PRESENTATION DE L'ART ANTERIEUR

Les composants des cartes électroniques dissipent une quantité importante de chaleur, provoquant une augmentation significative de leur température et des circuits électroniques associés. Or, une augmentation trop importante de la température de ces composants électroniques peut engendrer une baisse de leur fiabilité et/ou réduire leur durée de vie.

C'est pourquoi il est nécessaire d'évacuer la chaleur dissipée par les composants électroniques. Pour évacuer la chaleur, on peut utiliser des caloducs. Un caloduc est un système fermé qui permet, en profitant des changements de phase d'un fluide caloporteur, de prélever de la chaleur à un endroit et de la redistribuer à un autre.

Un caloduc en boucle fermée comporte généralement un évaporateur 1 , un condenseur 2, une conduite d'amenée de vapeur 31 entre l'évaporateur 1 et le condenseur 2, et une conduite d'amenée de liquide 32 entre le condenseur 2 et l'évaporateur 1 (cf. figure 1 ).

Au niveau de l'évaporateur 1 , le fluide caloporteur à l'état liquide est chauffé et se vaporise. La vapeur ainsi obtenue se déplace entre l'évaporateur 1 et le condenseur 2 à travers la conduite d'amenée de vapeur 31 . Au niveau du condenseur 2, la vapeur est refroidie et se liquéfie pour retrouver sa forme liquide. Le fluide caloporteur liquide est alors ramené vers l'évaporateur 1 à travers la conduite d'amenée de liquide 32. Lorsqu'un tel caloduc n'est pas en fonctionnement, il y a un risque que la vapeur contenue dans la conduite d'amenée de vapeur se liquéfie (ou se solidifie), engendrant alors un bouchon liquide (ou solide) entre l'évaporateur 1 et le condenseur 2.

Dans ce cas, la durée d'amorçage du caloduc augmente, la pression dans le caloduc devant atteindre une certaine valeur pour permettre le déplacement du bouchon situé dans la conduite d'amenée de vapeur 31 en direction du condenseur.

On entend, par « durée d'amorçage », l'intervalle de temps entre l'instant où la chaleur dissipée par l'élément à refroidir est appliquée à l'évaporateur et l'instant où le fluide caloporteur atteint un régime d'écoulement permanent. Ceci peut engendrer une détérioration de l'élément à refroidir, celui-ci n'étant pas suffisamment refroidi durant toute la durée d'amorçage du caloduc.

Un but de la présente invention est de proposer un dispositif de dissipation thermique à effet caloduc permettant de pallier l'inconvénient précité.

RESUME DE L'INVENTION

A cet effet, l'invention propose un dispositif de dissipation thermique à effet caloduc en boucle fermée comprenant une boucle diphasique constituée :

- d'un évaporateur pour vaporiser un fluide caloporteur,

- d'un condenseur pour liquéfier le fluide caloporteur,

- d'une conduite d'amenée de vapeur entre l'évaporateur et le condenseur, ladite conduite d'amenée de vapeur étant disposée en aval de l'évaporateur et en amont du condenseur pour permettre le passage du fluide caloporteur sous forme vapeur depuis l'évaporateur jusqu'au condenseur,

- d'une conduite d'amenée de liquide entre le condenseur et l'évaporateur, ladite conduite d'amenée de liquide étant disposée en aval du condenseur et en amont de l'évaporateur pour permettre le passage du fluide caloporteur liquide depuis le condenseur jusqu'à l'évaporateur, remarquable en ce que le dispositif comprend en outre un réservoir connecté entre la conduite d'amenée de vapeur et la conduite d'amenée de liquide, ledit réservoir comprenant un matériau adsorbant pour l'adsorption/la désorption du fluide caloporteur.

Des aspects préférés mais non limitatifs du dispositif selon l'invention sont les suivants :

- le matériau adsorbant est choisi parmi le groupe consistant en les argiles, les zéolites, le charbon actif ou tout autre matériau conduisant à des interactions de type physisorption ou chimisorption avec le fluide caloporteur ;

- le fluide caloporteur est de l'eau ;

- le dispositif comprend en outre :

o une conduite de dérivation de liquide pour le stockage du fluide caloporteur dans le réservoir, la conduite de dérivation de liquide étant connectée :

^■ par l'une de ses extrémités à la conduite d'amenée de liquide et

^■ par l'autre de ses extrémités au réservoir,

o une conduite de dérivation de vapeur pour le déstockage du fluide caloporteur vapeur du réservoir, la conduite de dérivation de vapeur étant connectée :

^■ par l'une de ses extrémités au réservoir,

^■ par l'autre de ses extrémités à la conduite d'amenée de vapeur, o un système de contrôle du sens de circulation du fluide caloporteur dans les conduites de dérivation, le système étant agencé pour :

■ permettre la circulation du fluide depuis le condenseur vers le réservoir dans la conduite de dérivation de liquide,

^■ permettre la circulation du fluide depuis le réservoir vers le condenseur dans la conduite de dérivation de vapeur ;

- le système de contrôle du sens de circulation comprend au moins trois vannes :

o une première vanne étant positionnée sur la conduite d'amenée de liquide,

o une deuxième vanne étant positionnée sur la conduite de dérivation de liquide, o une troisième vanne étant positionnée sur la conduite de dérivation de vapeur ;

- le système de contrôle comprend en outre au moins un contrôleur programmé pour commander l'ouverture et la fermeture des vannes pour permettre :

o le stockage du fluide caloporteur dans le réservoir lors d'une phase d'arrêt du dispositif,

o le déstockage du fluide caloporteur du réservoir lors d'une phase de démarrage du dispositif ;

- lequel le contrôleur commande :

o l'ouverture des première et troisième vannes et la fermeture de la deuxième vanne lors de la phase de démarrage du dispositif,

o la fermeture des première et troisième vannes et l'ouverture de la deuxième vanne lors de la phase d'arrêt du dispositif ;

- le réservoir est en contact thermique avec l'évaporateur ;

- le dispositif comprend en outre un capteur de température pour une mesure de la température dans le réservoir.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres avantages et caractéristiques du dispositif de dissipation thermique ressortiront mieux de la description qui va suivre de plusieurs variantes d'exécution, données à titre d'exemples non limitatifs, à partir des dessins annexés sur lesquels :

- La figure 1 illustre un mode de réalisation d'un dissipateur thermique à effet caloduc de l'art antérieur,

- La figure 2 illustre un exemple de dissipateur thermique à effet caloduc selon l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE On va maintenant décrire plus en détail le dispositif selon l'invention en référence aux figures.

En référence à la figure 2, on a illustré un mode de réalisation d'un dispositif de dissipation thermique à effet caloduc en boucle fermée. Le dispositif comprend un fluide caloporteur, un évaporateur 1 , un condenseur 2, une conduite d'amenée de vapeur 31 , une conduite d'amenée de liquide 32, un réservoir de vidange 4, deux conduites de dérivation 33, 34 et trois vannes 5, 6, 7. Il permet de refroidir un élément - tel qu'un composant électronique - en déplaçant la chaleur produite par celui-ci vers l'extérieur.

Fluide caloporteur Le fluide caloporteur permet de transporter la chaleur produite par l'élément à refroidir (non représenté).

La quantité de fluide caloporteur contenue dans l'ensemble (ou boucle fermée de dissipation thermique) composé de l'évaporateur 1 , du condenseur 2, et des conduites d'amenée 31 , 32 est telle que la phase liquide du fluide caloporteur est en équilibre avec sa phase vapeur de sorte que des variations thermiques modérées assurent le changement d'état liquide-vapeur du fluide caloporteur.

Selon le niveau de température de fonctionnement, le fluide caloporteur peut être par exemple une huile, un alcool (comme du méthanol, de l'éthanol ou du glycol), un composé organique (comme de l'acétone, de l'ammoniac), un métal liquide, ou tout type de fluide caloporteur connu de l'homme du métier.

Dans un mode de réalisation, le fluide caloporteur est de l'eau. L'utilisation d'eau comme fluide caloporteur présente de nombreux avantages, et notamment :

- un coût très peu élevé et

- une toxicité nulle et

- l'ininflammabilité et

- d'excellentes performances thermiques.

L'eau présente cependant un inconvénient par rapport aux autres fluides caloporteurs : la masse volumique de l'eau solide est inférieure à celle de l'eau liquide. Cette propriété très rare, que l'eau ne partage qu'avec le bismuth, peut engendrer des dégâts dans le dispositif de dissipation thermique. Toutefois, comme on le verra dans la suite, le réservoir de vidange permet de remédier à cet inconvénient. Evaporateur

L'évaporateur 1 permet de vaporiser (i.e. passage de l'état liquide à l'état vapeur) le fluide caloporteur issu du condenseur 2. L'évaporateur 1 est destiné à être en contact (ou à proximité) de l'élément à refroidir. L'évaporation d'un fluide à l'état liquide consomme de la chaleur. Ceci induit un refroidissement de l'élément à refroidir.

L'évaporateur 1 peut être de tout type connu de l'homme du métier.

Un exemple d'évaporateur 1 , de type capillaire est illustré à la figure 2. Il comprend :

- une chambre 1 1 contenant du fluide à l'état d'équilibre liquide-vapeur pour recevoir le fluide caloporteur à l'état liquide issu du condenseur 2,

- un bloc de matériau thermiquement conducteur 12 tel que du cuivre incluant une face 13 destinée à être en contact avec l'élément à refroidir,

- des cannelures 14 dans le bloc de matériau thermiquement conducteur 12 ou dans le matériau poreux 15, au niveau desquelles le fluide caloporteur se vaporise, lesdites cannelures 14 s'étendant sur une face opposée à la face 13 destinée à être en contact avec l'élément à refroidir,

- un matériau poreux 15 permettant le transport du fluide caloporteur à l'état liquide depuis la chambre 1 1 vers les cannelures 14. Le matériau poreux 15 ou le bloc de matériau 12 est en contact avec les cannelures 14 d'une part et avec le fluide caloporteur à l'état liquide d'autre part,

- une entrée 16 connectée à la conduite d'amenée de liquide 32 et débouchant sur la chambre 1 1 , et

- une sortie 17 connectée aux cannelures 14 et débouchant sur la conduite d'amenée de vapeur 31 . Le principe de fonctionnement d'un tel évaporateur 1 est le suivant. Le fluide caloporteur à l'état liquide se déverse dans la chambre 1 1 . Le matériau poreux 15 absorbe le fluide caloporteur à l'état liquide. Le fluide caloporteur absorbé se déplace jusqu'aux cannelures 14. La chaleur issue de l'élément à refroidir échauffe le bloc de matériau conducteur 12, et également le matériau poreux 15.

Le fluide caloporteur à l'état liquide contenu dans le poreux se vaporise. Le fluide caloporteur à l'état vapeur s'échappe vers la sortie 17 de l'évaporateur 1 .

Condenseur

Le condenseur 2 permet de condenser (i.e. passage de l'état vapeur à l'état liquide) le fluide caloporteur.

Le condenseur 2 peut être de tout type connu de l'homme du métier. Il peut être composé d'un tube courbé selon une forme permettant de maximiser les échanges thermiques avec l'extérieur tout en minimisant son encombrement. Par exemple, le condenseur peut être formé de tubes parallèles, en forme d'hélice, ou encore en forme de serpentin comme illustré à la figure 2. Il peut comporter des ailettes si l'air est le milieu ambiant.

Conduites d'amenée

Les conduites d'amenée 31 , 32 permettent de transporter le fluide caloporteur entre l'évaporateur 1 et le condenseur 2. La mise en mouvement du fluide caloporteur dans les conduites 31 , 32 peut être obtenue par exemple par pression capillaire, par gravité, ou à l'aide d'une pompe ou d'un compresseur.

Chaque conduite 31 , 32 est dédiée au transport du fluide caloporteur dans un état particulier. Plus précisément, la conduite d'amenée de liquide 32 est dédiée au transport du fluide caloporteur à l'état liquide. La conduite d'amenée de vapeur 31 est dédiée au transport de fluide caloporteur à l'état vapeur. La conduite d'amenée de liquide 32 est connectée entre la sortie 21 du condenseur 2 et l'entrée 16 de l'évaporateur 1 . Elle permet le transport du fluide caloporteur à l'état liquide dans le sens allant depuis le condenseur 2 vers l'évaporateur 1 .

La conduite d'amenée de vapeur 31 est connectée entre la sortie 17 de l'évaporateur 1 et l'entrée 22 du condenseur 2. Elle permet le transport du fluide caloporteur à l'état vapeur dans le sens allant depuis l'évaporateur 1 vers le condenseur 2.

Ainsi, l'ensemble constitué de l'évaporateur 1 , du condenseur 2 et des conduites d'amenée 31 , 32 forment un circuit en boucle fermée pour le fluide caloporteur.

Réservoir de vidange

Le réservoir de vidange 4 permet :

- de stocker le fluide caloporteur lors de l'arrêt du dispositif,

- de déstocker le fluide caloporteur lors du démarrage du dispositif. Les dimensions du réservoir de vidange 4 sont prévues suffisantes pour pouvoir stocker toute la quantité de fluide caloporteur contenue dans l'ensemble constitué de l'évaporateur 1 , du condenseur 2 et des conduites d'amenée 31 , 32.

Un matériau hygroscopique est logé dans le réservoir 4 pour permettre l'adsorption et la désorption du fluide caloporteur. On entend, dans le cadre de la présente invention, par « matériau hygroscopique » un matériau apte à capter un fluide par un phénomène d'adsorption (physisorption ou chimisorption).

Le matériau hygroscopique peut être choisi parmi le groupe consistant en les argiles, les polymères, les zéolites, le charbon actif.

Le réservoir de vidange 4 est connecté à la conduite d'amenée de vapeur 31 et à la conduite d'amenée de liquide 32 par l'intermédiaire de conduites de dérivation 33, 34. Plus précisément, le dispositif comprend une conduite de dérivation de liquide 33 connectée :

- à la conduite d'amenée de liquide 32 d'une part, et

- au réservoir de vidange 4 d'autre part.

Cette conduite de dérivation de liquide 33 permet le passage du fluide caloporteur liquide issu du condenseur 2 vers le réservoir de vidange 4 lors de l'arrêt du dispositif de dissipation thermique.

Le dispositif comprend également une conduite de dérivation de vapeur 34 connectée :

- au réservoir de vidange 4 d'une part, et

- à la conduite d'amenée de vapeur 31 d'autre part.

Cette conduite de dérivation de vapeur 34 permet le passage du fluide caloporteur à l'état vapeur issu du réservoir de vidange 4 vers le condenseur 2 lors du démarrage du dispositif de dissipation thermique. Lors de l'arrêt du dispositif de dissipation de chaleur, le réservoir de vidange 4 est rempli avec le fluide caloporteur liquide par adsorption. Ceci permet de réduire considérablement la charge (i.e. la quantité) de fluide caloporteur contenu dans l'ensemble constitué de l'évaporateur 1 , du condenseur 2 et des conduites d'amenée de vapeur et de liquide 31 , 32 - et appelé dans la suite « boucle fermée de dissipation thermique ».

Le fait de réduire la charge de fluide caloporteur contenue dans la boucle fermée de dissipation thermique permet de limiter les risques de dégradation du dispositif liés au gel du fluide caloporteur, par exemple lorsque le dispositif est stocké dans un environnement dont la température est inférieure à la température de solidification du fluide caloporteur. Le réservoir de vidange 4 peut être relié thermiquement à l'évaporateur 1 . Ceci permet d'améliorer l'évaporation du fluide caloporteur situé dans l'évaporateur 1 lors de la phase d'arrêt du dispositif. En effet, l'adsorption - mise en œuvre lors de l'arrêt du dispositif - est une réaction exothermique. La chaleur dégagée par le réservoir de vidange 4 lors de cette réaction d'adsorption peut donc améliorer l'évaporation du fluide caloporteur liquide restant dans l'évaporateur 1 si ceux-ci sont reliés thermiquement. Vannes

Le dispositif comprend également trois vannes 5, 6, 7.

Une première vanne 5 est positionnée entre l'entrée 35 de la conduite de dérivation de liquide 33 et l'entrée de l'évaporateur 1 .

Une deuxième vanne 6 est positionnée sur la conduite de dérivation de vapeur 33.

Une troisième vanne 7 est positionnée sur la conduite de dérivation de liquide 34.

Les première, deuxième et troisième vannes 5, 6, 7 peuvent être ouvertes ou fermées pour remplir ou vider le réservoir de vidange 4 lors des phases de démarrage, d'arrêt ou fonctionnement en régime permanent du dispositif de dissipation thermique.

Par exemple, au démarrage, la deuxième vanne 6 est fermée, tandis que les première et troisième vannes 5, 7 sont ouvertes.

En régime permanent, les deuxième et troisième vannes 6, 7 sont fermées tandis que la première vanne 5 est ouverte.

Lors de l'arrêt les première et troisième vannes 5, 7 sont fermées, tandis que la deuxième vanne 6 est ouverte. Les vannes utilisées peuvent être des vannes à actionnement manuel ou des vannes à commande électronique - i.e. électrovannes - pouvant être actionnées selon la présence ou non d'un flux thermique imposé à l'évaporateur 1 . Dans ce cas, le dispositif peut comprendre un contrôleur pour commander l'ouverture ou la fermeture des vannes. Le contrôleur est par exemple un/des ordinateur(s), un/des processeur(s), un/des microcontrôleur(s), un/des micro- ordinateur(s), un/des automate(s) programmable(s), un/des circuit(s) intégré(s) spécifique(s) d'application, d'autres circuits programmables, ou d'autres dispositifs qui incluent un ordinateur tel qu'une station de travail.

La commande des vannes par le contrôleur peut être fonction d'un actionnement par l'utilisateur, ou d'une mesure issue du dispositif. Par exemple, l'activation du contrôleur :

- en mode de démarrage (i.e. ouverture des première et troisième vannes 5, 7, fermeture de la deuxième vanne 6) ou d'arrêt (i.e. fermeture des première et troisième vannes 5, 7, ouverture de la deuxième vanne 6) peut être obtenu par l'actionnement d'un bouton par l'utilisateur,

- en mode permanent (fermeture des deuxième et troisième vannes 6, 7, ouverture de la première vanne 5) peut être obtenu lorsqu'une mesure de température par un thermocouple positionné sur le réservoir de vidange est supérieure/inférieure à une valeur seuil.

On va maintenant décrire plus en détail le principe de fonctionnement du dispositif de dissipation thermique illustré à la figure 2.

Principe de fonctionnement dit normal

En fonctionnement normal, c'est-à-dire lorsque le dispositif de dissipation thermique a pour fonction de transporter de la chaleur de l'évaporateur 1 au condenseur 2, les deuxième et troisième vannes 6, 7 sont fermées tandis que la première vanne 5 est ouverte. Le fluide caloporteur 3 est évaporé dans l'évaporateur 1 , mis en mouvement, et transporté vers le condenseur 2 au travers de la conduite d'amenée de vapeur 31 .

Une fois dans le condenseur 2, le fluide caloporteur sous forme vapeur est transformé en liquide, puis transporté vers l'évaporateur 1 au travers de la conduite d'amenée de liquide 32 pour un nouveau cycle.

Principe de fonctionnement lors de l'arrêt du dispositif Lors de l'arrêt du fonctionnement normal du dispositif, c'est-à-dire lorsque le dispositif de dissipation thermique ne doit plus assurer de transport de chaleur, les première et troisième vannes 5, 7 sont fermées, tandis que la deuxième vanne 6 est ouverte. L'inertie thermique de l'évaporateur 1 permet le changement de phase liquide- vapeur du liquide restant dans l'évaporateur 1 .

Dans le cas où le réservoir de vidange 4 est relié thermiquement à l'évaporateur 1 , la chaleur dégagée par la réaction exothermique d'adsorption peut améliorer l'évaporation du liquide restant dans l'évaporateur 1 . La surpression générée à l'évaporateur 1 par évaporation ainsi que la dépression dans le réservoir de vidange 4 due à l'adsorption du fluide caloporteur assurent le transport dudit fluide vers le réservoir de vidange 4. Lorsque la quantité de fluide adsorbé est jugée satisfaisante, la deuxième vanne 6 est fermée. Ainsi, pour toute la durée de l'arrêt du dispositif, le réservoir de vidange est isolé hydrauliquement des autres composants du dispositif.

Principe de fonctionnement lors du démarrage du dispositif

Lors de la remise en fonctionnement du dispositif, la deuxième vanne 6 est fermée, tandis que les première et troisième vannes 5, 7 sont ouvertes.

Dans le cas où le réservoir adsorbant est relié thermiquement à l'évaporateur, la chaleur de la zone chaude est transmise au réservoir de vidange et permet la désorption du fluide contenu dans celui-ci. Une variante consiste à utiliser une source de chaleur auxiliaire (par exemple un module à effet Peltier ou un système de chauffage) pour améliorer cette phase de désorption.

La surpression générée par la désorption du fluide et la dépression entraînée par la condensation de celui-ci dans le condenseur 2 permettent la circulation du fluide caloporteur et l'entraînement du fluide caloporteur liquide vers la chambre 1 1 . La présence d'un réservoir de vidange permet donc de stocker/déstocker une partie (ou la totalité) du fluide caloporteur lors des phases de démarrage et d'arrêt du dispositif de dissipation thermique fonctionnant en boucle fermée.

Le réservoir de vidange contient un matériau à fort pouvoir adsorbant ayant pour but d'adsorber le fluide caloporteur lors d'une phase d'arrêt du dispositif, et de le désorber lors d'une phase de démarrage du dispositif.

La présence du réservoir de vidange a pour intérêt d'éviter le gel du fluide caloporteur, ledit fluide caloporteur étant apte à subir une augmentation de volume lors de sa solidification. En effet, lorsque le fluide caloporteur est stocké dans le réservoir de vidange, celui-ci étant en phase adsorbée, n'adopte pas le comportement de la phase liquide lors de son refroidissement. Ceci permet d'éviter le risque de détérioration du dispositif de dissipation thermique lors des phases de solidification.

La présence du réservoir de vidange permet également de contrôler la répartition du fluide caloporteur lors de la phase de démarrage du dispositif. Plus précisément, la présence du réservoir de vidange permet de réduire la durée d'amorçage du dispositif de dissipation thermique en évitant la formation de bouchons liquides ou solides dans la conduite d'amenée de vapeur.

Le lecteur aura compris que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit ci-dessus sans sortir matériellement des nouveaux enseignements et des avantages décrits ici. Par exemple, une variante du dispositif selon l'invention consiste à inclure le matériau adsorbant au sein même de la ligne vapeur, libérant le dispositif des vannes et des conduites de dérivation. Dans ce cas, la ligne de vapeur inclut un réservoir contenant le matériau absorbant ou est dépourvue de réservoir.

Par conséquent, toutes les modifications de ce type sont destinées à être incorporées à l'intérieur de la portée des revendications jointes.