Caloduc

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Les multiples ailettes en aluminium évacuent la chaleur des caloducs (tuyauterie). Il s'agit ici d'un ventirad haut de gamme (Cooler Master V8)
Dissipateur thermique de processeur d'ordinateur avec caloduc en cuivre.

Caloduc, du latin calor « chaleur » et de ductus « conduite », désigne des éléments conducteurs de chaleur. Appelé heat pipe en anglais (signifiant littéralement « tuyau de chaleur »), un caloduc est destiné à transporter la chaleur grâce au principe du transfert thermique par transition de phase d'un fluide (chaleur latente).

Principe de base[modifier | modifier le code]

Principe d'un caloduc capillaire
Principe d'un caloduc gravitaire

Un caloduc se présente sous la forme d’une enceinte hermétique qui renferme un fluide en équilibre avec sa phase gazeuse, en absence de tout autre gaz[1].

À un bout du caloduc, celui près de l'élément à refroidir, le liquide chauffe et se vaporise en emmagasinant de l'énergie provenant de la chaleur émise par cet élément. Ce gaz se diffuse alors dans le caloduc jusqu'au niveau d'un dissipateur thermique (ou d'un autre système de refroidissement) où il sera refroidi, jusqu'à ce qu'il se condense pour redevenir à nouveau un liquide, et céder de l'énergie à l'air ambiant sous forme de chaleur[1].

Le liquide doit alors retourner à son point de départ, mais la gravité n'est pas toujours utilisable[2], et on préfère utiliser la capillarité. Pour cela on fait notamment appel à des structures composées de mailles (appelées screen mesh wicks en anglais) ou de poudres métalliques frittées. Il est également possible de réaliser des rainures à l'intérieur du tube constituant le caloduc. Une manière récente d'améliorer encore davantage la vitesse et la force de capillarité des caloducs sur de courtes distances est l'utilisation d'une mousse métallique.

Lorsqu'ils sont correctement dimensionnés, les caloducs offrent une conductivité thermique apparente bien plus élevée que les métaux usuels (cuivre et aluminium), ce qui les rend supérieurs à la simple conduction. Dans certains cas favorables, ils permettent de se passer de ventilation[réf. souhaitée].

Domaines d'applications[modifier | modifier le code]

Ils sont utilisés depuis plusieurs années dans des domaines très variés comme le ferroviaire[3], l’aérospatial[4], sur des composants électroniques[5], le refroidissement de logique et d'électronique de puissance[6].

Ils sont beaucoup utilisés dans les capteurs solaires à tube en verre pour la production d'eau chaude (sanitaire ou chauffage). Introduits au centre d'une sorte de bouteille isotherme, leur extrémité chaude est en contact avec l'eau qui circule dans le circuit capteur-serpentin du ballon.

Les caloducs sont utilisés pour le refroidissement des satellites, notamment de télécommunications, en l'absence d'atmosphère empêchant la ventilation, les caloducs transfèrent la chaleur des équipements situés à l'intérieur du satellite vers les parois, où elle est évacuée par rayonnement.

Les caloducs sont utilisés dans les moules en plasturgie. Pour évacuer les calories d'une broche, ou d'un tiroir, un caloduc est inséré dans l'empreinte; L'autre extrémité du caloduc est en contact avec le fluide caloporteur, ou éventuellement la carcasse du moule. Cela permet de refroidir efficacement une broche ou il est impossible de faire passer un fluide caloporteur, à cause de son faible diamètre par exemple.

L’utilisation de dissipateurs à caloducs s'est démocratisée dans les domaines du refroidissement de microprocesseurs pour micro-ordinateurs, dans le cadre d’aircooling. Les caloducs sont de plus en plus présents, sur beaucoup des nouveaux ventirads milieu et haut de gamme, ce qui permet souvent de s’affranchir du refroidissement liquide délicat à mettre en œuvre.

Depuis 1976, ils sont aussi utilisés pour les panneaux solaires thermiques[7].

Structure portant un tronçon de pipeline de l'oléoduc trans-Alaska. Les paires d'appareils verticaux à la droite et à la gauche sont des caloducs servant à maintenir le pergélisol sous-jacent à une température suffisamment basse.

Toute construction sur le pergélisol est un exercice délicat parce que la chaleur évacuée par toute structure peut faire fondre le pergélisol. Les caloducs sont parfois utilisés pour maintenir la température du pergélisol suffisamment basse. Par exemple, l'oléoduc trans-Alaska transporte du pétrole en Alaska aux États-Unis. Sous sa forme liquide, la température du pétrole est supérieure à celle du pergélisol. De plus, la circulation du pétrole produit de la chaleur à cause de la friction sur les parois du pipeline ; la turbulence du fluide crée aussi de la chaleur. Cette chaleur est en partie transmise aux structures métalliques à proximité, y compris les structures portantes du pipeline. Leur température peut donc faire fondre le pergélisol sur lequel elles s'appuient. Dès lors, les structures peuvent s'enfoncer dans le sol et ainsi provoquer des bris au pipeline. Pour prévenir le dégel du pergélisol, chaque structure portante de l'oléoduc est pourvue de quatre caloducs verticaux (des thermosiphons)[8].

Histoire[modifier | modifier le code]

Le principe du caloduc a été découvert dans les années 1930, mais aucun usage industriel n'avait été trouvé. En 1963, au laboratoire de Los Alamos, grâce aux travaux du physicien George Grover[9], une application de ce principe fut mise au point : le premier caloduc. Celui-ci était composé d'un tube de 19 mm de diamètre et de 900 mm de longueur, et de sodium pour le fluide caloporteur. Il fonctionna à une température d'environ 827 °C avec une puissance de chauffe de kW[10].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a et b L'échangeur à caloduc, sur le site energieplus-lesite.be, consulté le 14 février 2016.
  2. A cause de la position du caloduc, ou pour des applications dans l'espace.
  3. Voir application, sur le site cecla-ahtt.fr, consulté le 14 février 2016.
  4. [PDF]Voir 1.4 Solution retenue, sur le site isilf.be, consulté le 14 février 2016.
  5. Voir refroidissement actif.
  6. refroidissement diphasique de pointe, sur le site mersen.com, consulté le 14 février 2016.
  7. (en) K. A. R. Ismail et M. M. Abogderah, « Performance of a Heat Pipe Solar Collector », Journal of Solar Energy Engineering, ASME International, vol. 120, no 1,‎ , p. 51 (ISSN 0199-6231, DOI 10.1115/1.2888047, lire en ligne).
  8. (en) C. E Heuer, « The Application of Heat Pipes on the Trans-Alaska Pipeline », dans Special Report 79-26, United States Army Corps of Engineers,‎ (lire en ligne [PDF])
  9. (en) Karen Freeman, « George M. Grover, 81, Inventor Of Popular Heat Transfer Device », The New York Times, 3 novembre 1996, consulté le 28 avril 2008
  10. (en) Review of Liquid Metal Heat Pipe Work, sur le site lanl.gov, consulté le 5 février 2016

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Article connexe[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]