Aheat pipe est undispositif de transfert de chaleurqui combine les principes des deuxconductivité thermiqueettransition de phasepour transférer efficacement la chaleur entre deux solidesles interfaces.
À l'interface chaude d'un caloduc unliquideen contact avec une surface solide thermoconductrice se transforme en unvapeuren absorbant la chaleur de cette surface. La vapeur se déplace ensuite le long du caloduc jusqu'à l'interface froide et se condense à nouveau en un liquide - libérant lechaleur latente. Leliquidepuis retourne à l'interface chaude via soitcapillarité,force centrifuge, ou gravité, et le cycle se répète. En raison des coefficients de transfert de chaleur très élevés pourébullitionetcondensation, les caloducs sont des conducteurs thermiques très efficaces. La conductivité thermique effective varie avec la longueur du caloduc et peut approcher 100 kW / (m⋅K) pour les caloducs longs, contre environ 0,4 kW / (m⋅K) pourle cuivre.
Contenu
Structure, conception et construction [Éditer]
Schéma montrant les composants et le mécanisme d'un caloduc contenant une mèche
Cette animation de caloducs plats (dissipateur de chaleur) de 100 mm sur 100 mm sur 10 mm de haut a été créée à l'aide d'une analyse CFD haute résolution et montre des trajectoires d'écoulement profilées en température, prédites à l'aide d'unCFDpackage d'analyse
Cette animation thermique de conception de dissipateur thermique de chambre à vapeur (dissipateur de chaleur) de 120 mm de diamètre a été créée à l'aide d'une analyse CFD haute résolution et montre la surface du dissipateur thermique à contour de température et les trajectoires d'écoulement de fluide prédites à l'aide d'unCFDpackage d'analyse
Coupe transversale d'un caloduc pour refroidir le processeur d'un ordinateur portable. L'échelle de la règle est en millimètres.
Vue en coupe d'un caloduc plat de 500 µm d'épaisseur avec un capillaire plat fin (couleur aqua)
Caloduc plat mince (dissipateur de chaleur) avec dissipateur thermique et ventilateur à distance
Un caloduc typique se compose d'un tuyau ou d'un tube scellé fait d'un matériau compatible avec le fluide dele cuivrepour les caloducs à eau, oualuminiumpour caloducs à l'ammoniac. En règle générale, unpompe à videest utilisé pour éliminer l'air du caloduc vide. Le caloduc est partiellement rempli d'un fluide de travail puis scellé. La masse de fluide de travail est choisie de sorte que le caloduc contienne à la fois de la vapeur et du liquide sur letempérature de fonctionnementgamme.
En dessous de la température de fonctionnement, le liquide est trop froid et ne peut pas se vaporiser en gaz. Au-dessus de la température de fonctionnement, tout le liquide s'est transformé en gaz et la température ambiante est trop élevée pour qu'aucun gaz ne se condense. Que ce soit trop haut ou trop bas,conduction thermiqueest encore possible à travers les parois du caloduc, mais à un taux de transfert thermique très réduit.
Les fluides de travail sont choisis en fonction des températures auxquelles le caloduc doit fonctionner, avec des exemples allant dehélium liquidepour les applications à très basse température (2–4K) àMercure(523–923K),sodium(873–1473K) et mêmeindium(2000–3000K) pour des températures extrêmement élevées. La grande majorité des caloducs pour les applications à température ambiante utilisentammoniac(213–373K),de l'alcool(méthanol(283–403K) ouéthanol(273–403K)) oul'eau(298–573K) comme fluide de travail. Les caloducs cuivre / eau ont une enveloppe en cuivre, utilisent de l'eau comme fluide de travail et fonctionnent généralement dans la plage de températures de 20 à 150 ° C.[1][2]Les caloducs à eau sont parfois remplis en se remplissant partiellement d'eau, en chauffant jusqu'à ce que l'eau bout et déplace l'air, puis scellés à chaud.
Pour que le caloduc transfère la chaleur, il doit contenirsaturéliquide et sa vapeur (phase gazeuse). Le liquide saturé se vaporise et se déplace vers le condenseur, où il est refroidi et transformé en liquide saturé. Dans un caloduc standard, le liquide condensé est renvoyé vers l'évaporateur à l'aide d'une structure à mèche exerçant uncapillaritésur la phase liquide du fluide de travail. Les structures de mèche utilisées dans les caloducs comprennentfrittépoudre de métal, tamis et mèches rainurées, qui ont une série de rainures parallèles à l'axe du tuyau. Lorsque le condenseur est situé au-dessus de l'évaporateur dans un champ gravitationnel, la gravité peut renvoyer le liquide. Dans ce cas, le caloduc est un thermosiphon. Enfin, les caloducs rotatifs utilisent les forces centrifuges pour renvoyer le liquide du condenseur vers l'évaporateur.
Les caloducs ne contiennent pas de pièces mécaniques mobiles et ne nécessitent généralement aucun entretien, bien que les gaz non condensables qui diffusent à travers les parois du tuyau GG, résultant de la panne du fluide de travail ou en tant qu'impuretés existantes dans le matériau, peuvent éventuellement réduire le tuyau Efficacité de&pour transférer la chaleur.
L'avantage des caloducs par rapport à de nombreux autres mécanismes de dissipation thermique est leur grande efficacité dans le transfert de chaleur. Un tuyau d'un pouce de diamètre et de deux pieds de long peut transférer 12 500 BTU (3,7 kWh) par heure à 1 800 ° F (980 ° C) avec une chute de seulement 18 ° F (10 ° C) d'un bout à l'autre.[2]Certains caloducs ont démontré unflux de chaleurde plus de 23 kW / cm², soit environ quatre fois le flux de chaleur à travers la surface du soleil.[3]
Matériaux de caloducs et fluides de travail [Éditer]
Les caloducs ont une enveloppe, une mèche et un fluide de travail. Les caloducs sont conçus pour un fonctionnement à très long terme sans entretien, de sorte que la paroi et la mèche du caloduc doivent être compatibles avec le fluide de travail. Certaines paires matériau / fluide de travail qui semblent compatibles ne le sont pas. Par exemple, l'eau dans une enveloppe d'aluminium développera de grandes quantités de gaz non condensable en quelques heures ou quelques jours, empêchant le fonctionnement normal du caloduc.
Depuis que les caloducs ont été redécouverts parGeorge Groveren 1963, des tests de durée de vie approfondis ont été menés pour déterminer les paires enveloppe / fluide compatibles, certains durant des décennies. Dans un test de durée de vie d'un caloduc, les caloducs sont utilisés pendant de longues périodes et surveillés pour des problèmes tels que la génération de gaz non condensable, le transport de matériaux et la corrosion.[4][5]
Les paires enveloppe (et mèche) / fluide les plus couramment utilisées comprennent:[6]
Enveloppe en cuivre avec fluide de travail de l'eau pourrefroidissement électronique. C'est de loin le type de caloduc le plus courant.
Enveloppe en cuivre ou en acier avec réfrigérantR134afluide de travail pour la récupération d'énergie dansHVACsystèmes.
Enveloppe en aluminium avec fluide de travail ammoniacContrôle thermique des engins spatiaux.
Superalliageenveloppe avec fluide de travail de métal alcalin (césium, potassium, sodium) pour caloducs haute température, le plus couramment utilisé pour l'étalonnage des appareils de mesure de la température primaire.
D'autres paires incluent des enveloppes en acier inoxydable avec des fluides de travail azote, oxygène, néon, hydrogène ou hélium à des températures inférieures à 100K, des caloducs en cuivre / méthanol pour le refroidissement de l'électronique lorsque le caloduc doit fonctionner en dessous de la plage d'eau, des caloducs en aluminium / éthane pour les engins spatiaux contrôle thermique dans les environnements où l'ammoniac peut geler, etmétal réfractairefluide de travail enveloppe / lithium pour applications à haute température (au-dessus de 1 050 ° C (1 920 ° F)).[7]
Différents types de caloducs [Éditer]
En plus des caloducs à conductance constante (CCHP) standard, il existe un certain nombre d'autres types de caloducs,[8]y compris:
Chambres à vapeur (caloducs planaires), qui sont utilisées pour la transformation du flux thermique et l'isothermisation des surfaces
Les caloducs à conductance variable (VCHP), qui utilisent un gaz non condensable (NCG) pour modifier la conductivité thermique effective du caloduc à mesure que la puissance ou les conditions du dissipateur thermique changent
Les caloducs à pression contrôlée (PCHP), qui sont un VCHP où le volume du réservoir, ou la masse NCG peut être modifié, pour donner un contrôle plus précis de la température
Les caloducs à diodes, qui ont une conductivité thermique élevée dans le sens direct et une faible conductivité thermique dans le sens inverse
Les thermosiphons, qui sont des caloducs où le liquide est renvoyé vers l'évaporateur par des forces gravitationnelles / accélératives,
Caloducs rotatifs, où le liquide est renvoyé vers l'évaporateur par les forces centrifuges
Chambre à vapeur ou caloducs plats [Éditer]
Caloducs planaires minces (dissipateurs de chaleur) ont les mêmes composants primaires que les caloducs tubulaires: aFermé hermétiquementrécipient creux, un fluide de travail et un système de recirculation capillaire en boucle fermée.[9]De plus, une série de poteaux sont généralement utilisés dans une chambre à vapeur, pour éviter un affaissement du plat supérieur et inférieur lorsque la pression est inférieure à la pression atmosphérique, qui est de 100 ° C pour les chambres à vapeur d'eau.
Il existe deux applications principales pour les chambres à vapeur. Premièrement, ils sont utilisés lorsque des puissances et des flux de chaleur élevés sont appliqués à un évaporateur relativement petit.[10]L'apport de chaleur à l'évaporateur vaporise le liquide, qui s'écoule en deux dimensions vers les surfaces du condenseur. Une fois la vapeur condensée sur les surfaces du condenseur, les forces capillaires dans la mèche renvoient le condensat vers l'évaporateur. Notez que la plupart des chambres à vapeur sont insensibles à la gravité et continueront de fonctionner lorsqu'elles sont inversées, avec l'évaporateur au-dessus du condenseur. Dans cette application, la chambre à vapeur agit comme un transformateur de flux thermique, refroidissant un flux thermique élevé provenant d'une puce électronique ou d'une diode laser, et le transformant en un flux thermique inférieur qui peut être éliminé par convection naturelle ou forcée. Avec des mèches d'évaporateur spéciales, les chambres à vapeur peuvent retirer 2000 W sur 4 cm2 ou 700 W sur 1 cm2.[11]
Deuxièmement, par rapport à un caloduc tubulaire unidimensionnel, la largeur d'un caloduc bidimensionnel permet une section transversale adéquate pour le flux de chaleur même avec un dispositif très mince. Ces caloducs plats minces trouvent leur place dans des applications «sensibles à la hauteur», telles que les ordinateurs portables et les cœurs de circuits imprimés montés en surface. Il est possible de produire des caloducs plats aussi minces que 1,0 mm (légèrement plus épais que 0,76 mmcarte de crédit).[12]
Caloducs à conductance variable (VCHP) [Éditer]
Les caloducs standard sont des dispositifs à conductance constante, dans lesquels la température de fonctionnement du caloduc est définie par les températures de la source et du dissipateur, les résistances thermiques de la source au caloduc et les résistances thermiques du caloduc au dissipateur. Dans ces caloducs, la température baisse de manière linéaire à mesure que la température de la puissance ou du condenseur diminue. Pour certaines applications, comme le contrôle thermique des satellites ou des ballons de recherche, l'électronique sera surrefroidie à faible puissance ou aux basses températures de puits. Les caloducs à conductance variable (VCHP) sont utilisés pour maintenir passivement la température de l'électronique refroidie lorsque les conditions d'alimentation et de puits changent.[13]
Les VCHP ont deux ajouts par rapport à un caloduc standard: 1. Un réservoir et 2. Un gaz non condensable (NCG) ajouté au caloduc, en plus du fluide de travail; voir l'image dans la section Vaisseau spatial ci-dessous. Ce NCG est généralement de l'argon pour les VCHP standard et de l'hélium pour les thermosiphons. Lorsque le caloduc ne fonctionne pas, le NCG et la vapeur du fluide de travail sont mélangés dans tout l'espace de vapeur du caloduc. Lorsque le VCHP fonctionne, le NCG est entraîné vers l'extrémité du condenseur du caloduc par l'écoulement de la vapeur de fluide de travail. La majeure partie du NCG est située dans le réservoir, tandis que le reste bloque une partie du condenseur du caloduc. Le VCHP fonctionne en faisant varier la longueur active du condenseur. Lorsque la température de l'alimentation ou du dissipateur de chaleur augmente, la température et la pression de la vapeur du caloduc augmentent. L'augmentation de la pression de vapeur force davantage de NCG dans le réservoir, augmentant la longueur du condenseur actif et la conductance du caloduc. Inversement, lorsque la température de la puissance ou du dissipateur thermique diminue, la température et la pression de la vapeur du caloduc diminuent et le NCG se dilate, réduisant la longueur du condenseur actif et la conductance du caloduc. L'ajout d'un petit réchauffeur sur le réservoir, dont la puissance est contrôlée par la température de l'évaporateur, permettra un contrôle thermique d'environ ± 1-2 ° C. Dans un exemple, la température de l'évaporateur a été maintenue dans une bande de contrôle de ± 1,65 ° C, car la puissance variait de 72 à 150 W, et la température du dissipateur thermique variait de -15 ° C à -65 ° C.
Les caloducs à pression contrôlée (PCHP) peuvent être utilisés lorsqu'un contrôle plus strict de la température est nécessaire.[14]Dans un PCHP, la température de l'évaporateur est utilisée pour faire varier le volume du réservoir ou la quantité de NCG dans le caloduc. Les PCHP ont montré un contrôle de la température en milli-Kelvin.[15]
Caloducs à diodes [Éditer]
Les caloducs conventionnels transfèrent la chaleur dans les deux sens, de l'extrémité la plus chaude vers l'extrémité la plus froide du caloduc. Plusieurs caloducs différents agissent comme undiode thermique, transférant la chaleur dans un sens, tout en jouant le rôle d'isolant dans l'autre:[16]
Thermosiphons, qui ne transfèrent la chaleur que du bas vers le haut du thermosiphon, où le condensat retourne par gravité. Lorsque le thermosiphon est chauffé au sommet, il n'y a pas de liquide disponible pour s'évaporer.
Les caloducs rotatifs, où le caloduc est formé de telle sorte que le liquide ne peut voyager que par les forces centrifuges de l'évaporateur nominal au condenseur nominal. Là encore, aucun liquide n'est disponible lorsque le condenseur nominal est chauffé.
Tuyaux de chaleur à diode de piège à vapeur.
Tuyaux de chaleur à diode piège à liquide.
Une diode piège à vapeur est fabriquée de la même manière qu'un caloduc à conductance variable (VCHP), avec un réservoir de gaz à l'extrémité du condenseur.[17]Pendant la fabrication, le caloduc est chargé avec le fluide de travail et une quantité contrôlée d'un gaz non condensable (NCG). Pendant le fonctionnement normal, l'écoulement de la vapeur de fluide de travail de l'évaporateur vers le condenseur entraîne le NCG dans le réservoir, où il n'interfère pas avec le fonctionnement normal du caloduc. Lorsque le condenseur nominal est chauffé, le débit de vapeur va du condenseur nominal à l'évaporateur nominal. Le NCG est entraîné avec la vapeur qui coule, bloquant complètement l'évaporateur nominal et augmentant considérablement la résistivité thermique du caloduc. En général, il y a un certain transfert de chaleur vers la section adiabatique nominale. La chaleur est ensuite conduite à travers les parois du caloduc vers l'évaporateur. Dans un exemple, une diode piège à vapeur transportait 95 W dans le sens direct et seulement 4,3 W dans le sens inverse.[18]
Une diode à piège à liquide a un réservoir malicieux à l'extrémité évaporateur du caloduc, avec une mèche séparée qui n'est pas en communication avec la mèche dans le reste du caloduc.[19]Pendant le fonctionnement normal, l'évaporateur et le réservoir sont chauffés. La vapeur s'écoule vers le condenseur et le liquide retourne à l'évaporateur par des forces capillaires dans la mèche. Le réservoir se dessèche finalement, car il n'y a pas de méthode pour renvoyer le liquide. Lorsque le condenseur nominal est chauffé, le liquide se condense dans l'évaporateur et le réservoir. Alors que le liquide peut retourner au condenseur nominal à partir de l'évaporateur nominal, le liquide dans le réservoir est piégé, car la mèche du réservoir n'est pas connectée. Finalement, tout le liquide est piégé dans le réservoir et le caloduc cesse de fonctionner.
Thermosiphons [Éditer]
La plupart des caloducs utilisent une mèche pour renvoyer le liquide du condenseur vers l'évaporateur, permettant au caloduc de fonctionner dans n'importe quelle orientation. Le liquide est aspiré vers l'évaporateur parcapillarité, semblable à la façon dont une éponge aspire de l'eau lorsqu'un bord est mis en contact avec une piscine d'eau. Cependant, l'élévation maximale défavorable (évaporateur au-dessus du condenseur) est relativement faible, de l'ordre de 25 cm de long pour un caloduc type.
Si toutefois l'évaporateur est situé sous le condenseur, le liquide peut s'écouler par gravité au lieu de nécessiter une mèche, et la distance entre les deux peut être beaucoup plus longue. Un tel caloduc assisté par gravité est connu sous le nom dethermosiphon.[20][21](Voir aussi: tube Perkins, aprèsJacob Perkins.[22]) (Différent d'unthermosiphon, qui transfère la chaleur en monophaséconvection naturelletransfert de chaleur en boucle).
Dans un thermosiphon, le fluide de travail liquide est vaporisé par une chaleur fournie à l'évaporateur au bas du caloduc. La vapeur se dirige vers le condenseur en haut du caloduc, où elle se condense. Le liquide s'écoule ensuite vers le bas du caloduc par gravité et le cycle se répète. Les thermosiphons sont des caloducs à diodes; lorsque la chaleur est appliquée à l'extrémité du condenseur, il n'y a pas de condensat disponible, et donc aucun moyen de former de la vapeur et de transférer la chaleur vers l'évaporateur.
Alors qu'un caloduc terrestre typique mesure moins de 30 cm de long, les thermosiphons mesurent souvent plusieurs mètres de long. Comme indiqué ci-dessous, les thermosiphons utilisés pour refroidir la canalisation de l'Alaska mesuraient environ 11 à 12 m de long. Des thermosiphons encore plus longs ont été proposés pour l'extraction de l'énergie géothermique. Par exemple, Storch et al. a fabriqué un thermosiphon au propane de 53 mm de diamètre intérieur et 92 m de long qui transportait environ 6 kW de chaleur.[23]
Caloduc en boucle [Éditer]
Acaloduc en boucle(LHP) est un dispositif de transfert biphasé passif lié au caloduc. Il peut transporter une puissance plus élevée sur de plus longues distances en ayant un flux de liquide et de vapeur à co-courant, contrairement au flux à contre-courant dans un caloduc.[24][25]Cela permet à la mèche dans un caloduc en boucle d'être requise uniquement dans l'évaporateur et la chambre de compensation.Caloducs à micro boucleont été développés et utilisés avec succès dans une large sphère d'applications tant au sol que dans l'espace.
Transfert de chaleur[Éditer]
Adissipateur de chaleur(aluminium) avec caloducs (cuivre)
Les caloducs utilisentle refroidissement par évaporationpour transférer l'énergie thermique d'un point à un autre par leévaporationetcondensationd'un fluide de travail ou d'un liquide de refroidissement. Les caloducs reposent sur une différence de température entre les extrémités du tuyau et ne peuvent pas abaisser les températures à chaque extrémité en dessous de la température ambiante (par conséquent, ils ont tendance à égaliser la température à l'intérieur du tuyau).
Lorsqu'une extrémité du caloduc est chauffée, le fluide de travail à l'intérieur du tuyau à cette extrémité s'évapore et augmente la pression de vapeur à l'intérieur de la cavité du caloduc. Lechaleur latented'évaporation absorbée par la vaporisation du fluide de travail réduit la température à l'extrémité chaude de la conduite.
La pression de vapeur sur le fluide de travail liquide chaud à l'extrémité chaude du tuyau est supérieure à la pression de vapeur d'équilibre sur le fluide de travail à condensation à l'extrémité la plus froide du tuyau, et cette différence de pression entraîne un transfert de masse rapide vers l'extrémité de condensation où l'excès de vapeur se condense, libère sa chaleur latente et réchauffe l'extrémité froide du tuyau. Les gaz sans condensation (causés par une contamination par exemple) dans la vapeur gênent le flux de gaz et réduisent l'efficacité du caloduc, en particulier à basse température, où les pressions de vapeur sont faibles. La vitesse des molécules dans un gaz est approximativement la vitesse du son, et en l'absence de gaz non condensants (c'est-à-dire s'il n'y a qu'une phase gazeuse présente) c'est la limite supérieure de la vitesse à laquelle elles pourraient se déplacer dans le caloduc. . En pratique, la vitesse de la vapeur à travers le caloduc est limitée par le taux de condensation à l'extrémité froide et bien inférieure à la vitesse moléculaire. [citation requise] Note / explication: Le taux de condensation est très proche du coefficient de collage multiplié par la vitesse moléculaire multipliée par la densité du gaz, si la surface de condensation est très froide. Cependant, si la surface est proche de la température du gaz, l'évaporation provoquée par la température finie de la surface annule largement ce flux de chaleur. Si la différence de température est supérieure à quelques dizaines de degrés, l'évaporation de la surface est généralement négligeable, comme cela peut être évalué à partir des courbes de pression de vapeur. Dans la plupart des cas, avec un transport de chaleur très efficace à travers le gaz, il est très difficile de maintenir des différences de température aussi importantes entre le gaz et la surface de condensation. De plus, ces écarts de température correspondent bien entendu à une grande résistance thermique effective en soi. Le goulot d'étranglement est souvent moins sévère au niveau de la source de chaleur, car les densités de gaz y sont plus élevées, ce qui correspond à des flux de chaleur maximaux plus élevés.
Le fluide de travail condensé retourne ensuite vers l'extrémité chaude du tuyau. Dans le cas de caloducs orientés verticalement, le fluide peut être déplacé par la force de gravité. Dans le cas des caloducs contenant des mèches, le fluide est renvoyé parcapillarité.
Lors de la fabrication de caloducs, il n'est pas nécessaire de créer un vide dans le tuyau. On fait simplement bouillir le fluide de travail dans le caloduc jusqu'à ce que la vapeur résultante ait purgé les gaz sans condensation du tuyau, puis scelle l'extrémité.
Une propriété intéressante des caloducs est la plage de températures sur laquelle ils sont efficaces. Au départ, on peut soupçonner qu'un caloduc à eau ne fonctionne que lorsque l'extrémité chaude atteint le point d'ébullition (100 ° C, 212 ° F, à la pression atmosphérique normale) et que la vapeur est transférée à l'extrémité froide. Cependant, le point d'ébullition de l'eau dépend de la pression absolue à l'intérieur du tuyau. Dans un tuyau évacué, l'eau se vaporise de sonpoint triple(0,01 ° C, 32 ° F) à sapoint critique(374 ° C; 705 ° F), à condition que le caloduc contienne à la fois du liquide et de la vapeur. Ainsi, un caloduc peut fonctionner à des températures d'extrémité chaude aussi basses que légèrement plus chaudes que le point de fusion du fluide de travail, bien que le taux maximal de transfert de chaleur soit faible à des températures inférieures à 25 ° C (77 ° F). De même, un caloduc avec de l'eau comme fluide de travail peut fonctionner bien au-dessus du point d'ébullition atmosphérique (100 ° C, 212 ° F). La température maximale des caloducs à eau à long terme est de 270 ° C (518 ° F), les caloducs fonctionnant jusqu'à 300 ° C (572 ° F) pour les tests à court terme.[26]
La principale raison de l'efficacité des caloducs est l'évaporation et la condensation du fluide de travail. Lechaleur de vaporisationdépasse largement le spécifiquecapacité thermique. En utilisant l'eau comme exemple, l'énergie nécessaire pour évaporer un gramme d'eau est 540 fois la quantité d'énergie nécessaire pour élever la température de ce même gramme d'eau de 1 ° C. Presque toute cette énergie est rapidement transférée au&«froid GG»; se termine lorsque le fluide s'y condense, ce qui en fait un système de transfert de chaleur très efficace sans pièces mobiles. [citation requise]
Développement[Éditer]
Le principe général des caloducs utilisant la gravité, généralement classés comme biphasésthermosiphons, remonte à l'ère de la vapeur etAngier March Perkinset son filsLoftus Perkinset le&«Perkins Tube GG», qui a été largement utilisé dans les chaudières de locomotive et les fours de travail.[27]Les caloducs capillaires ont été proposés pour la première fois par RS Gaugler deGeneral Motorsen 1942, qui a breveté l'idée,[28][29]mais ne l’a pas développé davantage.
George Grover a développé indépendamment des caloducs capillaires àLaboratoire national de Los Alamosen 1963, avec son brevet de cette année[30]étant le premier à utiliser le terme&"caloduc GG", et il est souvent appelé&"l'inventeur du caloduc GG".[31]Il nota dans son carnet:[32]
Un tel système fermé, ne nécessitant pas de pompes externes, peut être d'un intérêt particulier dans les réacteurs spatiaux pour déplacer la chaleur du cœur du réacteur vers un système rayonnant. En l'absence de gravité, les forces ne doivent être que de nature à vaincre le capillaire et la traînée de la vapeur de retour à travers ses canaux.
La suggestion de Grover&a été reprise parNASA, qui a joué un rôle important dans le développement des caloducs dans les années 1960, notamment en ce qui concerne les applications et la fiabilité des vols spatiaux. Cela était compréhensible étant donné le faible poids, le flux de chaleur élevé et la consommation d'énergie nulle des caloducs - et qu'ils ne seraient pas affectés par un fonctionnement dans un environnement à gravité zéro.
La première application des caloducs dans le programme spatial a été l'équilibrage thermique des transpondeurs de satellites. [citation requise]Commeles satellitesorbite, un côté est exposé au rayonnement direct du soleil tandis que le côté opposé est complètement sombre et exposé au froid profond deCosmos. Cela provoque de graves écarts de température (et donc de fiabilité et de précision) des transpondeurs. Le système de refroidissement par caloduc conçu à cet effet a géré les flux de chaleur élevés et a démontré un fonctionnement sans faille avec et sans l'influence de la gravité. Le système de refroidissement développé a été la première utilisation de caloducs à conductance variable pour réguler activement le flux de chaleur ou la température de l'évaporateur.
Utilisation plus large [Éditer]
La NASA a testé des caloducs conçus pour des conditions extrêmes, certains utilisant du sodium métallique liquide comme fluide de travail. D'autres formes de caloducs sont actuellement utilisées pour refroidir les satellites de communication.[33]Publications en 1967 et 1968 par Feldman, Eastman,[34]et Katzoff a d'abord discuté des applications des caloducs pour des utilisations plus larges telles que la climatisation, le refroidissement du moteur et le refroidissement de l'électronique. Ces articles ont également été les premiers à mentionner les caloducs flexibles, artériels et plats. Des publications en 1969 ont introduit le concept du caloduc rotatif avec ses applications au refroidissement des aubes de turbine et contenaient les premières discussions sur les applications des caloducs aux processus cryogéniques.
À partir des années 1980Sonya commencé à incorporer des caloducs dans les systèmes de refroidissement de certains de ses produits électroniques commerciaux à la place des dissipateurs thermiques à convection forcée et passifs à ailettes. Initialement, ils ont été utilisés dans les récepteurs et les amplificateurs, se répandant rapidement dans d'autres applications électroniques à flux thermique élevé.
À la fin des années 90, les processeurs de micro-ordinateur à flux de chaleur de plus en plus élevé ont multiplié par trois le nombre de demandes de brevets aux États-Unis sur les caloducs. Au fur et à mesure que les caloducs évoluaient d'un composant de transfert de chaleur industriel spécialisé à un produit de consommation, la plupart des développements et de la production se sont déplacés des États-Unis vers l'Asie.
Les caloducs des processeurs modernes sont généralement constitués dele cuivreet utilisez de l'eau comme fluide de travail.[35]
Applications[Éditer]
Vaisseau spatial[Éditer]
Les caloducs sur les engins spatiaux utilisent généralement une extrusion d'aluminium rainurée comme enveloppe
VCHP typique en aluminium-ammoniac rainuré pour le contrôle thermique des engins spatiaux, avec la section d'évaporateur sur le fond et le réservoir de gaz non condensable juste en dessous de la vanne[36]
Lecontrôle thermique des engins spatiauxLe système a pour fonction de maintenir tous les composants de l'engin spatial dans leur plage de température acceptable. Ceci est compliqué par ce qui suit:
Conditions externes très variables, telles queéclipses
Élimination de la chaleur du vaisseau spatial parRadiation thermiqueseul
Puissance électrique limitée disponible, favorisant les solutions passives
Longues durées de vie, sans possibilité de maintenance
Certains engins spatiaux sont conçus pour durer 20 ans, il est donc souhaitable de transporter de la chaleur sans énergie électrique ni pièces mobiles. Rejeter la chaleur par rayonnement thermique signifie que de grandes vitres de radiateur (plusieurs mètres carrés) sont nécessaires. Caloducs etcaloducs en bouclesont largement utilisés dans les engins spatiaux, car ils ne nécessitent aucune énergie pour fonctionner, fonctionnent de manière presque isotherme et peuvent transporter de la chaleur sur de longues distances.
Des mèches rainurées sont utilisées dans les caloducs des vaisseaux spatiaux, comme le montre la première photo de cette section. Les caloducs sont formés par extrusion d'aluminium et ont généralement une bride intégrée pour augmenter la zone de transfert de chaleur, ce qui réduit la chute de température. Les mèches rainurées sont utilisées dans les vaisseaux spatiaux, au lieu de l'écran ou des mèches frittées utilisées pour les caloducs terrestres, car les caloducs n'ont pas à fonctionner contre la gravité dans l'espace. Cela permet aux caloducs d'un vaisseau spatial de mesurer plusieurs mètres de long, contrairement à la longueur maximale d'environ 25 cm pour un caloduc fonctionnant sur Terre. L'ammoniac est le fluide de travail le plus courant pour les caloducs des engins spatiaux. L'éthane est utilisé lorsque le caloduc doit fonctionner à des températures inférieures à la température de congélation de l'ammoniac.
La deuxième figure montre un caloduc à conductance variable (VCHP) rainuré en aluminium / ammoniac pour le contrôle thermique des engins spatiaux. Le caloduc est une extrusion d'aluminium, similaire à celle représentée sur la première figure. La zone à bride inférieure est l'évaporateur. Au-dessus de l'évaporateur, la bride est usinée pour permettre le pliage de la section adiabatique. Le condenseur est représenté au-dessus de la section adiabatique. Le réservoir de gaz non condensable (NCG) est situé au-dessus du caloduc principal. La vanne est retirée après avoir rempli et scellé le caloduc. Lorsque des radiateurs électriques sont utilisés sur le réservoir, la température de l'évaporateur peut être contrôlée à ± 2K du point de consigne.
Systèmes informatiques[Éditer]
Les caloducs ont commencé à être utilisés dans les systèmes informatiques à la fin des années 1990,[37]lorsque l'augmentation des besoins en énergie et les augmentations subséquentes des émissions de chaleur ont entraîné une demande accrue de systèmes de refroidissement. Ils sont maintenant largement utilisés dans de nombreux systèmes informatiques modernes, généralement pour éloigner la chaleur de composants tels queCPUetGPUaux dissipateurs thermiques où l'énergie thermique peut être dissipée dans l'environnement.
Solaire thermique[Éditer]
Les caloducs sont également largement utilisés danssolaire thermiqueapplications de chauffage de l'eau en combinaison avec des réseaux de capteurs solaires à tubes sous vide. Dans ces applications, l'eau distillée est couramment utilisée comme fluide de transfert de chaleur à l'intérieur d'une longueur scellée de tube de cuivre qui est situé à l'intérieur d'un tube en verre sous vide et orienté vers le soleil. Dans les tuyaux de raccordement, le transport de chaleur se produit dans la phase vapeur liquide parce que le milieu de transfert thermique est converti en vapeur dans une grande section de la canalisation collectrice.[38]
Dans les applications de chauffage solaire de l'eau thermique, un tube absorbeur individuel d'un collecteur à tube sous vide est jusqu'à 40% plus efficace par rapport à une plaque plate&plus traditionnelle&'; collecteurs d'eau solaires. Ceci est en grande partie dû au vide qui existe dans le tube, qui ralentit la perte de chaleur par convection et conductrice. Les efficacités relatives du système de tubes sous vide sont cependant réduites par rapport aux collecteurs à plaques plates car ces derniers ont une plus grande taille d'ouverture et peuvent absorber plus d'énergie solaire par unité de surface. Cela signifie que même si un tube sous vide individuel a une meilleure isolation (pertes conductrices et convectives plus faibles) en raison du vide créé à l'intérieur du tube, un ensemble de tubes trouvés dans un assemblage solaire terminé absorbe moins d'énergie par unité de surface en raison de la moins grande surface d'absorbeur. zone pointée vers le soleil en raison de la conception arrondie d'un collecteur à tube sous vide. Par conséquent, l'efficacité réelle des deux conceptions est à peu près la même.
Les collecteurs à tubes sous vide réduisent le besoin d'additifs antigel puisque le vide aide à ralentir la perte de chaleur. Cependant, sous une exposition prolongée à des températures de congélation, le fluide caloporteur peut encore geler et des précautions doivent être prises pour s'assurer que le liquide de congélation n'endommage pas le tube sous vide lors de la conception de systèmes pour de tels environnements. Les chauffe-eau solaires thermiques correctement conçus peuvent être protégés contre le gel jusqu'à plus de -3 ° C avec des additifs spéciaux et sont utilisés dansAntarctiquechauffer de l'eau. [citation requise]
Refroidissement du pergélisol [Éditer]
Pipeline de l'Alaskapieds de support refroidis par thermosiphons à caloducpergélisolgelé
Bâtir surpergélisolest difficile parce que la chaleur de la structure peut dégeler le pergélisol. Des caloducs sont utilisés dans certains cas pour éviter les risques de déstabilisation. Par exemple, dans leRéseau de pipelines Trans-Alaskala chaleur résiduelle du sol restant dans le pétrole ainsi que la chaleur produite par le frottement et la turbulence dans le pétrole en mouvement pourraient conduire le long des pattes de support du tuyau&et faire fondre le pergélisol sur lequel les supports sont ancrés. Cela ferait couler le pipeline et pourrait être endommagé. Pour éviter cela, chaque élément de support vertical a été monté avec quatre caloducs verticauxthermosiphons.[39]
La caractéristique importante d'un thermosiphon est qu'il est passif et ne nécessite aucune alimentation externe pour fonctionner. Pendant l'hiver, l'air est plus froid que le sol autour des supports. L'ammoniac liquide au fond du thermosiphon est vaporisé par la chaleur absorbée par le sol, refroidissant le pergélisol environnant et abaissant sa température. Pendant l'été, les thermosiphons cessent de fonctionner, car il n'y a pas d'ammoniac liquide disponible en haut du caloduc, mais le refroidissement extrême pendant l'hiver permet au sol de rester gelé.
Les caloducs sont également utilisés pour maintenir le pergélisol gelé le long de certaines parties duChemin de fer Qinghai-Tibetoù le remblai et la piste absorbent la chaleur du soleil GG. Les caloducs verticaux de chaque côté des formations pertinentes empêchent cette chaleur de se répandre davantage dans le pergélisol environnant.
Selon l'application, il existe plusieurs modèles de thermosiphon:[40]thermosonde,thermopile,thermosiphon en profondeur,fondation en thermosiphon en pente,fondation en thermosiphon à boucle plate,fondation hybride thermosiphon à boucle plate.
Cuisine[Éditer]
Le premier produit de caloduc commercial était le&"Thermal Magic Cooking Pin GG"; développé par Energy Conversion Systems, Inc. et vendu pour la première fois en 1966.[41]Les broches de cuisson utilisaient de l'eau comme fluide de travail. L'enveloppe était en acier inoxydable, avec une couche intérieure de cuivre pour la compatibilité. Pendant le fonctionnement, une extrémité du caloduc est enfoncée dans le rôti. L'autre extrémité se prolonge dans le four où elle attire la chaleur au milieu du rôti. La conductivité efficace élevée du caloduc réduit de moitié le temps de cuisson des gros morceaux de viande.[42]
Le principe a également été appliqué aux réchauds de camping. Le caloduc transfère un grand volume de chaleur à basse température pour permettre la cuisson des produits et d'autres plats dans des situations de type camping.
Récupération de chaleur par ventilation [Éditer]
Dans les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation,HVAC, des caloducs sont positionnés dans les flux d'air d'alimentation et d'évacuation d'un système de traitement d'air ou dans les gaz d'échappement d'un procédé industriel, afin de récupérer l'énergie thermique.
L'appareil se compose d'une batterie de tubes de caloduc à ailettes à plusieurs rangées situées à la fois dans les flux d'air d'alimentation et d'évacuation. À l'intérieur du côté de l'air d'échappement du caloduc, le réfrigérant s'évapore, extrayant la chaleur de l'air d'échappement. La vapeur de réfrigérant se déplace vers l'extrémité la plus froide du tube, du côté de l'air d'alimentation de l'appareil, où elle se condense et libère de la chaleur. Le réfrigérant condensé revient par une combinaison de gravité et d'action capillaire dans la mèche. Ainsi, la chaleur est transférée du courant d'air d'échappement à travers la paroi du tube au réfrigérant, puis du réfrigérant à travers la paroi du tube au courant d'air d'alimentation.
En raison des caractéristiques du dispositif, de meilleurs rendements sont obtenus lorsque l'unité est positionnée à la verticale avec le côté de l'air d'alimentation monté sur le côté de l'air d'échappement, ce qui permet au réfrigérant liquide de refluer rapidement vers l'évaporateur grâce à la force de gravité. En général, les fabricants revendiquent des efficacités brutes de transfert de chaleur allant jusqu'à 75%. [citation requise]
Conversion d'énergie nucléaire [Éditer]
Grover et ses collègues travaillaient sur des systèmes de refroidissement pourcellules d'énergie nucléairepourvaisseau spatial, où des conditions thermiques extrêmes sont rencontrées. Ces caloducs en métal alcalin ont transféré la chaleur de la source de chaleur à unthermioniqueouconvertisseur thermoélectriquepour produire de l'électricité.
Depuis le début des années 1990, de nombreux systèmes de puissance des réacteurs nucléaires ont été proposés utilisant des caloducs pour transporter la chaleur entre le cœur du réacteur et le système de conversion de puissance.[43]Le premier réacteur nucléaire à produire de l'électricité à l'aide de caloducs a été mis en service pour la première fois le 13 septembre 2012 lors d'une démonstration utilisant la fission flattop.[44]
Moteurs à combustion rotatifs Wankel [Éditer]
L'allumage du mélange de carburant a toujours lieu dans la même partie deMoteurs Wankel, induisant des disparités de dilatation thermique qui réduisent la puissance de sortie, nuisent à l'économie de carburant et accélèrent l'usure. Le document SAE 2014-01-2160, par Wei Wu et al., Décrit:' A Heat Pipe Assisted Air-Cooled Rotary Wankel Engine for Improved Durability, Power and Efficiency', ils ont obtenu une réduction du moteur supérieur température de 231 ° C à 129 ° C, et la différence de température réduite de 159 ° C à 18 ° C pour une petite chambre refroidie par airDronemoteur.
Limites[Éditer]
Les caloducs doivent être adaptés à des conditions de refroidissement particulières. Le choix du matériau du tuyau, la taille et le liquide de refroidissement ont tous un effet sur les températures optimales auxquelles les caloducs fonctionnent.
Lorsqu'il est utilisé en dehors de sa plage de chaleur de conception, le caloduc GGconductivité thermiqueest effectivement réduit auconduction thermiquepropriétés de son boîtier métallique solide seul - dans le cas d'unle cuivreboîtier, environ 1/80 du flux d'origine. En effet, en dessous de la plage de température prévue, le fluide de travail ne subira pas de changement de phase; et au-dessus, tout le fluide de travail dans le caloduc se vaporise et le processus de condensation s'arrête.
La plupart des fabricants ne peuvent pas fabriquer un caloduc traditionnel d'un diamètre inférieur à 3 mm en raison des limites du matériau.
Voir également[Éditer]
Thermosiphon, un mécanisme similaire dans lequel l'énergie thermique est transférée par un fluideflottabilitéplutôt que par évaporation et condensation.
Les références[Éditer]
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