Diphasique - Caloduc

La maîtrise de l'échauffement des composants électroniques est un enjeu majeur de la performance des convertisseurs de puissance et des calculateurs. La performance des composants électroniques est en constante amélioration, entraînant des puissances de dissipation de plus en plus denses et importantes.

Parmi les systèmes de dissipation classiques, le caloduc tient une place particulière de par son caractère passif. Brevetée en 1942, la technologie caloduc sera largement utilisée dans les années 60 pour des applications spatiales, avant de se diffuser dans l'industrie notamment électronique.

Principe général

Un caloduc est constitué d'une enceinte hermétiquement close, d'un fluide de travail et d'un réseau capillaire. Lors de la fabrication , tout l'air présent dans le tube caloduc est évacué et on introduit une quantité de liquide permettant de saturer le réseau capillaire. Il y a alors établissement d'un équilibre entre la phase liquide et la phase vapeur.

Sous l'effet d'une source chaude appliquée à l'une des extrémités (nommée évaporateur), le liquide se vaporise en induisant une légère surpression qui provoque le mouvement de la vapeur vers la seconde extrémité (nommée condenseur). En ce point la vapeur se condense et repasse en phase liquide. Le fluide condensé circule dans le réseau capillaire et revient vers l'évaporateur sous l'effet de forces gravitaires (thermosiphon) ou capillaires (caloducs). Ce cycle peut se poursuivre indéfiniment, de manière autonome et sans maintenance.

Lors de la phase d'évaporation, le fluide absorbe de l'énergie qu'il restitue lors de la phase de condensation. Il y a donc, au global, un transfert thermique entre deux points avec un très faible écart de température. La zone située entre l'évaporateur et le condenseur est adiabatique, celle-ci peut mesurer plusieurs mètres, ce qui permet de transporter de la chaleur sur de grandes distances.

A section équivalente, la conduction thermique d'un caloduc est 1000 fois supérieur à celle d'un barreau de cuivre.

La position et la taille des sources chaudes et froides peuvent être variables. Il peut y avoir plusieurs sources chaudes et plusieurs sources froides. Par contre, les caractéristiques précises de ces sources ont un impact direct sur les performances de tube caloduc.

Le caloduc n'est qu'un moyen de transport de l'énergie. Si on veut dissiper la puissance vers de l'air, il est nécessaire de rajouter des ailettes (afin d'augmenter la surface d'échange). De même à l'évaporateur, il y a souvent une interface à intégrer pour le montage de la source chaude. Toutes ces interfaces doivent être correctement gérées afin d'avoir un système performant.

Caractéristiques générales

Couples Enveloppe/Fluide utilisés classiquement et plages de températures associées:

Cuivre / Eau: [+5°C ;+250°C] - Solution classique en électronique
Cuivre / Ethanol: [-45°C ;+130°C] - Application démarrage grand froid
Aluminium / Ammoniac: [-60°C ;+70°C]
Inox / Ammoniac: [-60°C ;+70°C]

Technologie

Caloduc gravitaire ou Thermosiphon: Tube fonctionnant avec l'aide de la gravité, ils nécessitent que la source chaude soit située plus bas que la source froide, avec une inclinaison minimum de 3° par rapport à l'horizontale.
Caloduc avec structure poreuse: Tube fonctionnant par pompage capillaire. Une inclinaison négative par rapport à l'horizontale peut être tolérée (source chaude plus haute que la source froide).

Puissances

De 5W à 1000W par tube caloduc

Résistance thermique et delta T°

Dépend du point de fonctionnement

Dimensions

Diamètre: 3mm à 16mm
Longueur: 50mm à 5000mm

Applications

Type de refroidisseur mis en œuvre:

Surface / Air ou Air / Surface
Surface / Surface
Air / Air
Spreader

Cas des boucles diphasiques (CPL)

Les boucles à pompage capillaire (CPL: Capillary Pumped Loop), reprennent le principe du caloduc mais en découplant la partie liquide et vapeur dans un circuit bouclé.

La boucle diphasique est constituée d'une zone évaporateur intégrant un réseau capillaire et d'une zone condenseur. La flux de chaleur sur l'évaporateur entraîne une augmentation de la pression capillaire qui pousse le fluide caloporteur à circuler dans la boucle.

Les CPL sont beaucoup utilisées dans le domaine spatial notamment pour leurs caractéristiques peu dépendantes de la gravité et des accélérations.

Elles présentent cependant des phénomènes transitoires à l'allumage et à l'extinction qui les rendent difficile à mettre au point.