportionnel à la puissance thermique transférée dans le caloduc.We therefore understand that to maximize the capillary limit, it is necessary to favor liquid and vapor channels of high section, in order to minimize the fluid speeds in these channels without reducing the flow rate, which is proportional to the thermal power transferred in the heat pipe .

Il est également nécessaire d'avoir une largeur de rainure à l'interface faible, afin d'avoir une pression capillaire élevée. Mais cette largeur de rainure ne peut être trop faible pour être réalisable technologiquement par une opération de brasure selon le procédé de la demande EP3553445A1 . En effet, une largeur trop faible induirait un risque de bouchage par la brasure.It is also necessary to have a low groove width at the interface, in order to have a high capillary pressure. But this groove width cannot be too small to be technologically achievable by a brazing operation according to the process of the request. EP3553445A1 . Indeed, too small a width would create a risk of blockage by the solder.

Par ailleurs, le rapport des sections entre le canal et la rainure ne doit pas être trop élevé, afin de faciliter l'évacuation des bulles de vapeur pouvant éventuellement apparaitre dans les canaux.Furthermore, the ratio of sections between the channel and the groove must not be too high, in order to facilitate the evacuation of steam bubbles which may possibly appear in the channels.

Par ailleurs également, lors de l'évaporation du ménisque de l'interface liquide/vapeur dans la rainure qui délimite un canal de liaison, le ménisque recule dans cette dernière, d'autant plus que le flux thermique est élevé. Si le ménisque recule trop, il peut atteindre le canal réentrant. Dans ce cas, le rayon capillaire à l'interface augmente et donc la pression capillaire, moteur du caloduc diminue; il y a alors risque de désamorçage du caloduc.Furthermore also, during the evaporation of the meniscus of the liquid/vapor interface in the groove which delimits a connecting channel, the meniscus moves back in the latter, especially as the heat flow is high. If the meniscus moves back too much, it can reach the reentrant canal. In this case, the capillary radius at the interface increases and therefore the capillary pressure, driving the heat pipe, decreases; there is then a risk of defusing the heat pipe.

Il est donc avantageux d'avoir un volume important de liquide dans un canal de liaison, afin de minimiser ce phénomène.It is therefore advantageous to have a large volume of liquid in a connecting channel, in order to minimize this phenomenon.

La résistance thermique globale d'un caloduc peut être évaluée en faisant une analogie de réseau de résistances thermiques indépendantes.The overall thermal resistance of a heat pipe can be evaluated by making a network analogy of independent thermal resistances.

Un tel réseau est schématisé en figure 2 dans laquelle un flux de chaleur Q émis par une source chaude SC doit être évacué par un caloduc jusqu'à une source froide.Such a network is schematized in figure 2 in which a heat flow Q emitted by a hot source SC must be evacuated by a heat pipe to a cold source.

D'un point de vue thermique, le caloduc peut être considéré comme un ensemble d'un nombre de onze résistances thermiques R1 à R11 en série et/ou en parallèle comme représenté sur cette figure 1. Les résistances axiales de la paroi extérieure R10 et du réseau capillaire R11 sur la longueur du caloduc sont immenses. Par conséquent, le chemin du flux thermique privilégié est celui passant par la section de circulation de la vapeur. Ce chemin est constitué de cinq résistances différentes, comme suit :

la résistance entre la source extérieure et la paroi R1, R9 respectivement à l'évaporateur et au condenseur;
la résistance de la paroi extérieure R2, R8 respectivement à l'évaporateur et au condenseur;
la résistance des canaux liquides (réseau capillaire) R3, R7 respectivement à l'évaporateur et au condenseur ;
la résistance de l'interface entre liquide et vapeur R4, R6 respectivement à l'évaporateur et au condenseur et
la résistance de l'écoulement de vapeur R5.

From a thermal point of view, the heat pipe can be considered as a set of a number of eleven thermal resistors R1 to R11 in series and/or in parallel as shown in this figure 1 . The axial resistances of the exterior wall R10 and the network capillary R11 along the length of the heat pipe are immense. Consequently, the preferred heat flow path is that passing through the steam circulation section. This path is made up of five different resistances, as follows:

the resistance between the external source and the wall R1, R9 respectively to the evaporator and the condenser;
the resistance of the outer wall R2, R8 to the evaporator and the condenser respectively;
the resistance of the liquid channels (capillary network) R3, R7 to the evaporator and the condenser respectively;
the resistance of the interface between liquid and vapor R4, R6 respectively at the evaporator and the condenser and
the resistance of the steam flow R5.

Sur ce chemin, la résistance thermique limitante est celle des canaux liquides (réseau capillaire), respectivement à l'évaporateur et au condenseur (R3, R7).On this path, the limiting thermal resistance is that of the liquid channels (capillary network), respectively at the evaporator and the condenser (R3, R7).

Pour l'évaporateur, l'auteur de la publication [2] a proposé un modèle de résistance thermique avec un chemin à travers le liquide dans la rainure en parallèle d'un chemin conductif dans la dent puis dans le film d'évaporation.For the evaporator, the author of the publication [2] proposed a thermal resistance model with a path through the liquid in the groove parallel to a conductive path in the tooth and then in the evaporation film.

Dans ce modèle très conservatif, la conductivité équivalente du film est donnée par une formule empirique selon l'équation 3 : $λ_{film} = \frac{λ_{I}}{0.185 * c}$

In this very conservative model, the equivalent conductivity of the film is given by an empirical formula according to equation 3:

λ_{movie} = \frac{λ_{I}}{0.185 * vs}

Dans un caloduc à parois en aluminium et rempli d'ammoniac en tant que fluide de travail, étant donné l'écart de conductivité thermique entre l'ammoniac liquide (0,4 W/m/K) et l'aluminium (150 W/m/K), le chemin privilégié du flux thermique entre la source chaude et la vapeur va passer par les parois métalliques entre canaux liquides.In an aluminum-walled heat pipe filled with ammonia as the working fluid, given the difference in thermal conductivity between liquid ammonia (0.4 W/m/K) and aluminum (150 W/ m/K), the preferred path of the heat flow between the hot source and the steam will pass through the metal walls between liquid channels.

Le même schéma se produit au condenseur, où le chemin privilégié du flux thermique entre la vapeur et la source froide va passer par les parois entre canaux.The same pattern occurs at the condenser, where the preferred path of the heat flow between the steam and the cold source will pass through the walls between channels.

Il ressort donc que, pour augmenter la conductance thermique à l'évaporateur et au condenseur, il est avantageux que les parois entre canaux liquides aient une section la plus élevée possible.It therefore appears that, to increase the thermal conductance at the evaporator and the condenser, it is advantageous for the walls between liquid channels to have as high a section as possible.

Enfin, la résistance de film dépend notamment de la longueur des lignes triples de contact entre liquide, vapeur et solide.Finally, the film resistance depends in particular on the length of the triple contact lines between liquid, vapor and solid.

La résistance mécanique d'un caloduc à rainures réentrantes peut également aussi impacter ses performances. En particulier, dans la demande de brevet EP3553445A1 , un canal de liaison entre un canal liquide et un canal vapeur est complètement ouvert sur toute sa longueur selon l'axe longitudinal du caloduc, l'assemblage brasé, collé ou soudé des plaques empilées ne peut donc être réalisé que sur les parois périphériques de celles-ci, ce qui entraîne des épaisseurs de paroi importantes pour résister à la pression interne du caloduc.The mechanical resistance of a heat pipe with reentrant grooves can also impact its performance. In particular, in the patent application EP3553445A1 , a connecting channel between a liquid channel and a vapor channel is completely open over its entire length along the longitudinal axis of the heat pipe, the brazed, glued or welded assembly of the stacked plates can therefore only be carried out on the peripheral walls of these, which results in significant wall thicknesses to resist the internal pressure of the heat pipe.

Par conséquent, dans les caloducs à rainures réentrantes selon l'état de l'art, les canaux de liaison entre les rainures réentrantes (canaux) remplies de liquide et le canal vapeur sont réalisées sur toute la longueur selon l'axe longitudinal du caloduc, ce qui entraine les inconvénients suivants :

limitation de la résistance thermique à l'évaporateur par conduction thermique limitée dans les parois entre canaux ;
limitation de la résistance thermique à l'évaporateur par limitation des longueurs de lignes triples de contact entre liquide, vapeur et solide, lieu privilégié d'évaporation du liquide;
limitation du flux thermique pouvant être transporté par le caloduc, par volume limité des canaux de liaison entrainant un risque de reculée du ménisque dans les canaux réentrants de liquide et par-là un désamorçage du caloduc. Une augmentation de la longueur des canaux de liaison permettrait d'éviter ce risque, mais au détriment du volume et de la masse du caloduc ;
brasage, collage ou soudage des plaques empilées, entre elles uniquement dans les parois longitudinales périphériques du caloduc.

Consequently, in heat pipes with reentrant grooves according to the state of the art, the connecting channels between the reentrant grooves (channels) filled with liquid and the vapor channel are made over the entire length along the longitudinal axis of the heat pipe, which leads to the following disadvantages:

limitation of thermal resistance to the evaporator by limited thermal conduction in the walls between channels;
limitation of thermal resistance to the evaporator by limitation of the lengths of triple contact lines between liquid, vapor and solid, preferred place of evaporation of the liquid;
limitation of the heat flow that can be transported by the heat pipe, by limited volume of the connecting channels leading to a risk of the meniscus retreating into the re-entrant liquid channels and thereby defusing the heat pipe. An increase in the length of the connecting channels would make it possible to avoid this risk, but at the expense of the volume and mass of the heat pipe;
brazing, bonding or welding the stacked plates, between them only in the peripheral longitudinal walls of the heat pipe.

Par conséquent, il existe un besoin pour améliorer encore les caloducs à rainures réentrantes, et ce afin de pallier les inconvénients précités.Consequently, there is a need to further improve heat pipes with reentrant grooves, in order to overcome the aforementioned drawbacks.

Le but général de l'invention est alors de répondre au moins en partie à ce besoin.The general aim of the invention is then to respond at least in part to this need.

Exposé de l'inventionPresentation of the invention

Pour ce faire, l'invention a tout d'abord pour objet un caloduc à pompage capillaire à rainures réentrantes, s'étendant le long d'une première direction longitudinale (X), comprenant une enceinte étanche s'étendant entre une première extrémité longitudinale, destinée à être échauffée par une source chaude SC pour former, au sein de l'enceinte, un évaporateur et une deuxième extrémité longitudinale destinée à être refroidie par une source froide SF pour former, au sein de l'enceinte, un condenseur, l'enceinte étanche délimitant une zone adiabatique entre l'évaporateur et le condenseur, l'enceinte étanche comprenant un empilement de plaques selon une deuxième direction, orthogonale à la première direction, dont deux plaques de fermeture et au moins un nombre de n modules les uns sur les autres avec n étant un entier supérieur ou égal à 1, chaque module comprenant au moins une plaque intercalaire entre les plaques de fermeture, la ou les plaques intercalaires comprenant au moins une première plaque intercalaire comportant au moins une fenêtre dont les bords délimitent en partie un canal vapeur s'étendant le long de la première direction (X) entre l'évaporateur et le condenseur, dans lequel la vapeur est destinée à circuler, et sur au moins un côté latéral de la fenêtre selon une troisième direction (Y) orthogonale aux première (X) et deuxième direction (Z), au moins une structuration dont les bords délimitent en partie au moins un canal liquide dans l'évaporateur et le condenseur, le caloduc comprenant, au moins dans l'évaporateur, au moins une zone d'échange définissant une interface liquide-vapeur et délimitée entre la au moins une plaque intercalaire et au moins une autre plaque intercalaire ou une plaque de fermeture, reliant le canal vapeur et le(s) canal(ux) liquide(s).To do this, the invention firstly relates to a capillary pumped heat pipe with reentrant grooves, extending along a first longitudinal direction (X), comprising a sealed enclosure extending between a first longitudinal end , intended to be heated by a hot source SC to form, within the enclosure, an evaporator and a second longitudinal end intended to be cooled by a cold source SF to form, within the enclosure, a condenser, sealed enclosure delimiting an adiabatic zone between the evaporator and the condenser, the sealed enclosure comprising a stack of plates in a second direction, orthogonal to the first direction, including two closing plates and at least a number of n modules each on the others with n being an integer greater than or equal to 1, each module comprising at least one intermediate plate between the closing plates, the intermediate plate(s) comprising at least one first intermediate plate comprising at least one window whose edges delimit in part a steam channel extending along the first direction (X) between the evaporator and the condenser, in which the steam is intended to circulate, and on at least one lateral side of the window in a third direction (Y) orthogonal to the first (X) and second direction (Z), at least one structure whose edges partially delimit at least one liquid channel in the evaporator and the condenser, the heat pipe comprising, at least in the evaporator, at least one exchange zone defining a liquid-vapor interface and delimited between the at least one intermediate plate and at least one other intermediate plate or a closing plate, connecting the vapor channel and the liquid channel(s).

Selon l'invention, chaque zone d'échange comprenant une pluralité de canaux de liaison, débouchants qui s'étendent transversalement à la première direction (X), de préférence selon la troisième direction (Y), deux canaux de liaison adjacents étant séparés par une épaisseur de structuration.According to the invention, each exchange zone comprising a plurality of connecting channels, opening out which extend transversely to the first direction (X), preferably in the third direction (Y), two adjacent connecting channels being separated by a thickness of structuring.

La largeur des canaux de liaison est de préférence comprise entre 0,1 mm et 0,5mm, et de manière optimale égale à 0,2mm.The width of the connecting channels is preferably between 0.1 mm and 0.5 mm, and optimally equal to 0.2 mm.

Une épaisseur de structuration est de préférence comprise entre 0,3 mm et 3mm et et de manière optimale égale à 1mm.A structuring thickness is preferably between 0.3 mm and 3 mm and optimally equal to 1 mm.

Plus le nombre de canaux de liaison est important, plus le nombre de lignes triples d'interface liquide vapeur est également élevé, ce qui permet d'obtenir une meilleure conductance locale à l'évaporateur, croisé avec des limites estimées de fabricabilité (par usinage ou fabrication additive).The greater the number of bonding channels, the greater the number of triple liquid vapor interface lines, resulting in better local conductance at the evaporator, crossed with estimated manufacturability limits (by machining or additive manufacturing).

Selon une configuration avantageuse, le condenseur du caloduc comprend également au moins une zone d'échange définissant une interface liquide-vapeur et délimitée entre la au moins une plaque intercalaire et au moins une autre plaque intercalaire ou une plaque de fermeture, reliant le canal vapeur et le(s) canal(ux) liquide(s), chaque zone d'échange comprenant au moins un canal de liaison, débouchant qui s'étend transversalement à la première direction (X), de préférence selon la troisième direction (Y).According to an advantageous configuration, the condenser of the heat pipe also comprises at least one exchange zone defining a liquid-vapor interface and delimited between the at least one intermediate plate and at least one other intermediate plate or a closing plate, connecting the vapor channel and the liquid channel(s), each exchange zone comprising at least one connecting channel, opening out which extends transversely to the first direction (X), preferably in the third direction (Y) .

Avantageusement, la section transversale dans le plan XZ de chaque canal de liaison débouchant dans le condenseur est supérieure à celle dans l'évaporateur. En effet, les canaux de liaison peuvent être plus larges dans le condenseur car il n'y a pas besoin de pression capillaire contrairement à l'évaporateur.Advantageously, the cross section in the XZ plane of each connection channel opening into the condenser is greater than that in the evaporator. Indeed, the connecting channels can be wider in the condenser because there is no need for capillary pressure unlike the evaporator.

Avantageusement encore, la zone adiabatique du caloduc est exempte de zone d'échange entre le canal vapeur et le(s) canal(ux) liquide(s).Advantageously, the adiabatic zone of the heat pipe is free of exchange zone between the vapor channel and the liquid channel(s).

Le matériau constitutif des plaques formant l'enceinte étanche est de préférence choisi parmi l'aluminium, le cuivre, le nickel, ou un alliage à base d'au moins deux de ceux-ci.The material constituting the plates forming the sealed enclosure is preferably chosen from aluminum, copper, nickel, or an alloy based on at least two of these.

Selon une ou plusieurs caractéristiques avantageuses qui peuvent être combinées entre elles :

les plaques intercalaires présentent une épaisseur comprise entre 0,5 à 6mm, de préférence de l'ordre de 2mm,
les plaques de fermeture présentent une épaisseur comprise entre 1 et 3mm, de préférence de l'ordre de 2mm,
la largeur dans le plan XZ d'un canal de liaison est comprise entre 0,1 et 1mm, de préférence de l'ordre de 0,2mm,
l'épaisseur de structuration dans le plan XZ délimitant l'espace entre deux canaux de liaison adjacents est comprise entre 0,2 et 2mm, de préférence de l'ordre de 0,4mm,
la largeur dans le plan YZ d'un canal liquide est comprise entre 0,5 et 4mm, de préférence de l'ordre de 3mm.

According to one or more advantageous characteristics which can be combined with each other:

the intermediate plates have a thickness of between 0.5 to 6mm, preferably of the order of 2mm,
the closing plates have a thickness of between 1 and 3mm, preferably of the order of 2mm,
the width in the XZ plane of a connecting channel is between 0.1 and 1mm, preferably of the order of 0.2mm,
the structuring thickness in the XZ plane delimiting the space between two adjacent connecting channels is between 0.2 and 2mm, preferably of the order of 0.4mm,
the width in the YZ plane of a liquid channel is between 0.5 and 4mm, preferably of the order of 3mm.

Selon une variante de réalisation avantageuse, chaque canal de liaison est réalisé débouchant sur toute l'épaisseur dans le plan YZ d'une structuration d'une plaque intercalaire.According to an advantageous alternative embodiment, each connecting channel is made opening out over the entire thickness in the YZ plane of a structure of an intermediate plate.

Cette variante amène plusieurs avantages :

elle facilite l'usinage des canaux de liaison car ils sont réalisés en une seule opération sur chaque plaque,
elle permet de faire communiquer partiellement les canaux ré entrants entre eux (d'un canal liquide à un autre), ce qui peut permettre d'équilibrer les écoulements dans ceux-ci, notamment s'il y a un écoulement diphasique,
elle permet d'augmenter la part liquide dans un canal de liaison, ainsi que la longueur des lignes triples, ce qui améliore davantage la résistance thermique à l'évaporateur.

This variant brings several advantages:

it facilitates the machining of the connecting channels because they are produced in a single operation on each plate,
it allows the re-entrant channels to partially communicate with each other (from one liquid channel to another), which can make it possible to balance the flows in them, particularly if there is a two-phase flow,
it makes it possible to increase the liquid portion in a connecting channel, as well as the length of the triple lines, which further improves the thermal resistance to the evaporator.

Selon une autre variante de réalisation avantageuse, les canaux de liaison sont réalisés de telle sorte à être agencés en quinconce dans un plan XZ.According to another advantageous embodiment, the connecting channels are made such that they are arranged staggered in a plane XZ.

Selon un mode de réalisation avantageux, les structurations comprennent des rainures longitudinales, non débouchantes, qui s'étendent selon la première direction (X), du côté du canal vapeur, en croisant les canaux de liaison. Ces rainures longitudinales non débouchantes permettent d' augmenter la surface de contact entre liquide et vapeur, et la longueur des lignes triples, permettant ainsi de diminuer la résistance thermique dans la zone d'évaporation.According to an advantageous embodiment, the structures comprise longitudinal, non-opening grooves, which extend in the first direction (X), on the steam channel side, crossing the connecting channels. These non-opening longitudinal grooves make it possible to increase the contact surface between liquid and vapor, and the length of the triple lines, thus making it possible to reduce the thermal resistance in the evaporation zone.

Selon ce mode, la largeur dans le plan YZ des rainures longitudinales est de préférence sensiblement égale à la largeur dans le plan XZ des canaux de liaison.According to this mode, the width in the YZ plane of the longitudinal grooves is preferably substantially equal to the width in the XZ plane of the connecting channels.

La largeur dans le plan YZ des rainures longitudinales est de préférence sensiblement égale à leur profondeur selon la troisième direction (Y).The width in the YZ plane of the longitudinal grooves is preferably substantially equal to their depth in the third direction (Y).

Selon un mode de réalisation avantageux, au moins une plaque intercalaire comprend des rainures longitudinales qui s'étendent selon la première direction, à l'interface avec une plaque intercalaire adjacente ou une plaque de fermeture, en croisant les canaux de liaison. Afin d'éviter de boucher les canaux de liaison avec de la brasure lors d'une opération de brasage pour l'assemblage entre les différentes plaques de l'empilement, ces rainures longitudinales sur les surfaces de brasage dans cette zone permettent de piéger la brasure en excès.According to an advantageous embodiment, at least one intermediate plate comprises longitudinal grooves which extend in the first direction, at the interface with an adjacent intermediate plate or a closing plate, crossing the connecting channels. In order to avoid blocking the connection channels with solder during a brazing operation for the assembly between the different plates of the stack, these longitudinal grooves on the brazing surfaces in this area make it possible to trap the solder in excess.

On peut disposer ces rainures sur un seul des côtés longitudinaux, ou sur les deux côtés d'une plaque intercalaire.These grooves can be placed on only one of the longitudinal sides, or on both sides of an intermediate plate.

La largeur de ces rainures est avantageusement sensiblement égale ou légèrement plus faible à celle des canaux de liaison afin de favoriser par pompage capillaire le piégeage préférentiel de la brasure en excès dans ces zones.The width of these grooves is advantageously substantially equal to or slightly smaller than that of the connecting channels in order to promote, by capillary pumping, the preferential trapping of the excess solder in these zones.

Selon une configuration avantageuse, le caloduc comporte n modules les uns sur les autres, n étant un entier supérieur ou égal à 1, définissant un canal vapeur unique et n canaux liquides sur au moins un côté latéral, notamment sur chaque côté latéral du canal vapeur.According to an advantageous configuration, the heat pipe comprises n modules one on top of the other, n being an integer greater than or equal to 1, defining a single vapor channel and n liquid channels on at least one lateral side, in particular on each lateral side of the vapor channel .

Avantageusement, la section transversale dans le plan YZ du canal vapeur et du(des) canal(ux) liquide(s), de préférence rectangulaire, est constante sur toute la longueur du caloduc.Advantageously, the cross section in the YZ plane of the vapor channel and the liquid channel(s), preferably rectangular, is constant over the entire length of the heat pipe.

L'invention a également pour objet un système comprenant :

une source froide (SF) ;
une source chaude (SC) et
au moins un caloduc à rainures réentrantes tel que décrit précédemment, le caloduc étant agencé de sorte que le flux de chaleur (Φ_E) de la source chaude (SC) sur l'évaporateur étant sur au moins une face latérale de l'enceinte en regard du canal vapeur ou sur au moins une face latérale en regard du(des) canal(ux) liquide(s), tandis que l'extraction de chaleur au condenseur vers la source froide (SF) étant sur au moins une face latérale de l'enceinte en regard du(des) canal(ux) liquide(s), ou sur une face latérale perpendiculaire à celui-ci (ceux-ci).

The invention also relates to a system comprising:

a cold source (SF);
a hot spring (SC) and
at least one heat pipe with reentrant grooves as described above, the heat pipe being arranged so that the heat flow (Φ _E ) from the hot source (SC) on the evaporator being on at least one side face of the enclosure in facing the vapor channel or on at least one side face facing the liquid channel(s), while the heat extraction from the condenser towards the cold source (SF) being on at least one side face of the enclosure facing the liquid channel(s), or on a side face perpendicular to it (these).

Ainsi, l'invention consiste essentiellement à proposer un caloduc dont au moins l'évaporateur comprend des canaux de liaison entre canal vapeur et canal(ux) liquide(s) qui sont non pas réalisés selon la longueur du caloduc comme selon l'état de l'art, mais transversalement à cette longueur.Thus, the invention essentially consists of proposing a heat pipe of which at least the evaporator comprises connecting channels between the vapor channel and the liquid channel(s) which are not made according to the length of the heat pipe as according to the state of art, but transversely to this length.

La réalisation d'un tel caloduc est mise en oeuvre avec un procédé comme selon la demande de brevet EP3553445 , qui consiste à empiler puis assembler entre elles par collage, soudage, de préférence par brasage sous vide, des plaques métalliques poinçonnées ou usinées pour définir les différents canaux de caloduc.The production of such a heat pipe is implemented with a process as according to the patent application EP3553445 , which consists of stacking and then assembling together by gluing, welding, preferably by vacuum brazing, punched or machined metal plates to define the different heat pipe channels.

L'invention apporte de nombreux avantages parmi lesquels on peut citer ceux par rapport aux solutions selon l'état de l'art, notamment un caloduc selon EP3553445 :

une augmentation de la résistance à la pression du caloduc du fait d'une zone d'assemblage supplémentaire par les structurations entre les canaux des liaisons. Ceci permet de diminuer les épaisseurs périphériques dans la section du caloduc, et donc de diminuer la masse et le volume du caloduc,
une amélioration de la résistance thermique du caloduc au niveau de l'évaporateur grâce à une plus grande longueur des lignes triples , sans perturber les lignes de flux thermique qui relient la zone où le flux à thermaliser est appliqué vers ces lignes triples. De plus, la résistance thermique de conduction au niveau d'un canal de liaison est améliorée,
une augmentation de la surface de ménisque d'interface liquide/vapeur, tout en conservant une ouverture de canal de liaison la plus faible possible, qui assure la pression motrice assurant le pompage capillaire dans le caloduc,
une augmentation du volume de liquide dans un canal de liaison entre canal liquide et canal vapeur, ce qui permet une reculée du ménisque qui est moindre, à flux thermique équivalent. Ceci implique une longueur de zone de liaison (canaux de liaison) nécessaire qui est moindre et donc un gain en volume et en masse supplémentaire. Ce gain peut aussi être utilisé, en gardant la même longueur de canal de liaison, pour obtenir une plage de température d'opérations plus large à taux de remplissage donné. Alternativement, en gardant la même longueur de canal de liaison, on peut obtenir une plage de température d'opérations plus large à taux de remplissage donné du caloduc.

The invention provides numerous advantages among which we can cite those compared to solutions according to the state of the art, in particular a heat pipe according to EP3553445 :

an increase in the pressure resistance of the heat pipe due to an additional assembly zone by the structures between the connection channels. This makes it possible to reduce the peripheral thicknesses in the heat pipe section, and therefore reduce the mass and volume of the heat pipe,
an improvement in the thermal resistance of the heat pipe at the evaporator thanks to a greater length of the triple lines, without disturbing the thermal flow lines which connect the zone where the flow to be thermalized is applied to these triple lines. In addition, the thermal conduction resistance at the level of a connection channel is improved,
an increase in the liquid/vapor interface meniscus surface, while maintaining the lowest possible connection channel opening, which provides the driving pressure ensuring capillary pumping in the heat pipe,
an increase in the volume of liquid in a connecting channel between the liquid channel and the vapor channel, which allows the meniscus to move back less, at equivalent heat flow. This implies a shorter length of connection zone (connection channels) required and therefore an additional gain in volume and mass. This gain can also be used, while keeping the same link channel length, to obtain a wider operating temperature range at a given filling rate. Alternatively, by keeping the same length of connecting channel, a wider operating temperature range can be obtained at a given filling rate of the heat pipe.

D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes.Other advantages and characteristics will become clearer on reading the detailed description, given for illustrative and non-limiting purposes, with reference to the following figures.

Brève description des dessinsBrief description of the drawings

[Fig 1] la figure 1 illustre la courbe délimitant le domaine de fonctionnement pour un exemple de caloduc à pompage capillaire.[ Figure 1 ] there figure 1 illustrates the curve delimiting the operating range for an example of a capillary pumped heat pipe.
[Fig 2] la figure 2 est une représentation symbolique d'un réseau de résistances thermiques qui s'établissent pour un caloduc.[ Figure 2 ] there figure 2 is a symbolic representation of a network of thermal resistors that are established for a heat pipe.
[Fig 3] la figure 3 est une vue schématique de côté d'un caloduc à rainures réentrantes, selon l'état de l'art.[ Figure 3 ] there Figure 3 is a schematic side view of a heat pipe with reentrant grooves, according to the state of the art.
[Fig 4] la figure 4 est une vue en perspective et coupe transversale de la figure 3, au niveau de l'évaporateur du caloduc à rainures réentrantes selon la demande de brevet EP3553445 .[ Figure 4 ] there Figure 4 is a perspective and cross-sectional view of the Figure 3 , at the level of the evaporator of the heat pipe with reentrant grooves according to the patent application EP3553445 .
[Fig 5] la figure 5 est une vue de détail et en coupe transversale de la figure 4.[ Figure 5 ] there figure 5 is a detailed and cross-sectional view of the Figure 4 .
[Fig 6] la figure 6 est une vue partielle en perspective et coupe transversale, au niveau de l'évaporateur d'un caloduc à rainures réentrantes à canaux de liaison transversaux réalisé par empilement de plaques métalliques assemblées selon l'invention.[ Figure 6 ] there Figure 6 is a partial perspective and cross-section view, at the level of the evaporator of a heat pipe with reentrant grooves with transverse connecting channels produced by stacking metal plates assembled according to the invention.
[Fig 7] la figure 7 est une est une vue de détail et en coupe transversale de la figure 6.[ Figure 7 ] there Figure 7 is a is a detailed and cross-sectional view of the Figure 6 .
[Fig 7A] la figure 7A est une vue de détail et en coupe longitudinale de la figure 7.[ Fig 7A ] there Figure 7A is a detailed view in longitudinal section of the Figure 7 .
[Fig 8] la figure 8 est une vue en perspective d'une partie d'un évaporateur selon l'état de l'art, comme illustré à la figure 4.[ Figure 8 ] there figure 8 is a perspective view of part of an evaporator according to the state of the art, as illustrated in figure 4 .
[Fig 9] la figure 9 est une vue en perspective d'une partie d'un évaporateur selon l'invention, comme illustré à la figure 6.[ Figure 9 ] there Figure 9 is a perspective view of a part of an evaporator according to the invention, as illustrated in Figure 6 .
[Fig 10] la figure 10 est une représentation graphique de calculs mécaniques réalisés au moyen d'un logiciel de simulation par éléments finis de la partie selon l'état de l'art illustrée à la figure 8.[ Figure 10 ] there Figure 10 is a graphical representation of mechanical calculations carried out using finite element simulation software of the part according to the state of the art illustrated in figure 8 .
[Fig 11] la figure 11 est une représentation graphique de calculs mécaniques réalisés au moyen d'un logiciel de simulation par éléments finis de la partie selon l'invention illustrée à la figure 9.[ Figure 11 ] there Figure 11 is a graphical representation of mechanical calculations carried out using finite element simulation software of the part according to the invention illustrated in Figure 9 .
[Fig 12] la figure 12 illustre sous forme de courbes les gains respectivement sur le volume d'interface liquide-vapeur et de longueur de lignes triples, obtenus au niveau de l'évaporateur d'un caloduc grâce aux canaux de liaison transversaux conformes à l'invention.[ Figure 12 ] there Figure 12 illustrates in the form of curves the gains respectively on the volume of liquid-vapor interface and length of triple lines, obtained at the evaporator of a heat pipe thanks to the transverse connection channels according to the invention.
[Fig 13] la figure 13 est une vue partielle en perspective et en coupe transversale d'un caloduc à rainures réentrantes selon l'invention selon une variante d'amenée du flux de chaleur provenant d'une source chaude.[ Figure 13 ] there figure 13 is a partial perspective and cross-sectional view of a heat pipe with reentrant grooves according to the invention according to a variant of supplying the heat flow coming from a hot source.
[Fig 14] la figure 14 est une vue partielle en perspective et en coupe transversale d'un caloduc à rainures réentrantes selon l'invention selon une autre variante d'amenée du flux de chaleur provenant d'une source chaude.[ Figure 14 ] there Figure 14 is a partial perspective and cross-sectional view of a heat pipe with reentrant grooves according to the invention according to another variant of supplying the heat flow coming from a hot source.
[Fig 15] la figure 15 est une vue partielle en perspective et en coupe transversale d'un caloduc à rainures réentrantes selon l'invention selon une variante de réalisation où une seule face longitudinale des plaques intercalaires de l'empilement est usinée.[ Figure 15 ] there Figure 15 is a partial perspective and cross-sectional view of a heat pipe with reentrant grooves according to the invention according to an alternative embodiment where only one longitudinal face of the intermediate plates of the stack is machined.
[Fig 16] la figure 16 est une vue partielle en perspective et en coupe transversale d'un caloduc à rainures réentrantes selon une variante de réalisation où les canaux de liaison transversaux selon l'invention sont réalisés sur toute l'épaisseur des plaques intercalaires de l'empilement.[ Figure 16 ] there Figure 16 is a partial perspective and cross-sectional view of a heat pipe with reentrant grooves according to an alternative embodiment where the transverse connection channels according to the invention are made over the entire thickness of the intermediate plates of the stack.
[Fig 17] la figure 17 illustre sous forme de courbes les gains respectivement sur le volume d'interface liquide-vapeur et de longueur de lignes triples, obtenus au niveau de l'évaporateur d'un caloduc grâce aux canaux de liaison transversaux conformes à la variante de la figure 16.[ Figure 17 ] there Figure 17 illustrates in the form of curves the gains respectively on the volume of liquid-vapor interface and length of triple lines, obtained at the level of the evaporator of a heat pipe thanks to the transverse connection channels conforming to the variant of the Figure 16 .
[Fig 18] la figure 18 est une vue partielle en perspective et en coupe transversale d'un caloduc à rainures réentrantes selon une variante de réalisation où les canaux de liaison transversaux selon l'invention sont agencés en quinconce dans un plan longitudinal XZ du caloduc.[ Figure 18 ] there Figure 18 is a partial perspective and cross-sectional view of a heat pipe with reentrant grooves according to an alternative embodiment where the transverse connecting channels according to the invention are arranged staggered in a longitudinal plane XZ of the heat pipe.
[Fig 19] la figure 19 est une vue partielle en perspective et en coupe transversale d'un caloduc à rainures réentrantes selon une variante de réalisation où des rainures longitudinales non débouchantes sont réalisées côté du canal vapeur en croisant les canaux de liaison transversaux selon l'invention.[ Figure 19 ] there Figure 19 is a partial perspective and cross-sectional view of a heat pipe with reentrant grooves according to an alternative embodiment where non-opening longitudinal grooves are made on the side of the steam channel by crossing the transverse connection channels according to the invention.
[Fig 20] la figure 20 est une vue partielle en perspective et en coupe transversale d'un caloduc à rainures réentrantes selon une variante de réalisation où des rainures longitudinales non débouchantes sont réalisées à l'interface entre plaques de l'empilement en croisant les canaux de liaison transversaux selon l'invention.[ Figure 20 ] there Figure 20 is a partial perspective and cross-sectional view of a heat pipe with reentrant grooves according to a variant embodiment where non-opening longitudinal grooves are made at the interface between plates of the stack by crossing the transverse connection channels according to invention.

Description détailléedetailed description

Les figures 1 et 2 ont déjà été commentées en préambule. Elles ne sont pas détaillées ci-après.THE figures 1 and 2 have already been commented on in the preamble. They are not detailed below.

Par souci de clarté, un même élément selon l'art antérieur et l'invention est désigné par la même référence numérique.For the sake of clarity, the same element according to the prior art and the invention is designated by the same numerical reference.

On précise ici que la référence SC utilisée dans les figures désigne la source chaude ou, par extension, la zone d'application du flux thermique émis par la source chaude directement sur la face latérale d'une enceinte de caloduc.It is specified here that the reference SC used in the figures designates the hot source or, by extension, the zone of application of the heat flux emitted by the hot source directly on the side face of a heat pipe enclosure.

Sur les figures 3 à 5, on peut voir un exemple de caloduc 1 à pompage capillaire à rainures réentrantes réalisé selon la demande de brevet EP3553445 .On the figures 3 to 5 , we can see an example of a heat pipe 1 with capillary pumping with reentrant grooves produced according to the patent application EP3553445 .

Cet exemple de caloduc 1 à pompage capillaire s'étendant selon un axe longitudinal X est vu de l'extérieur sur la figure 3.This example of heat pipe 1 with capillary pumping extending along a longitudinal axis Figure 3 .

Le caloduc 1 comporte une enceinte étanche 2 s'étendant selon l'axe longitudinal X entre une première extrémité longitudinale 3 et une deuxième extrémité longitudinale 4. La première extrémité 3 est par exemple destinée à être à être échauffée par une source chaude SC pour former au sein de l'enceinte un évaporateur Z_E. La deuxième extrémité longitudinale 4 est destinée à être refroidie par une source froide SF pour former au sein de l'enceinte un condenseur Zc.The heat pipe 1 comprises a sealed enclosure 2 extending along the longitudinal axis within the enclosure an evaporator Z _E. The second longitudinal end 4 is intended to be cooled by a cold source SF to form a condenser Zc within the enclosure.

L'enceinte étanche 2 délimite intérieurement une zone adiabatique Z_A entre l'évaporateur et le condenseur.The sealed enclosure 2 internally delimits an adiabatic zone Z _A between the evaporator and the condenser.

La source chaude est par exemple un composant électrique ou électronique, un stockage de chaleur, un réacteur chimique exothermique. La source froide est par exemple une surface radiative, des ailettes en convection forcée, des plaques froides en écoulement mono ou diphasique, un stockage de froid, une réaction chimique endothermique...The hot source is for example an electrical or electronic component, a heat storage unit, an exothermic chemical reactor. The cold source is for example a radiative surface, fins in forced convection, cold plates in single or two-phase flow, cold storage, an endothermic chemical reaction, etc.

L'enceinte étanche 2 est réalisée par empilement et assemblage de plaques d'extrémité 22 aussi appelés plaques de fermeture et de modules de plaques intercalaires 20 agencés entre les plaques d'extrémité 22, selon un procédé décrit dans la demande de brevet EP3553445 .The sealed enclosure 2 is produced by stacking and assembling end plates 22 also called closing plates and intermediate plate modules 20 arranged between the end plates 22, according to a process described in the patent application EP3553445 .

Un module comprend au moins deux plaques intercalaires, les plaques des différents modules de plaques intermédiaires 20 comprenant des fenêtres ou d'autres structurations, étant empilées de sorte à délimiter des canaux 11, 12, 13 comme détaillé par la suite. Un module peut aussi comprendre une unique plaque usinée sur ses deux faces principales.A module comprises at least two intermediate plates, the plates of the different intermediate plate modules 20 comprising windows or other structures, being stacked so as to delimit channels 11, 12, 13 as detailed below. A module can also include a single plate machined on its two main faces.

La réalisation, l'empilement et l'assemblage des plaques n'est pas détaillé ici, on pourra se reporter à la demande précitée EP3553445 . Néanmoins, les plaques 20, 22 sont préférentiellement en alliage d'aluminium et assemblées par brasure sous vide. Les plaques en alliage d'aluminium peuvent être préférentiellement revêtues d'un cladding eutectique.The production, stacking and assembly of the plates is not detailed here, we can refer to the aforementioned request EP3553445 . However, the plates 20, 22 are preferably made of aluminum alloy and assembled by vacuum brazing. Aluminum alloy plates can preferably be coated with a eutectic cladding.

Un mode de réalisation préférentiel consiste à usiner des plaques 20 claddées sur leurs deux faces principales, puis réaliser l'assemblage de ces tôles par brasure eutectique sous vide. A titre de variante, on peut réaliser un usinage sur une seule face principale des plaques claddées.A preferred embodiment consists of machining clad plates 20 on their two main faces, then assembling these sheets by vacuum eutectic brazing. As a variant, machining can be carried out on a single main face of the clad plates.

Pour l'assemblage, différents procédés sont envisageables : brasure au bain de sel, brasure sous gaz inerte, soudage par ultrasons, soudure par friction-malaxage (« Friction Stir Welding » en anglais), collage...For assembly, different processes are possible: salt bath brazing, inert gas brazing, ultrasonic welding, friction stir welding, bonding, etc.

Les dimensions extérieures des caloducs sont comprises entre quelques centimètres et quelques mètres. La taille maximale des caloducs est en général limitée par l'outillage disponible. En effet, l'assemblage des tôles par brasure sous vide requiert des fours sous vide de grande taille, de quelques mètres de longueur.The external dimensions of heat pipes range from a few centimeters to a few meters. The maximum size of heat pipes is generally limited by the tooling available. Indeed, the assembly of sheets by vacuum brazing requires large vacuum furnaces, several meters long.

Pour la découpe et l'usinage des tôles, des machines de grande taille sont également requises. En outre, la tenue mécanique de tôles avec des découpes de faible largeur et de grande longueur est à prendre en compte.For sheet metal cutting and machining, large machines are also required. In addition, the mechanical strength of sheets with small width and long length cuts must be taken into account.

Par exemple, des fenêtres sont réalisées par poinçonnage, découpage, par exemple au laser ou au jet d'eau.For example, windows are made by punching, cutting, for example by laser or water jet.

Dans l'exemple illustré, toutes les plaques 20 présentent les mêmes dimensions extérieures, l'empilement définissant l'enceinte étanche 2 est alors de forme parallélépipédique rectangle avec quatre faces longitudinales parallèles au plan XY ou au plan XZ, ayant chacune une grande surface favorisant les échanges de chaleur avec la source chaude SC et la source froide SF. Dans l'exemple illustré, la face longitudinale 21 parallèle au plan XY, est celle qui reçoit le flux de chaleur (Φ_E) de la source chaude (SC).In the example illustrated, all the plates 20 have the same external dimensions, the stack defining the sealed enclosure 2 is then of rectangular parallelepiped shape with four longitudinal faces parallel to the XY plane or the XZ plane, each having a large surface area favoring heat exchanges with the hot source SC and the cold source SF. In the example illustrated, the longitudinal face 21 parallel to the plane XY is that which receives the heat flow (Φ _E ) from the hot source (SC).

L'empilement de plaques 20 avec leurs fenêtres ou leurs structurations 14, délimite intérieurement, dans l'évaporateur Z_E, des canaux liquides 11, un canal vapeur 13 relié aux canaux liquide 11 par des canaux de liaison 12.The stack of plates 20 with their windows or structures 14, internally delimits, in the evaporator Z _E , liquid channels 11, a vapor channel 13 connected to the liquid channels 11 by connecting channels 12.

Plus précisément, le canal vapeur 13 de section transversale rectangulaire constante s'étend le long de l'axe longitudinal X. Le canal vapeur 13 sert à la circulation de la phase vapeur de l'évaporateur Z_E au condenseur Zc en passant par la zone adiabatique Z_A.More _precisely , the vapor channel 13 of constant rectangular cross section extends along the longitudinal axis adiabatic Z _A .

Un canal liquide 11 peut être relié ou non au canal vapeur 13 en fonction de la zone du caloduc. Lorsqu'il est relié au canal vapeur 13, comme dans l'évaporateur Z_E. un canal liquide 11 l'est par un canal de liaison 12 de section dans le plan XZ plus faible que celle du canal liquide. Chaque canal liquide 11 est destiné à la circulation du liquide du condenseur Zc à l'évaporateur Z_E.A liquid channel 11 may or may not be connected to the vapor channel 13 depending on the area of the heat pipe. When connected to the vapor channel 13, as in the evaporator Z _E. a liquid channel 11 is connected by a connecting channel 12 with a section in the XZ plane smaller than that of the liquid channel. Each liquid channel 11 is intended for the circulation of liquid from the condenser Zc to the evaporator Z _E.

Un canal de liaison 12 forme une rainure réentrante en définissant une zone d'échange entre la vapeur et le liquide. Autrement dit, un canal de liaison 12 en définissant au moins une interface liquide-vapeur.A connecting channel 12 forms a reentrant groove by defining an exchange zone between the vapor and the liquid. In other words, a connection channel 12 defining at least one liquid-vapor interface.

Ainsi, dans l'état de l'art, comme illustré en figures 4 et 5, les canaux de liaison 12 s'étendent selon la direction longitudinale X du caloduc. Comme symbolisé sur la figure 5, cette réalisation des canaux 12 a notamment pour inconvénient que les zones de brasage B entre plaques intermédiaires 20 au sein de l'empilement et avec les plaques d'extrémité 22 ne peuvent présentes physiquement que sur un côté longitudinal des canaux liquides 11.Thus, in the state of the art, as illustrated in figures 4 And 5 , the connecting channels 12 extend in the longitudinal direction X of the heat pipe. As symbolized on the Figure 5 , this production of the channels 12 has the particular disadvantage that the brazing zones B between intermediate plates 20 within the stack and with the end plates 22 can only be physically present on one longitudinal side of the liquid channels 11.

Selon l'invention, comme illustré aux figures 6 à 7A, chaque canal de liaison 12 est réalisé par usinage débouchant transversalement à la direction X. Ainsi, chaque canal de liaison 12 s'étend selon la direction Y. Comme symbolisé sur les figures 7 et 7A, avec de tels canaux de liaison transversaux 12, les zones de brasage B enter plaques intermédiaires 20 et avec les plaques d'extrémité 22 sont présentes physiquement des deux côtés longitudinaux des canaux liquides 11.According to the invention, as illustrated in figures 6 to 7A , each connecting channel 12 is produced by machining opening transversely to the direction X. Thus, each connecting channel 12 extends in the direction Y. As symbolized on the Figures 7 and 7A , with such transverse connection channels 12, the brazing zones B between intermediate plates 20 and with the end plates 22 are physically present on both longitudinal sides of the liquid channels 11.

A titre d'exemple, notamment pour un caloduc en alliage d'aluminium utilisant l'ammoniac comme fluide de travail, les plaques intercalaires 20 ont une épaisseur comprise entre 0,5 mm et 6 mm, de préférence égale à 2 mm.By way of example, in particular for an aluminum alloy heat pipe using ammonia as working fluid, the intermediate plates 20 have a thickness of between 0.5 mm and 6 mm, preferably equal to 2 mm.

Les plaques d'extrémité 22 ont une épaisseur comprise entre 1 mm et 3 mm, de préférence égale à 2 mm.The end plates 22 have a thickness of between 1 mm and 3 mm, preferably equal to 2 mm.

La largeur dans le plan XZ d'un canal de liaison 12 est comprise entre 0,1 et 1mm, de préférence de l'ordre de 0,2mm.The width in the XZ plane of a connecting channel 12 is between 0.1 and 1mm, preferably of the order of 0.2mm.

L'épaisseur de structuration 14 dans le plan XZ délimitant l'espace entre deux canaux de liaison adjacents est comprise entre 0,2 et 2mm, de préférence de l'ordre de 0,4mm.The thickness of structuring 14 in the plane XZ delimiting the space between two adjacent connecting channels is between 0.2 and 2mm, preferably of the order of 0.4mm.

La largeur dans le plan YZ d'un canal liquide 11 est comprise entre 0,5 et 4mm, de préférence de l'ordre de 3mm.The width in the YZ plane of a liquid channel 11 is between 0.5 and 4mm, preferably of the order of 3mm.

Les dimensions extérieures des caloducs selon l'invention sont comprises entre quelques centimètres et quelques mètres. La taille maximale des caloducs est en général limitée par l'outillage disponible. En effet, l'assemblage des tôles par brasure sous vide requiert des fours sous vide de grande taille, de quelques mètres de longueur. Pour la découpe et l'usinage des tôles, des machines de grande taille sont également requises. En outre, la tenue mécanique de tôles avec des découpes de faible largeur et de grande longueur est à prendre en compte. Par exemple, les fenêtres sont réalisées par poinçonnage, découpage, par exemple au laser ou au jet d'eau.The external dimensions of the heat pipes according to the invention are between a few centimeters and a few meters. The maximum size of heat pipes is generally limited by the tooling available. Indeed, the assembly of sheets by vacuum brazing requires large vacuum furnaces, several meters long. For sheet metal cutting and machining, large machines are also required. In addition, the mechanical strength of sheets with small width and long length cutouts must be taken into account. For example, windows are made by punching, cutting, for example by laser or water jet.

Le fait de réaliser des canaux de liaison 12 transversalement à l'axe longitudinal du caloduc permet d'augmenter les zones de brasage B entre plaques 20, 22, puisque présentes désormais de part et d'autre de chaque canal liquide 11. On augmente ainsi la résistance à la pression du caloduc et par-là on peut diminuer les épaisseurs périphériques dans la section du caloduc, et donc on réalise un gain de masse et de volume pour un caloduc 1 selon l'invention.The fact of producing connecting channels 12 transversely to the longitudinal axis of the heat pipe makes it possible to increase the brazing zones B between plates 20, 22, since they are now present on either side of each liquid channel 11. This thus increases the resistance to pressure of the heat pipe and thereby we can reduce the peripheral thicknesses in the section of the heat pipe, and therefore we achieve a gain in mass and volume for a heat pipe 1 according to the invention.

Pour mettre en exergue ces gains en volume et masse d'un caloduc 1 réalisé avec des canaux de liaison transversaux 12, i.e. selon la direction Y comparativement à un caloduc selon l'état de l'art avec des canaux de liaison longitudinaux, i.e. selon la direction X, les inventeurs de la présente invention ont réalisé des calculs mécaniques par éléments finis.To highlight these gains in volume and mass of a heat pipe 1 made with transverse connection channels 12, i.e. in the direction Y compared to a heat pipe according to the state of the art with longitudinal connection channels, i.e. according to direction X, the inventors of the present invention have carried out mechanical calculations by finite elements.

Ces configurations comparatives sont illustrées respectivement aux figures 8 et 10 pour un caloduc 1 selon l'état de l'art et aux figures 9 et 10 pour un caloduc 1 selon l'invention.These comparative configurations are illustrated respectively in figures 8 And 10 for a heat pipe 1 according to the state of the art and figures 9 And 10 for a heat pipe 1 according to the invention.

Les calculs mécaniques montrent ainsi qu'en appliquant une pression interne de 130 bars, il faudrait, pour ne pas dépasser la limite élastique de l'alliage d'aluminium, des plaques de fermeture 22 de 2,1mm d'épaisseur pour le caloduc 1 selon les figures 8 et 10, tandis qu'une épaisseur de 1,4mm suffit pour un caloduc 1 selon l'invention. Par conséquent, cela représente un gain en masse de 24%, et un gain de volume de 11% à limite capillaire égale.Mechanical calculations thus show that by applying an internal pressure of 130 bars, in order not to exceed the elastic limit of the aluminum alloy, closing plates 22 of 2.1 mm thickness would be required for the heat pipe 1. according to figures 8 And 10 , while a thickness of 1.4mm is sufficient for a heat pipe 1 according to the invention. Consequently, this represents a gain in mass of 24%, and a gain in volume of 11% at the same capillary limit.

D'autres calculs thermo-hydrauliques permettent d'établir également des gains pour un caloduc 1 selon l'invention comparativement à un caloduc 1 selon l'état de l'art.Other thermo-hydraulic calculations also make it possible to establish gains for a heat pipe 1 according to the invention compared to a heat pipe 1 according to the state of the art.

La figure 12 illustre respectivement les gains sur le volume du ménisque d'interface liquide-vapeur et sur la longueur des lignes triples en fonction de l'espace entre deux canaux de liaison transversaux 12 adjacents.. On précise ici que pour l'exemple comparatif selon l'état de l'art et l'exemple selon l'invention, la largeur des canaux de liaison 12 est la même et égale à 0,2mm.There Figure 12 respectively illustrates the gains on the volume of the liquid-vapor interface meniscus and on the length of the triple lines as a function of the space between two adjacent transverse connection channels 12. It is specified here that for the comparative example according to state of the art and the example according to the invention, the width of the connecting channels 12 is the same and equal to 0.2mm.

De ces courbes de la figure 12, il ressort que :

pour un espace entre deux canaux transversaux 12, égal à 8 mm, le volume du ménisque est équivalent à celui d'un caloduc 1 selon l'état de l'art. En revanche, le gain est de 40% sur la longueur des lignes triples,
pour un espace entre deux canaux transversaux 12, égal à 4 mm, le gain en volume du ménisque est de 60% comparativement à celui d'un caloduc 1 selon l'état de l'art. Le gain est de 140% sur la longueur des lignes triples.

Of these curves of the Figure 12 , it appears that :

for a space between two transverse channels 12, equal to 8 mm, the volume of the meniscus is equivalent to that of a heat pipe 1 according to the state of the art. On the other hand, the gain is 40% on the length of the triple lines,
for a space between two transverse channels 12, equal to 4 mm, the gain in volume of the meniscus is 60% compared to that of a heat pipe 1 according to the state of the art. The gain is 140% on the length of the triple lines.

Cela implique donc un gain sur la résistance thermique à l'évaporateur Z_E et au condenseur Zc qui doit dépendre de la longueur des lignes triples.This therefore implies a gain in the thermal resistance at the evaporator Z _E and at the condenser Zc which must depend on the length of the triple lines.

Par ailleurs, le volume du ménisque est plus important ce qui permet de réduire la longueur d'un canal de liaison 12 (pour retrouver un volume de ménisque équivalent), ou d'avoir plus de sécurité en cas de reculée du ménisque pour éviter le désamorçage du caloduc.Furthermore, the volume of the meniscus is greater, which makes it possible to reduce the length of a connecting channel 12 (to find an equivalent meniscus volume), or to have more security in the event of a retreat of the meniscus to avoid the defusing the heat pipe.

Cela permet aussi d'accommoder une plus grande variation du volume de liquide dans le caloduc et donc potentiellement d'élargir, à taux de remplissage donné, sur la plage de température d'opérations.This also makes it possible to accommodate a greater variation in the volume of liquid in the heat pipe and therefore potentially to expand, at a given filling rate, over the operating temperature range.

Les figures 13 et 14 illustrent respectivement la possibilité d'avoir le flux de chaleur (Φ_E) de la source chaude (SC) sur une face latérale 21 de l'enceinte 2 en regard des canaux liquides 11 ou en regard du canal vapeur 13.THE figures 13 And 14 respectively illustrate the possibility of having the heat flow (Φ _E ) from the hot source (SC) on a side face 21 of the enclosure 2 facing the liquid channels 11 or facing the vapor channel 13.

Dans l'exemple illustré précédemment, les canaux de liaison 12 transversaux sont usinés sur chaque côté longitudinal au niveau d'une structuration 14 d'une plaque intercalaire 20. Alternativement, on peut prévoir de les usiner uniquement sur un seul côté longitudinal, comme illustré sur la figure 15.In the example illustrated previously, the transverse connecting channels 12 are machined on each longitudinal side at the level of a structure 14 of an intermediate plate 20. Alternatively, we can plan to machine them only on a single longitudinal side, as illustrated on the Figure 15 .

La figure 16 illustre une variante de réalisation avantageuse où les canaux de liaison transversaux 12 selon l'invention sont réalisés sur toute l'épaisseur des plaques intercalaires de l'empilement. Autrement dit, ces canaux 12 sont prolongés par des extensions rainurées 15.There Figure 16 illustrates an advantageous alternative embodiment where the transverse connecting channels 12 according to the invention are made over the entire thickness of the intermediate plates of the stack. In other words, these channels 12 are extended by grooved extensions 15.

Cette variante de la figure 16 facilite tout d'abord l'usinage des canaux de liaison 12 car ils sont réalisés en une seule opération sur chaque plaque intermédiaire 20. Ensuite ces extensions débouchantes 15 permettent de faire communiquer partiellement les canaux ré entrants entre eux (d'un canal liquide 11 à un autre), ce qui peut permettre d'équilibrer les écoulements dans ceux-ci, notamment s'il y a un écoulement diphasique.This variant of the Figure 16 firstly facilitates the machining of the connecting channels 12 because they are produced in a single operation on each intermediate plate 20. Then these through-out extensions 15 make it possible to partially communicate the re-entrant channels with each other (of a liquid channel 11 to another), which can make it possible to balance the flows in them, particularly if there is a two-phase flow.

Enfin, le fait d'usiner ces canaux de liaison 12 avec extensions 15 sur toute la hauteur des plaques 20 permet d'augmenter la part liquide dans chaque canal de liaison 12, ainsi que la longueur des lignes triples, ce qui améliore davantage la résistance thermique à l'évaporateur. Ce dernier avantage est illustré sous formes de courbes en figure 17 en fonction de l'espace entre deux canaux de liaison transversaux 12 adjacents.Finally, the fact of machining these connecting channels 12 with extensions 15 over the entire height of the plates 20 makes it possible to increase the liquid portion in each connecting channel 12, as well as the length of the triple lines, which further improves the resistance thermal to the evaporator. This last advantage is illustrated in the form of curves in Figure 17 depending on the space between two adjacent transverse connection channels 12.

De ces courbes de la figure 17, il ressort que :

pour un espace entre deux canaux transversaux 12 avec extensions 15 sur toute la hauteur des plaques 20, égal à 8 mm, les gains en volume du ménisque et sur la longueur des lignes triples sont respectivement de 70% et de 90% comparativement à celui d'un caloduc 1 selon l'état de l'art ;
pour un espace entre deux canaux transversaux 12, égal à 4 mm, le gain en volume du ménisque est de 180% comparativement à celui d'un caloduc 1 selon l'état de l'art. Le gain est de 210% sur la longueur des lignes triples.

Of these curves of the Figure 17 , it appears that :

for a space between two transverse channels 12 with extensions 15 over the entire height of the plates 20, equal to 8 mm, the gains in volume of the meniscus and on the length of the triple lines are respectively 70% and 90% compared to that of a heat pipe 1 according to the state of the art;
for a space between two transverse channels 12, equal to 4 mm, the gain in volume of the meniscus is 180% compared to that of a heat pipe 1 according to the state of the art. The gain is 210% over the length of the triple lines.

Les canaux de liaison transversaux 12 peuvent être alignés d'une plaque 20 à l'autre ou agencés en quinconce dans le plan XZ comme illustré sur la figure 18.The transverse connecting channels 12 can be aligned from one plate 20 to another or arranged staggered in the plane XZ as illustrated in the Figure 18 .

La figure 19 illustre une variante avantageuse selon laquelle plusieurs rainures longitudinales non débouchantes 16 sont réalisées côté du canal vapeur 13 dans chaque plaque intercalaire 20. Ces rainures 16 permettent d'augmenter la surface de contact entre liquide et vapeur, et la longueur des lignes triples, et par-là de diminuer la résistance thermique dans la zone d'évaporation. La largeur de ces rainures supplémentaires 16 est de préférence égale à celle des canaux de liaison transversaux 12 et leur profondeur avantageusement égale à leur largeur. Dans la figure 19, les rainures non débouchantes 16 croisent des canaux de liaison transversaux 12 réalisés sur toute la hauteur et alignés d'une plaque à l'autre. On peut bien entendu réaliser une configuration avec des canaux de liaison transversaux 12 sur une partie de la hauteur des plaques 20 et/ou agencés en quinconce.There Figure 19 illustrates an advantageous variant according to which several non-opening longitudinal grooves 16 are made on the side of the vapor channel 13 in each intermediate plate 20. These grooves 16 make it possible to increase the contact surface between liquid and vapor, and the length of the triple lines, and by there to reduce the thermal resistance in the evaporation zone. The width of these additional grooves 16 is preferably equal to that of the transverse connecting channels 12 and their depth advantageously equal to their width. In the Figure 19 , the non-opening grooves 16 intersect transverse connecting channels 12 made over the entire height and aligned from one plate to another. It is of course possible to create a configuration with transverse connecting channels 12 over part of the height of the plates 20 and/or arranged in a staggered manner.

La figure 20 illustre une variante avantageuse selon laquelle plusieurs rainures longitudinales 17 sont réalisées sur la structuration 14 de chaque plaque intercalaire 20 dans la zone d'interface d'empilement avec une plaque intercalaire 20 ou une plaque de fermeture 22 adjacente. Ces rainures 17 sont destinées à éviter de boucher les canaux de liaison 12 avec de la brasure lors de l'opération de brasage entre plaques 20, 22. En effet, en cas de brasure en excès, celle-ci va pouvoir se loger dans ces rainures 17 et donc ne pas venir se loger dans les canaux de liaison transversaux 12. La largeur de ces rainures de brasage 17 est de préférence égale ou légèrement plus faible à celle des canaux de liaison 12 afin de favoriser par pompage capillaire le piégeage préférentiel de la brasure en excès dans ces zones. Dans la figure 19, les rainures non débouchantes de brasage 17 sont réalisées sur un seul côté longitudinal de structurations 14 d'une plaque intercalaire 20. On peut bien entendu réaliser ces rainures 17 sur les deux côtés longitudinaux des structurations 14 de chaque plaque 20.There Figure 20 illustrates an advantageous variant according to which several longitudinal grooves 17 are made on the structure 14 of each intermediate plate 20 in the stacking interface zone with an adjacent intermediate plate 20 or closing plate 22. These grooves 17 are intended to avoid blocking the connecting channels 12 with solder during the brazing operation between plates 20, 22. Indeed, in the event of excess solder, it will be able to lodge in these grooves 17 and therefore not come to lodge in the transverse connection channels 12. The width of these brazing grooves 17 is preferably equal to or slightly smaller than that of the connection channels 12 in order to promote, by capillary pumping, the preferential trapping of the excess solder in these zones. In the Figure 19 , the non-opening brazing grooves 17 are made on a single longitudinal side of structures 14 of an intermediate plate 20. It is of course possible to make these grooves 17 on the two longitudinal sides of the structures 14 of each plate 20.

D'autres avantages et améliorations pourront être apportées sans pour autant sortir du cadre de l'invention.Other advantages and improvements could be made without departing from the scope of the invention.

L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.The invention is not limited to the examples which have just been described; In particular, it is possible to combine characteristics of the illustrated examples within non-illustrated variants.

Toutes les variantes peuvent être combinées ou non entre elles : on peut par exemple avoir des rainures longitudinales non débouchantes 16 combinée avec des canaux de liaison transversaux 12 sur toute la hauteur des plaques intercalaires 20, par exemple en quinconce, et le cas échéant avec des rainures longitudinales 17 de brasage à l'interface entre plaques 20 ou 20, 22.All variants can be combined or not with each other: for example, we can have non-opening longitudinal grooves 16 combined with transverse connecting channels 12 over the entire height of the intermediate plates 20, for example in a staggered manner, and where appropriate with longitudinal brazing grooves 17 at the interface between plates 20 or 20, 22.

Un caloduc est rempli d'un fluide diphasique, il peut s'agir d'un fluide bien connu de l'homme du métier. Celui-ci est choisi par exemple en fonction de la gamme de température de fonctionnement et de stockage du dispositif, en fonction des contraintes dues à la pression, l'inflammabilité, la toxicité du fluide et de la compatibilité chimique entre le fluide et le matériau formant le caloduc.A heat pipe is filled with a two-phase fluid, it may be a fluid well known to those skilled in the art. This is chosen for example according to the operating and storage temperature range of the device, depending on the constraints due to pressure, flammability, toxicity of the fluid and chemical compatibility between the fluid and the material. forming the heat pipe.

De plus, certains fluides ne sont pas compatibles avec certains matériaux, des réactions d'oxy-réduction pouvant conduire à des phénomènes corrosifs impliquant des produits de réaction, par exemple des gaz incondensables, dégradant le fonctionnement hydrodynamique des caloducs.In addition, certain fluids are not compatible with certain materials, oxy-reduction reactions can lead to corrosive phenomena involving reaction products, for example non-condensable gases, degrading the hydrodynamic operation of the heat pipes.

A titre d'exemple, pour un caloduc selon l'invention réalisé en alliage d'aluminium en nickel, en cuivre, en titane ou en alliage à base d'une combinaison d'entre eux, assemblé par brasure eutectique, on peut utiliser comme fluide l'ammoniac, l'eau, l'acétone, le méthanol,By way of example, for a heat pipe according to the invention made of nickel aluminum alloy, copper, titanium or an alloy based on a combination of them, assembled by eutectic brazing, we can use as fluid ammonia, water, acetone, methanol,

Du fait des limites d'utilisation, entre les fluides de travail et les métaux cités, les couples envisagés peuvent être comme suit : Fluide de travail Métal(ux) du caloduc Ammoniac Aluminium, acier, acier inoxydable, nickel Méthanol Cuivre, acier inoxydable Acétone Aluminium, acier inoxydable Eau Cuivre, nickel, titane Due to the limits of use, between the working fluids and the metals mentioned, the couples envisaged can be as follows: Working fluid Heat pipe metal(s) Ammonia Aluminum, steel, stainless steel, nickel Methanol Copper, stainless steel Acetone Aluminum, stainless steel Water Copper, nickel, titanium

Liste des références citées List of cited references

[1] : Christine Hoa :«Thermique des caloducs à rainures axiales : études et réalisations pour des applications spatiales». Université de Poitiers, 2004 .[1]: Christine Hoa: “Thermal of heat pipes with axial grooves: studies and achievements for space applications”. University of Poitiers, 2004 .
[2]: S. W. Chi, "Heat Pipe Theory and Practice," McGraw-Hill, NY, U.S.A., 1976 .[2]: SW Chi, "Heat Pipe Theory and Practice," McGraw-Hill, NY, USA, 1976 .

Claims

Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes, s'étendant le long d'une première direction longitudinale (X), comprenant une enceinte étanche (2) s'étendant entre une première extrémité longitudinale (3), destinée à être échauffée par une source chaude SC pour former, au sein de l'enceinte, un évaporateur et une deuxième extrémité longitudinale (4) destinée à être refroidie par une source froide SF pour former, au sein de l'enceinte, un condenseur, l'enceinte étanche délimitant une zone adiabatique entre l'évaporateur et le condenseur, l'enceinte étanche comprenant un empilement de plaques (20, 22) selon une deuxième direction (Z), orthogonale à la première (X) direction, dont deux plaques de fermeture (22) et au moins un nombre de n modules les uns sur les autres avec n étant un entier >1, chaque module comprenant au moins une plaque intercalaire (20) entre les plaques de fermeture, la ou les plaques intercalaires comprenant au moins une première plaque intercalaire comportant au moins une fenêtre dont les bords délimitent en partie un canal vapeur (13) s'étendant le long de la première direction (X) entre l'évaporateur et le condenseur, dans lequel la vapeur est destinée à circuler, et sur au moins un côté latéral de la fenêtre selon une troisième direction (Y) orthogonale aux première (X) et deuxième direction (Z), au moins une structuration (14) dont les bords délimitent en partie au moins un canal liquide (11) dans l'évaporateur et le condenseur, le caloduc comprenant, au moins dans l'évaporateur, au moins une zone d'échange définissant une interface liquide-vapeur et délimitée entre la au moins une plaque intercalaire et au moins une autre plaque intercalaire ou une plaque de fermeture, reliant le canal vapeur et le(s) canal(ux) liquide(s), chaque zone d'échange comprenant une pluralité de canaux de liaison, débouchants (12) qui s'étendent transversalement à la première direction (X), de préférence selon la troisième direction (Y), deux canaux de liaison adjacents étant séparés par une épaisseur de structuration.Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves, extending along a first longitudinal direction (X), comprising a sealed enclosure (2) extending between a first longitudinal end (3), intended to be heated by a hot source SC to form, within the enclosure, an evaporator and a second longitudinal end (4) intended to be cooled by a cold source SF to form, within the enclosure, a condenser, the sealed enclosure delimiting an adiabatic zone between the evaporator and the condenser, the sealed enclosure comprising a stack of plates (20, 22) in a second direction (Z), orthogonal to the first (X) direction, including two closing plates (22 ) and at least a number of n modules on top of each other with n being an integer >1, each module comprising at least one intermediate plate (20) between the closing plates, the intermediate plate(s) comprising at least one first plate interlayer comprising at least one window whose edges partly delimit a steam channel (13) extending along the first direction (X) between the evaporator and the condenser, in which the steam is intended to circulate, and on at at least one lateral side of the window in a third direction (Y) orthogonal to the first (X) and second direction (Z), at least one structure (14) whose edges partly delimit at least one liquid channel (11) in the evaporator and the condenser, the heat pipe comprising, at least in the evaporator, at least one exchange zone defining a liquid-vapor interface and delimited between the at least one intermediate plate and at least one other intermediate plate or a plate of closure, connecting the vapor channel and the liquid channel(s), each exchange zone comprising a plurality of connecting, opening channels (12) which extend transversely to the first direction (X), preferably in the third direction (Y), two adjacent connecting channels being separated by a structuring thickness.

Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon la revendication 1, le condenseur du caloduc comprenant également au moins une zone d'échange définissant une interface liquide-vapeur et délimitée entre la au moins une plaque intercalaire et au moins une autre plaque intercalaire ou une plaque de fermeture, reliant le canal vapeur et le(s) canal(ux) liquide(s), chaque zone d'échange comprenant au moins un canal de liaison, débouchant (12) qui s'étend transversalement à la première direction (X), de préférence selon la troisième direction (Y).Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to claim 1, the condenser of the heat pipe also comprising at least one exchange zone defining a liquid-vapor interface and delimited between the at least one intermediate plate and at least one other intermediate plate or a closing plate, connecting the vapor channel and the liquid channel(s), each exchange zone comprising at least one connecting channel, opening out (12) which extends transversely to the first direction (X), preferably in the third direction (Y).

Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon la revendication 2, la section transversale dans le plan XZ de chaque canal de liaison débouchant (12) dans le condenseur étant supérieure à celle dans l'évaporateur.Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to claim 2, the cross section in the XZ plane of each connecting channel (12) emerging into the condenser being greater than that in the evaporator.

Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon l'une des revendications précédentes, la zone adiabatique du caloduc étant exempte de zone d'échange entre le canal vapeur et le(s) canal(ux) liquide(s).Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to one of the preceding claims, the adiabatic zone of the heat pipe being free of any exchange zone between the vapor channel and the liquid channel(s).

Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon l'une des revendications précédentes, le matériau constitutif des plaques formant l'enceinte étanche, étant choisi parmi l'aluminium, le cuivre, le nickel, ou un alliage à base d'au moins deux de ceux-ci.Heat pipe (1) with capillary pumping with reentrant grooves according to one of the preceding claims, the material constituting the plates forming the sealed enclosure, being chosen from aluminum, copper, nickel, or an alloy based on at minus two of these.

Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon l'une des revendications précédentes, les plaques intercalaires (20) présentant une épaisseur comprise entre 0,5 à 6mm, de préférence de l'ordre de 2mm.Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to one of the preceding claims, the intermediate plates (20) having a thickness of between 0.5 to 6mm, preferably of the order of 2mm.

Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon l'une des revendications précédentes, les plaques de fermeture (22) présentant une épaisseur comprise entre 1 et 3mm, de préférence de l'ordre de 2mm.Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to one of the preceding claims, the closure plates (22) having a thickness of between 1 and 3mm, preferably of the order of 2mm.

Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon l'une des revendications précédentes, la largeur dans le plan XZ d'un canal de liaison (12) étant comprise entre 0,1 et 1mm, de préférence de l'ordre de 0,2mm.Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to one of the preceding claims, the width in the XZ plane of a connecting channel (12) being between 0.1 and 1mm, preferably of the order of 0 .2mm.

Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon l'une des revendications précédentes, l'épaisseur de structuration (14) dans le plan XZ délimitant l'espace entre deux canaux de liaison (12) adjacents étant comprise entre 0,2 et 2mm, de préférence de l'ordre de 0,4mm.Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to one of the preceding claims, the structuring thickness (14) in the XZ plane delimiting the space between two adjacent connecting channels (12) being between 0.2 and 2mm, preferably around 0.4mm.

Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon l'une des revendications précédentes, la largeur dans le plan YZ d'un canal liquide (11) étant comprise entre 0,5 et 4mm, de préférence de l'ordre de 3mm.Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to one of the preceding claims, the width in the YZ plane of a liquid channel (11) being between 0.5 and 4mm, preferably of the order of 3mm.

Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon l'une des revendications précédentes, chaque canal de liaison (12, 15) étant réalisé débouchant sur toute l'épaisseur dans le plan YZ d'une structuration (14) d'une plaque intercalaire (20).Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to one of the preceding claims, each connecting channel (12, 15) being made opening out over the entire thickness in the YZ plane of a structuring (14) of a plate spacer (20).

Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon l'une des revendications précédentes, les canaux de liaison (12) étant réalisés de telle sorte à être agencés en quinconce dans un plan XZ.Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to one of the preceding claims, the connecting channels (12) being made in such a way as to be arranged staggered in a plane XZ.

Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon l'une des revendications précédentes, les structurations (14) comprenant des rainures longitudinales (16), non débouchantes, qui s'étendent selon la première direction (X), du côté du canal vapeur (13), en croisant les canaux de liaison (12).Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to one of the preceding claims, the structures (14) comprising longitudinal grooves (16), non-opening, which extend in the first direction (X), on the side of the channel steam (13), crossing the connecting channels (12).

Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon la revendication 13, la largeur dans le plan YZ des rainures longitudinales (16) étant sensiblement égale à la largeur dans le plan XZ des canaux de liaison (12).Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to claim 13, the width in the YZ plane of the longitudinal grooves (16) being substantially equal to the width in the XZ plane of the connecting channels (12).

Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon la revendication 13 ou 14, la largeur dans le plan YZ des rainures longitudinales (16) étant sensiblement égale à leur profondeur selon la troisième direction (Y).Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to claim 13 or 14, the width in the plane YZ of the longitudinal grooves (16) being substantially equal to their depth in the third direction (Y).

Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon l'une des revendications précédentes, au moins une plaque intercalaire comprenant des rainures longitudinales (17) qui s'étendent selon la première direction (X), à l'interface avec une plaque intercalaire adjacente ou une plaque de fermeture (22), en croisant les canaux de liaison (12).Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to one of the preceding claims, at least one intermediate plate comprising longitudinal grooves (17) which extend in the first direction (X), at the interface with an intermediate plate adjacent or a closing plate (22), crossing the connecting channels (12).

Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon l'une des revendications précédentes, comportant n modules les uns sur les autres, n étant un entier supérieur ou égal à 1, définissant un canal vapeur unique et n canaux liquides sur au moins un côté latéral, notamment sur chaque côté latéral du canal vapeur.Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to one of the preceding claims, comprising n modules one on top of the other, n being an integer greater than or equal to 1, defining a single vapor channel and n liquid channels on at least one lateral side, in particular on each lateral side of the steam channel.

Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon l'une des revendications précédentes, la section transversale dans le plan YZ du canal vapeur et du(des) canal(ux) liquide(s), de préférence rectangulaire, étant constante sur toute la longueur du caloduc.Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to one of the preceding claims, the cross section in the YZ plane of the vapor channel and the liquid channel(s), preferably rectangular, being constant over all the length of the heat pipe.

Système comprenant : - une source froide (SF) ;

- une source chaude (SC) et

- au moins un caloduc (1) selon l'une des revendications précédentes, le caloduc étant agencé de sorte que le flux de chaleur (Φ_E) de la source chaude (SC) sur l'évaporateur étant sur au moins une face latérale (21) de l'enceinte en regard du canal vapeur ou sur au moins une face latérale en regard du(des) canal(ux) liquide(s), tandis que l'extraction de chaleur au condenseur vers la source froide (SF) étant sur au moins une face latérale de l'enceinte en regard du(des) canal(ux) liquide(s), ou sur une face latérale perpendiculaire à celui-ci (ceux-ci).

System comprising: - a cold source (SF);

- a hot spring (SC) and

- at least one heat pipe (1) according to one of the preceding claims, the heat pipe being arranged so that the heat flow (Φ _E ) from the hot source (SC) on the evaporator being on at least one side face ( 21) of the enclosure facing the vapor channel or on at least one side face facing the liquid channel(s), while the heat extraction from the condenser towards the cold source (SF) being on at least one side face of the enclosure facing the liquid channel(s), or on a side face perpendicular to it (these).