Conclusion

La technologie ainsi fix´ee pour ce projet, de nombreuses questions s’ouvrent mainte-nant, concernant les choix de mat´eriaux, dispositions du PHP, source froide, etc... Une ´etude relative `a ces diff´erents choix a ´et´e r´ealis´ee. Nous rappellerons succinctement quels

ont ´et´e ces choix et leurs raisons, avant de pr´esenter le prototype ´emanant de ces conclu-sions, ainsi que les diff´erentes ´etapes de sa r´ealisation. Ce prototype, comme nous le verrons, sera l’´el´ement central du banc exp´erimental qui permettra de r´ealiser les investi-gations, visant `a mesurer l’efficacit´e de ce nouveau syst`eme de refroidissement.

Dans le meilleur des cas, une ´etude exp´erimentale doit ˆetre accompagn´ee et ´etay´ee par une analyse th´eorique et un d´eveloppement num´erique appropri´e. Ce mod`ele num´erique peut ainsi relayer les mesures d´elicates `a envisager et ´egalement permettre d’appr´ecier le rˆole de chacun des ph´enom`enes mis en jeu pour le fonctionnement d’un tel disposi-tif. N´eanmoins, dans le cas pr´esent, les connaissances actuelles ne permettent pas une mod´elisation globale fiable du comportement thermohydraulique d’un caloduc oscillant. Les diff´erents aspects de mod´elisation, d´evelopp´es dans ce m´emoire, s’inscriront donc dans les d´emarches actuelles de recherche, visant cet objectif. Il s’agira d’une ´etude locale d’un des ph´enom`enes inh´erents au fonctionnement du PHP, en l’occurence, la dynamique du film liquide dans un ´ecoulement capillaire.

Avant toutes choses, il paraˆıt int´eressant de disposer d’une vue chronologique des diff´erentes ´etapes qui ont jalonn´e l’histoire du d´eveloppement des caloducs et des syst`emes diphasiques en g´en´eral, jusqu’`a l’av`enement plus r´ecent du caloduc oscillant. C’est l’objet du chapitre qui suit.

Etude bibliographique : histoire

d’une nouvelle technologie

2.1 Rappels historiques : du tube de Perkins au

ca-loduc

On attribue g´en´eralement l’invention du caloduc `a la famille Perkins, ing´enieurs du 19`eme si`ecle jusqu’au d´ebut du 20`eme si`ecle. Tr`es loin des exigences industrielles et des contraintes techniques de notre ´epoque, ils ont, `a travers une s´erie de brevets, pos´e les premi`eres pierres de l’´edifice en imaginant ce qui constitue aujourd’hui l’ancˆetre du ca-loduc. Le - ou plutˆot les - tubes de Perkins, bien que relativement ´eloign´es de sa forme actuelle, sont incontournables lorsque l’on ´evoque l’histoire du caloduc. Ces tubes, dont un exemple issu d’un brevet datant de 1838 [4] est illustr´e sur la figure 2.1, sont lisses, d´epourvus de toute structure capillaire. Leur enceinte contient un fluide (g´en´eralement de l’eau) sous pression, `a l’´etat monophasique. La version du tube de Perkins la plus proche du caloduc actuel fut brevet´ee par Jacob Perkins en 1936. Le syst`eme, constitu´e d’un tube herm´etique, contient une petite quantit´e d’eau circulant sous forme diphasique. L’´ecoulement est assist´e par la gravit´e. On parle alors de thermosiphon.

Outre ces quelques pr´emices, la premi`ere v´eritable utilisation du principe du caloduc est associ´ee `a Gaugler (1944) [5]. Ing´enieur am´ericain chez General Motors Corpora-tion, et travaillant sur des syst`emes de r´efrig´eration, il imagina un syst`eme dans lequel l’´evaporation du liquide qu’il contient se situerait au-dessus du niveau o`u se produit la condensation. Le liquide devait donc ˆetre en mesure de se d´eplacer `a un point plus ´elev´e, sans avoir recours `a une force ext´erieure ou un travail additionnel. Pour se faire, Gaugler sugg´era d’utiliser une structure capillaire, constitu´ee de fibres de m´etal tress´ees, permet-tant au liquide de se d´eplacer vers la partie sup´erieure du syst`eme par pompage capillaire. Il proposa par ailleurs plusieurs g´eom´etries comme l’illustre la figure 2.2. Bien que cette id´ee n’ait pas ´et´e retenue pour ce probl`eme de r´efrig´eration, le concept du caloduc fˆut donc propos´e pour la premi`ere fois dans le cadre d’une application industrielle. Le brevet, n´e de cette id´ee [5], fˆut publi´e le 6 juin 1944. Il est amusant de remarquer la co¨ıncidence de cette date, quand on connaˆıt l’impact qu’a eu la guerre froide sur le d´eveloppement de l’industrie a´eronautique et a´erospatiale, dans les ann´ees 60 en particulier, entraˆınant dans son sillage l’essor de nombreuses technologies, parmi lesquelles le caloduc.

Figure 2.2 – Structures capillaires imagin´ees par Gaugler [5].

C’est donc dans le cadre du programme spatial am´ericain que ressurgit l’id´ee du calo-duc, au laboratoire de Los Alamos. Grover (1963) et son ´equipe y r´einvent`erent le caloduc en d´ecrivant un syst`eme quasiment identique `a celui de Gaugler quelques ann´ees plus tˆot, utilisant pour la premi`ere fois l’appellationheat pipe(traduction anglaise de caloduc), pour d´esigner une structure ´equivalente `a un mat´eriau ayant une conductivit´e thermique exc´edant tr`es nettement celle de tout autre m´etal connu [6]. Le terme caloduc, du latin calore (pour chaleur) et ductus (pour l’action de transporter, conduire), ainsi que sa d´efinition, furent donc introduits `a cette ´epoque. Sa capacit´e `a fonctionner seul dans des conditions de microgravit´e, grˆace `a son pouvoir de pompage ca-pillaire, fit de ce syst`eme diphasique un ´el´ement incontournable dans l’industrie spatiale. Grover r´ealisa par la suite plusieurs prototypes utilisant d’abord de l’eau comme fluide de

travail, puis du sodium, de l’argent et du lithium, permettant d’op´erer `a des temp´eratures tr`es ´elev´ees (environ 1000˚C). Ces travaux, montrant l’efficacit´e incontestable de ces nou-veaux syst`emes, furent essentiellement exp´erimentaux, l’analyse th´eorique ´etant alors tr`es limit´ee. La premi`ere r´eelle analyse pouss´ee du caloduc, permettant de mieux appr´ehender son fonctionnement, son efficacit´e et son dimensionnement, fut r´ealis´ee en 1965 par Cot-ter [7]. D`es lors, les travaux de recherche sur le caloduc commenc`erent dans le monde entier. Des organisations commerciales commenc`erent `a voir le jour `a partir de 1964 (RCA, Thermo-Electron, Noren Products), r´ealisant une large vari´et´e de caloducs en verre, cuivre, nickel, acier inoxydable, et utilisant des fluides de travail tels que l’eau, le cesium, le sodium, le lithium et le bismuth. Leurs travaux exp´erimentaux ont par ailleurs permis d’atteindre des temp´eratures de fonctionnement de 1650˚C.

Parall`element `a l’industrie spatiale, les applications terrestres employant des caloducs se sont particuli`erement d´evelopp´ees dans les ann´ees 70, `a cause notamment de l’augmen-tation du coˆut de l’´energie `a cette ´epoque, particuli`erement en Europe et au Japon [8]. La cons´equence directe fˆut la multiplication significative des publications de travaux de recherches, fondamentales et appliqu´ees, et la tenue r´eguli`ere de conf´erences enti`erement d´evolues au caloduc, en particulier l’IHPC (International Heat Pipe Conference), depuis 1973 `a Stuttgart, o`u tous les th`emes gravitant autour du caloduc et des syst`emes dipha-siques en g´en´eral sont abord´es. Car si cette technologie reste bas´ee sur le fonctionnement propos´e initialement par Gaugler, elle n’en a pas moins consid´erablement ´evolu´e, donnant naissance `a de nouveaux syst`emes diphasiques particuli`erement int´eressants d’un point de vue industriel. Par ailleurs, la miniaturisation des ´equipements `a refroidir (dans le do-maine de l’´electronique notamment), et l’augmentation des densit´es de flux thermique `a transf´erer, ont particuli`erement contribu´e `a l’´emergence de ces nouveaux dispositifs, des-tin´es `a pallier certaines limitations impos´ees par l’emploi des caloducs capillaires conven-tionnels. Parmi eux, nous pouvons citer la boucle diphasique ou le microcaloduc.

2.1.1 La boucle diphasique `a pompage capillaire LHP et CPL

L’int´erˆet de cette technologie r´eside sur l’id´ee de s´eparation des phases liquide et va-peur dans le parcours du fluide entre l’´evaporateur et le condenseur. Cela permet de supprimer les interactions `a l’interface liquide-vapeur en zone adiabatique, et de g´erer de fa¸con ind´ependante les pertes de charge apport´ees par chaque phase lors du dimensionne-ment. La structure capillaire n’est pr´esente que dans l’´evaporateur. Le reste de la boucle est constitu´e de canalisations lisses, ce qui r´eduit consid´erablement les pertes de charge occasionn´ees par l’´ecoulement de la vapeur et du liquide.

Les boucles diphasiques prennent leur origine vers la fin des ann´ees 60 aux USA, et au d´ebut des ann´ees 70 en URSS, sous la demande de l’industrie a´erospatiale. D’abord, Sten-ger (USA) exp´erimente un nouveau syst`eme diphasique passif, ayant pour particularit´e de s´eparer les phases vapeur et liquide. Il a ´et´e suivi par les russes Gerasimov et Maidanik [9], qui ont effectu´e un premier essai utilisant de l’eau comme fluide caloporteur, qui a permis de transf´erer 1,2 kW sur une distance de 1,2 m. Ce nouveau dispositif pr´esente l’avantage

de pouvoir ´evacuer de fortes puissances thermiques sur de longues distances. Il faut men-tionner ´egalement la capacit´e capillaire importante qu’offre ces nouveaux syst`emes. En effet, un milieu poreux log´e `a l’´evaporateur peut ˆetre ´elabor´e de mani`ere plus sophistiqu´ee et contribuer ainsi `a un pouvoir moteurembarqu´e efficace.

Il existe deux types principaux de boucles diphasiques (figure 2.3) : La LHP (Loop Heat Pipe), d’origine russe, et la CPL (Capillary Pumped Loop), d’origine am´ericaine. La diff´erence essentielle entre ces deux technologies r´eside dans le fait que, pour la CPL, le r´eservoir n’est pas directement int´egr´e dans la zone ´evaporateur, et est r´egul´e ind´ependamment thermiquement. Parmi les domaines d’application des boucles dipha-siques, nous pouvons citer : l’industrie spatiale, l’´electronique de puissance `a haute den-sit´e de flux (pour le ferroviaire en particulier), et potentiellement le refroidissement de moteurs, le domaine m´edical, le textile, etc...

Figure 2.3 – Sch´ema de principe d’une boucle diphasique type LHP (`a gauche) et CPL (`a droite) [10]

2.1.2 Le microcaloduc

La miniaturisation des composants ´electroniques et les contraintes thermiques qu’ils imposent ont men´e `a l’introduction du concept de microcaloducs par Cotter en 1984 [11]. Il s’agit de canaux de quelques centaines, voire quelques dizaines de microns, d´epourvus de structure capillaire, et comportant des coins et angles aigus responsables de la g´en´eration des pressions capillaires requises et servant d’art`eres liquides (figure 2.4). Les microcalo-ducs sont en mesure de transf´erer des densit´es de flux de chaleur allant de 1 `a 5 W.cm-2. Grˆace `a leur petite taille, ils permettent d’´eliminer les points chauds et sont notamment utilis´es dans des applications telles que le refroidissement de sources de chaleur tr`es lo-calis´ees. Cette nouvelle technologie permet en outre de pallier certaines limitations des caloducs conventionnels, li´ees notamment `a leur structure capillaire et aux caract´eristiques des ´ecoulements liquide-vapeur qui r´egissent leur fonctionnement.

Bien que tous ces syst`emes diphasiques (caloducs conventionnels, boucles diphasiques, microcaloducs, et d’autres encore) pr´esentent des avantages et inconv´enients, selon

l’appli-cation consid´er´ee, les besoins en terme de contrˆole thermique et les distances de transports envisag´ees, ils r´epondent `a de nombreuses probl´ematiques industrielles de gestion ther-mique. Pour autant, ils ne correspondent pas `a l’application envisag´ee dans le cadre de cette th`ese ; nous allons en effet nous pencher sur une autre vari´et´e de syst`eme diphasique, le caloduc oscillant, depuis son apparition jusqu’`a aujourd’hui.

Figure 2.4 – Diff´erentes g´eom´etries de microcaloducs [12]