Compte tenu des avantages du PHP, d´ej`a ´evoqu´es, caract´eris´es essentiellement par l’absence de structure capillaire `a l’int´erieur du tube, sa d´efinition dans le cadre de cette ´etude, et son bon fonctionnement, d´ependent principalement de quatre crit`eres (les autres, longueurs, nombre de boucles, ´etant fix´es par la g´eom´etrie du stator) :
– Le mat´eriau
– Le fluide caloporteur – Le bouclage
Figure 4.6 – Vue des pi`eces constituant (a) la zone ´evaporateur (b) la zone condenseur (c) la boˆıte `a eau, le manchon chauffant et le syst`eme de serrage (de gauche `a droite)
Ces quatre param`etres sont ´evidemment li´es, dans la mesure o`u le diam`etre optimal du capillaire d´epend de la nature du fluide employ´e, et que le choix de ce dernier est ´egalement conditionn´e, entre autres, par le mat´eriau utilis´e pour l’enceinte. Il convient donc d’effectuer des choix suivant une certaine logique. Tout d’abord, pour garder une certaine coh´erence quant aux mat´eriaux constituant l’ensemble du syst`eme, le choix du mat´eriau constituant le tube s’est naturellement tourn´e vers un alliage d’aluminium de type AM1 (dont la conductivit´e thermique vaut λAl = 180 W m−1K−1). En plus de limiter les pertes thermiques li´ees aux r´esistances de contact entre le PHP et l’enveloppe de la machine, il pr´esente en outre une masse volumique et un coˆut moindre qu’un mat´eriau tel que le cuivre (couramment utilis´e pour les caloducs oscillants), arguments non n´egligeables dans l’optique d’applications industrielles.
4.4.1 Choix du fluide caloporteur
Une ´etape primordiale, car inh´erente au bon fonctionnement d’un PHP, concerne en-suite le choix du fluide de travail, ou fluide caloporteur. Il s’appuie sur diff´erents pa-ram`etres tels que la compatibilit´e chimique avec l’enceinte, aluminium en l’occurrence, de
bonnes performances thermiques et hydrauliques (chaleur sp´ecifique ´elev´ee, faible visco-sit´e, ...) dans le domaine de temp´eratures consid´er´e, ou encore les risques li´es `a l’utilisation de certains fluides dans un contexte donn´e et menant `a des restrictions. Nous ´enum´erons, dans le tableau 4.2, quelques fluides fr´equemment utilis´es dans diverses applications.
Fluides Plage de temp´eratures (˚C) Compatibilit´e Al Ac´etone 0 - 120 Excellente
Eau 30 - 200 Mauvaise M´ethanol 10 - 130 Moyenne Ethanol 0 - 130 Moyenne N-Pentane -20 - 120 Bonne
Amoniac -60 - 100 Excellente
Table 4.2 – Sp´ecifications d’utilisation de certains fluides dans un PHP Aluminium [43] Compte tenu des plages de temp´eratures (tableau 4.1) rencontr´ees dans cette applica-tion, et de leurs propri´et´es thermophysiques, tous les fluides ´evoqu´es ci-dessus sont suscep-tibles de r´epondre aux contraintes de fonctionnement d’un syst`eme diphasique de ce type. N´eanmoins, pour les raisons cit´ees plus haut, certains candidats ne peuvent ˆetre retenus. L’eau, pour commencer, sous l’effet de r´eactions d’oxydor´eduction au contact de l’alumi-nium, g´en`ere rapidement des gaz incondensables, d´et´eriorant de fait les performances du caloduc. Le m´ethanol et l’´ethanol sont ´egalement susceptibles de cr´eer des gaz inconden-sables au contact de la paroi, mais sur des ´echelles de temps plus importantes. N´eanmoins, ces effets n’´etant pas r´eellement quantifi´es dans la litt´erature, on pourra malgr´e tout ef-fectuer des essais `a l’´ethanol, pour ses propri´et´es int´eressantes et sa facilit´e d’utilisation. Ceci ´etant, les fluides les plus int´eressants, en terme de performances et de compatibilit´e fluide/mat´eriau semblent ˆetre l’ac´etone, le N-pentane et l’ammoniac. Ce dernier pr´esente cependant des inconv´enients r´edhibitoires pour des applications terrestres, automobiles en particulier, d’un point de vue environnemental et s´ecuritaire notamment. Il ne sera donc pas retenu, au mˆeme titre que le m´ethanol soumis ´egalement `a de fortes restrictions dans le secteur de l’automobile. Finalement, nous retiendrons l’emploi de trois fluides pour les campagnes d’essais :
– Ethanol – Ac´etone – N-Pentane
4.4.2 D´etermination du diam`etre interne
Dans le processus de d´efinition d’un PHP, le choix du diam`etre interne repr´esente un crit`ere essentiel. Il s’agit en effet d’utiliser des canaux suffisamment petits pour rester `a des dimensions capillaires, de sorte qu’au repos, la r´epartition bulles/bouchons liquides s’op`ere d’elle-mˆeme sur l’ensemble du tube. Cette condition d´epend de l’´equilibre entre les
forces de tension de surface et de gravit´e. Pour assurer cet ´equilibre, ainsi que le m´ecanisme de pompage caract´eris´e, pour le PHP en fonctionnement, par l’entraˆınement des bouchons liquides sous l’effet des actions d’´evaporation et de condensation successives, il existe une valeur maximale du diam`etre interne du tube, ´equivalent `a une valeur critique du nombre de Bond, comme nous l’avons vu dans la partie pr´ec´edente. Cette valeur, d´ependant en outre des propri´et´es thermo-physiques du fluide consid´er´e (tension de surface σ, masses volumiques liquide et vapeur, ρl et ρv), est d´etermin´ee dans le cas pr´esent par :
Dcrit= 2 r
σ
g(ρl− ρv) (4.1) La figure 4.7 illustre la variation de ce diam`etre critique en fonction de la temp´erature pour quelques fluides caloporteurs usuels, dont l’ac´etone, l’´ethanol et le N-Pentane. Afin d’assurer le fonctionnement du caloduc oscillant sur une plage de temp´erature suffisam-ment large, nous retiendrons les valeurs du diam`etre critique pour une temp´erature de 100˚C :
Fluides Ac´etone Ethanol N-Pentane Diam`etre critique `a 100˚C (mm) 2,83 2,98 2,44 Table 4.3 – Diam`etres critiques `a 100˚C des fluides caloporteurs utilis´es
Figure 4.7 – Variation du diam`etre critique de quelques fluides usuels en fonction de la temp´erature
Ces travaux n’ont pas pour objectif de tester diff´erents profils de PHP. Tous les essais ´
etant r´ealis´es sur un seul et mˆeme tube (moyennant la variation d’autres param`etres), il est donc n´ecessaire de fabriquer un syst`eme susceptible de fonctionner quel que soit le fluide ou la temp´erature. Pour que les forces capillaires demeurent pr´edominantes dans n’importe quelle configuration, nous choisissons d’utiliser un tube dont le diam`etre interne reste inf´erieur aux diam`etres critiques de tous les fluides employ´es `a la temp´erature de 100˚C.
Il est n´eanmoins n´ecessaire de ne pas faire le choix d’un diam`etre trop petit par rap-port au diam`etre critique, qui aurait pour cons´equence de d´et´eriorer les performances du PHP, comme l’indique la litt´erature [33] (voir chapitre pr´ec´edent). Compte tenu de cette derni`ere remarque, et des valeurs indiqu´ees au tableau 4.3, le choix s’est port´e sur un tube de diam`etre interne Dint = 2, 4 mm. Pour limiter les r´esistances thermiques et faciliter la mise en œuvre du tube, sans compromettre sa solidit´e par une ´epaisseur trop faible, la dimension standard de 1/8 de pouce, soit 3,2 mm pour le diam`etre externe a ´et´e choisie.
4.4.3 Assemblage final
L’ensemble de ces crit`eres, r´esum´e dans le tableau 4.4, permet la fabrication et la mise en œuvre d’un tube aux dimensions souhait´ees, dont le r´esultat final est pr´esent´e figure 4.8, avant fixation au syst`eme. La principale difficult´e li´ee au cintrage du tube, pourtant facilit´e par sa mall´eabilit´e, r´eside dans sa fragilit´e. Les multiples coudes constituant le PHP ne doivent en effet pas pr´esenter de zone d’aplatissement, engendrant une modi-fication de la section interne qui pourrait d´et´eriorer le fonctionnement du caloduc. On notera la pr´esence de deux vannes (type Swagelock ), une `R a chaque extr´emit´e du tube, l’une servant lors des proc´edures de remplissage et de mise au vide, l’autre servant `a la fermeture du syst`eme, c’est `a dire `a l’isoler vis-`a-vis de l’environnement, ou `a la mise en place d’un capteur de pression absolue.
Di (mm) De (mm) Ltotale (m) Mat´eriau Nombre de branches 2,4 3,2 ∼ 4,8 Alliage aluminium AM1 24
Table 4.4 – Caract´eristiques principales du PHP
Finalement, apr`es assemblage et soudage des pi`eces d´ecrites dans la partie pr´ec´edente, le PHP peut ˆetre int´egr´e `a l’ensemble. L’assemblage final, avant fixation au bˆati et ins-trumentation, est pr´esent´e figure 4.9.
Figure 4.8 – Vue d’ensemble du PHP seul apr`es cintrage