Caloduc

Définition

Un caloduc est un dispositif de transfert thermique dans lequel un fluide caloporteur prélève de la chaleur dans une zone chaude en passant de l'état liquide à l'état gazeux, puis le transporte vers une zone froide où le retour à l'état liquide permet de la restituer. Les caloducs sont hermétiques et autonomes.

Un schéma de caloduc capillaire :

Description du caloduc : source de chaleur, échappement de chaleur, évaporateur, section adiabatique, structure à mèche, condenseur, boîtier. Lorsque le condenseur est plus chaud que l'évaporateur, le liquide de refroidissement dans le caloduc se condense dans un réservoir situé à l'extrémité de l'évaporateur.

Explications

Les caloducs se caractérisent par leur capacité à transférer rapidement de grandes quantités de chaleur, même entre une différence de température relativement faible, ne nécessitant pas de source d'alimentation, et ayant une longue durée de vie. De plus, comme ils peuvent transférer la chaleur des sources de chaleur situées là où il est difficile de la dissiper, leur utilisation est de plus en plus utilisée dans les stratégies de gestion de la chaleur des appareils électroniques dont la taille et la densité augmentent continuellement.

✅ Un caloduc est un conducteur thermique extrêmement efficace. Il peut transférer de grandes quantités de chaleur sur une longue distance, essentiellement à température constante. Il s'agit généralement d'un tube scellé en cuivre ou en aluminium contenant une structure de mèche sur sa surface intérieure et une petite quantité de fluide de travail à son état de saturation. Le fluide absorbe la chaleur et se vaporise aux points chauds et se condense et libère de la chaleur aux points froids. Au fur et à mesure du processus, la chaleur est transférée des points chauds vers les points froids.

Parce qu'un caloduc ne comporte aucune pièce mobile, il s'agit d'un appareil très fiable avec une durée de vie démontrée de plus de 20 ans. La fiabilité dépend du procédé de fabrication et de la pureté des matériaux.

Les caloducs sont des composants de dissipation de chaleur capables de transférer la chaleur d'un endroit à un autre relativement rapidement en utilisant le phénomène d'énergie thermique (chaleur latente) absorbée lorsqu'un liquide change d'état en gaz et libérée lorsqu'un gaz change d'état en gaz. un liquide. Avec un liquide (appelé fluide de travail) enfermé à l'intérieur d'un tuyau métallique permettant un fonctionnement sans utilisation d'énergie externe, les caloducs possèdent une longue durée de vie.

En général, lorsque la différence de température entre les emplacements source et destination de transmission est faible, les composants et dispositifs de dissipation thermique ne sont pas très efficaces, mais les caloducs peuvent fonctionner relativement bien même dans de telles circonstances. Leur conductivité thermique (facilité de transfert de chaleur) peut être jusqu'à un ordre de grandeur supérieure à celle du cuivre ou de l'argent, déjà connus pour leur conductivité thermique élevée, et peut même dépasser celle du diamant, qui possède la conductivité thermique la plus élevée de tous les matériaux.

Structure et mécanismes

Les caloducs sont constitués de tuyaux métalliques en cuivre, en aluminium ou d'autres métaux à haute conductivité thermique, scellés à l'intérieur desquels se trouve une petite quantité de liquide appelé fluide de travail (par exemple, de l'eau pure) et une structure capillaire (mèche). Un vide est créé à l'intérieur afin de sceller le fluide de travail et sa vapeur, et de faciliter le processus de vaporisation et de condensation.

Des caloducs pour système informatique :

Exemple de caloducs intégrés dans un système informatique (carte mère d'ordiinateur).

Lorsqu'une extrémité du caloduc est située pour être en contact avec une source de chaleur, son fluide de travail s'évapore, absorbant ainsi la chaleur latente, et la vapeur résultante se déplace vers une section du tuyau à température plus basse. Le fluide de travail dans la zone à température relativement basse se condense, libérant de la chaleur et retourne sous forme liquide. Il s'agit du mécanisme par lequel la chaleur est transportée (c'est-à-dire transférée) d'une zone à haute température vers une zone à basse température.

Ce fluide de travail (caloporteur) qui s'est condensé sous forme liquide retourne à la source de chaleur à travers la mèche par capillarité. Ce cycle de vaporisation, liquéfaction et transfert du fluide de travail survient très rapidement et de manière continue. Le système ne nécessite ni alimentation ni entretien, n'entraîne aucun coût d'exploitation et peut fonctionner pendant de longues périodes.

Types de caloducs

Les caloducs ont généralement été construits sous la forme de cylindres (tubes) longs et minces d'une certaine taille, mais comme la tendance récente des appareils électroniques est de devenir de plus en plus petits, plus fins et plus légers, nous voyons de plus en plus de cas de caloducs. qui sont produits avec des formes compactes et fines (aplaties comme un tuyau écrasé).

En général, les facteurs qui contribuent avantageusement à la capacité de transporter la chaleur sont un tuyau de grand diamètre, plus rond qu'aplati, et déplié plutôt que plié, mais plus le tuyau est grand, plus il prend de place et plus il est lourd. Il est sage de choisir le produit le plus optimal en fonction de considérations telles que la chaleur générée par la source de chaleur et l'application spécifique.

Voici quelques variantes de caloducs :

• Variations du fluide caloporteur :
  • Eau (eau pure) : fluide caloporteur de travail le plus couramment utilisé dans les caloducs utilisés pour les appareils électroniques. Plage de température de fonctionnement : température ambiante jusqu'à environ 200 ℃ (ne peut pas être utilisé dans des environnements où les températures atteignent 0 ℃ ou moins).
  • éthanol : peut être utilisé à des températures qui gèlerait l'eau. Plage de température de fonctionnement : environ -10 ℃ jusqu'à plus de 100 ℃.
  • Naphtalène : peut être utilisé (uniquement) à des températures élevées où l'eau ne peut pas être utilisée. Plage de température de fonctionnement : environ 200 ℃ à 400 ℃.
• Variations des matériaux de tuyaux :
  • Tuyau en cuivre : le tuyau en cuivre est facilement plié et aplati au cours du processus de fabrication. Des produits dans une grande variété de tailles sont facilement disponibles.
  • Tuyau en aluminium : léger car l'aluminium lui-même est plus léger que le cuivre. Encore plus facile à traiter dans la fabrication que le cuivre.
  • Tuyau en acier inoxydable : peut être utilisé avec du fluide de travail naphtalène. Légèrement difficile à traiter lors de la fabrication car il est plus lourd que le cuivre et l'aluminium.

Comme alternative, des chambres à vapeur en forme de feuille sont désormais disponibles et ont un profil encore plus fin que les caloducs. Contrairement aux caloducs qui transfèrent simplement la chaleur entre deux zones de manière "linéaire", les chambres à vapeur ajoutent la possibilité de diffuser la chaleur aux zones environnantes de manière "planaire".

De plus, lors de l'utilisation de caloducs, la source de chaleur est généralement placée dans un emplacement physiquement plus bas que le dissipateur thermique (composant de dissipation thermique), sinon le système ne fonctionne pas efficacement alors que les chambres à vapeur n'ont pas de telles contraintes.

Mèches et épaisseur

Trois types différents de structures de mèche sont les plus couramment exploitées : mèche frittée, la mèche à micro-rainures et la mèche composée. La mèche frittée permet un flux thermique élevé et un grand angle de travail et est recommandée pour la plupart des applications électroniques. La mèche à micro-rainures est légère et peu coûteuse, mais son angle de travail est limité et dépend souvent de la gravité. La mèche composée combine les caractéristiques des mèches frittées et à micro-rainure et est préférable dans certaines applications.

Les performances d'un caloduc sont principalement déterminées par sa structure de mèche, qui remplit 3 fonctions principales : (1) permettre le reflux du liquide de la section condenseur vers la section évaporateur; (2) pour permettre le transfert de chaleur entre la paroi interne et le fluide; (3) pour permettre au fluide de changer de phase.

⭐ L'épaisseur la plus courante pour les caloducs est de 0,3 mm. Pour les caloducs nécessitant un fraisage, l'épaisseur est d'environ 0,4 à 0,5 mm. Cela permet d'obtenir une meilleure planéité après l'aplatissement. Pour les caloducs ultra-fins, l'épaisseur de paroi est d'environ 0,2 mm. Des caloducs ultra-fins peuvent être utilisés dans les téléphones ou les appareils portables.

Parmi les plus grand diamètres fabriqués, le diamètre est de 12,7 mm. Les caloducs assez gros ont une mèche à micro-rainures et sont conçus pour les applications LED haute puissance et les systèmes solaires.

Chambres à vapeur

Les caloducs et les chambres à vapeur fonctionnent selon le même principe de fonctionnement fondamental et ont une conductivité thermique similaire, mais la composition des tuyaux métalliques des caloducs les rend un peu difficiles à incorporer dans des espaces restreints, et leur poids élevé les rend indésirables pour les appareils électroniques. qui doit être aussi léger que possible. C'est là que les chambres à vapeur ont un avantage. Ils sont légers et avec une épaisseur inférieure à 1 mm, ils peuvent être très fins.

Les chambres à vapeur sont des composants de dissipation thermique en forme de feuille mince en métal. Ils ont une très haute conductivité thermique et leur principe de fonctionnement est le même que celui des caloducs.

Généralement, les chambres à vapeur qui utilisent des mailles ont une fine structure capillaire (mèche) contenue à l'intérieur qui est remplie d'un fluide de travail tel que de l'eau pure. La structure capillaire interne de la chambre à vapeur de DNP, quant à elle, se caractérise par une forme extrêmement fine et précise grâce à l'utilisation de la technologie de gravure. Lorsqu'une extrémité d'une chambre à vapeur est située pour être en contact avec une source de chaleur, son fluide de travail s'évapore, absorbant la chaleur latente au cours du processus, et la vapeur résultante se déplace vers une zone de température plus basse où elle libère la chaleur et revient sous forme liquide. Ce fluide de travail retourne à la source de chaleur à travers la mèche par capillarité. Ce cycle est très court et continu et ne nécessite aucune alimentation externe.

Histoire

Un brevet pour le caloduc a été déposé aux États-Unis en 1942, mais le nom de "caloduc" n'a été obtenu qu'en 1963. À la fin des années 1960, la NASA utilisait des caloducs pour gérer la chaleur dans ses satellites. C'est à cette époque que d'autres applications diverses des caloducs ont commencé à se développer.

Au Japon, des échangeurs de chaleur utilisant des caloducs ont été développés pour les chaudières et les séchoirs en raison de la demande d'économie d'énergie résultant de la première crise pétrolière des années 1970.

À partir de 1978 avec l'utilisation de caloducs par un fabricant d'électronique pour la gestion thermique des transistors de puissance dans les amplificateurs audio, les applications et les utilisations des caloducs se sont développées dans les années 1980 dans le domaine de l'électronique tel que les onduleurs.

Les caloducs miniaturisés ont été utilisés pour la première fois pour la gestion thermique des processeurs des ordinateurs portables en 1994, et depuis lors, l'utilisation de caloducs miniatures n'a fait qu'augmenter à cette fin dans les processeurs et autres composants qui génèrent un niveau élevé de génération de chaleur dans les ordinateurs portables.

Avec l'introduction ultérieure d'appareils de communication compacts et performants tels que les téléphones intelligents, des caloducs aux profils encore plus petits ont également fait leur apparition.

En rapport avec "caloduc"

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  La convection est un phénomène physique résultant d'une instabilité de densité dans un fluide, généralement provoquée par une origine thermique et induisant...

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