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EP2478321A1 - Dispositif d'echange thermique a ebullition convective et confinee a efficacite amelioree - Google Patents

Dispositif d'echange thermique a ebullition convective et confinee a efficacite amelioree

Info

Publication number
EP2478321A1
EP2478321A1 EP10751684A EP10751684A EP2478321A1 EP 2478321 A1 EP2478321 A1 EP 2478321A1 EP 10751684 A EP10751684 A EP 10751684A EP 10751684 A EP10751684 A EP 10751684A EP 2478321 A1 EP2478321 A1 EP 2478321A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrodes
heat exchange
convective
exchange device
channel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10751684A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jérôme GAVILLET
Hai Trieu Phan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP2478321A1 publication Critical patent/EP2478321A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/16—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying an electrostatic field to the body of the heat-exchange medium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F28F13/182—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing especially adapted for evaporator or condenser surfaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F28F13/185—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2245/00—Coatings; Surface treatments
    • F28F2245/04—Coatings; Surface treatments hydrophobic
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the present invention relates to a convective boiling heat exchange device and confined to improved efficiency, which can be implemented for the cooling of electronic components and heat dissipating components.
  • the boiling phenomenon is very often used in heat exchange devices, one of the boiling regimes used is the convective and confined boiling, in this regime the liquid flows in a pipe with a hydraulic diameter less than the capillary length of said liquid.
  • the bubbles are generally formed upstream, in the first hot zones of the channel, from a critical temperature threshold. Then, by confinement effect, they are crushed and coalesced to form vapor plugs. The heat is then mainly transmitted through a microlayer of liquid which is in contact with the wall of the channel. During thermal transfer in confined spaces, premature drying of the walls of the channel is generally observed. This drying causes a significant decrease in the heat exchange coefficient and therefore a decrease in performance of the element to be cooled. It is therefore an object of the present invention to provide a two-phase heat exchange device operating convective boiling regime and confined whose efficiency is improved.
  • the liquid moves in the microchannel by convection, for example by means of a pump.
  • the liquid is "cold", the liquid phase is the majority phase.
  • the cooling is improved by improving the evacuation of the steam.
  • the displacement of the film is obtained by moving the dewatering line downstream, more particularly the liquid front upstream of the dewatering line, by electrowetting.
  • the evacuation of the steam is improved by adding a dynamic to the annular liquid film, this dynamic assisting the convection of the pump, which improves the movement of the vapor downstream of the duct.
  • the subject of the present invention is therefore a confined convective boiling heat exchange device comprising at least one channel in a substrate intended to be in at least partial contact with an element to be cooled, in which a fluid, whose polar component its surface energy is non-zero, is intended to flow from an upstream end to a downstream end, means for moving the fluid by convection in the channel imposing a direction of flow, a displacement device by electrowetting located between the channel and the element to be cooled to move the fluid in the channel, the channel having an inner surface having at least partly a low wettability vis-vis the polar fluid, said electrowetting displacement means comprising a succession of electrodes s' extending between the upstream end and the downstream end, and control means for applying a potential to the electrodes, said control means applying potentials to the electrodes such as a force gradient electrostatic is applied to said fluid in the direction of flow.
  • the succession of electrodes is composed of a succession of groups of n electrodes controlled separately, n being equal to or greater than 3, said electrodes being in the form of lines crossing a direction of flow of the channel.
  • the succession of electrodes may be formed by n parallel tracks so that the electrodes comprise substantially parallel track portions intersecting the flow direction of the fluid, the control means activating the n tracks successively.
  • the n tracks are, for example of width between 0.1 mm and 1 mm and the distance between them is between 5 ym and 50 ym.
  • the control means advantageously activate the n tracks periodically with a phase shift of 2 ⁇ / ⁇ and a frequency of between 0.1 Hz and 20 Hz.
  • n is for example equal to 3.
  • the electrodes may form an angle ⁇ with a direction orthogonal to the direction of flow, ⁇ being such that 0 ° ⁇ ⁇ ⁇ 45 °.
  • the n electrodes can be distributed in several planes.
  • the electrodes are for example in the form of combs, whose fingers crossing the direction of flow are interdigitated.
  • the control means may apply periodically phase-shifted control signals of square, rectangular, triangular, sinusoidal, or the like.
  • the present invention also relates to the use of the device according to the present invention for extracting heat from an element to be cooled, said device being in contact with said element to be cooled or made therein.
  • a voltage signal is advantageously successively applied to the n electrodes to generate an electrostatic force gradient at the triple line, providing assistance with the movement of the vapor in the fluid flow direction.
  • the activation frequency of the electrodes can be between 0.1 Hz and 20 Hz.
  • the present invention also relates to a method for producing a convective boiling heat exchange device and confined according to the present invention, comprising the steps:
  • Steps b) and c) can be repeated several times so that electrodes are in different planes.
  • the method for producing a heat exchange device according to the present invention comprises the step of structuring the insulating layer.
  • the structuring can be obtained by nanoshell lithography.
  • the substrate is steel
  • the first electrical insulating layer is SiC / SiC 2.
  • the low wettability layer is for example SiOC.
  • FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of an exemplary embodiment of a convective and confined boiling heat exchange device according to the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the device of FIG. 1, that comprising, in the example represented, three parallel channels;
  • FIG. 3A is a view from above of the device of FIG. 1,
  • FIG. 3B is a detail view of FIG. 3A
  • FIGS. 4A to 4D are diagrammatic representations of the various steps of an example of a method for producing a heat exchange device according to the present invention
  • FIGS. 5A and 5B are explanatory diagrams of a weakly wetting and wetting surface
  • FIGS. 6A and 6B are graphical representations of the evolution of the wettability of two surfaces as a function of the applied voltage
  • FIG. 7A and 7B respectively show the profile of the dewatering line in a device of the state of the art and in the device according to the present invention.
  • FIGS. 1 and 2 show an exemplary embodiment of a convective and confined boiling heat exchange device D according to the present invention, comprising a channel 2 made in a substrate 100, running along an element
  • the channel runs along the element to be cooled T.
  • the channel 2 is part of a circuit comprising means (not shown) for circulating, by convection, the liquid in the circuit, for example a pump.
  • Channel 2 has a Upstream end 2.1 through which the fluid arrives, and a downstream end 2.2 through which the fluid is discharged.
  • the device D comprises three parallel channels 2.
  • a fluid 4 whose polar component of its surface energy is non-zero designated polar fluid, is intended to flow in the circuit in the direction F, and in particular in the channel 2 to be vaporized in contact with the zone of the channel in contact with the element to be cooled T.
  • the device D comprises an electrowetting displacement device 8 located, in the example shown in the inner wall of the channel 2 to be cooled T in contact with the channel 2.
  • the electrowetting displacement device 8 comprises an electrode path E along the channel 2.
  • the electrodes are in the form of lines perpendicular to the direction of the flow of the liquid. In the example shown, the same electrodes form the three electrowetting displacement means in the three channels, but this is in no way limiting.
  • the electrodes are isolated from the polar liquid by an electrical insulating layer (not referenced).
  • at least the portion of the inner surface 9 of the channel 2 on the side of the element T offers properties of low wettability vis-à-vis the liquid phase of the polar fluid.
  • a surface S has properties of low wettability with respect to a liquid, when the contact angle ⁇ of a drop G of said liquid is greater than 90 °, as shown in FIG. 5A.
  • the evolution of the contact angle ⁇ as a function of the voltage applied to the electrode is represented for an insulating layer thickness of 100 nm and an insulating layer thickness of 1000 nm.
  • the contact angle ⁇ decreases more rapidly, to be zero for an insulating layer of 100 nm when the voltage is greater than 15 V, for an insulating layer of thickness 1000 nm when the voltage is equal to or greater than 40 V.
  • water In the case of water, it is called hydrophobic surface for a low wetting surface, and hydrophilic surface for a wetting surface.
  • water will be considered as non-zero polar component fluid in the following description. But this is by no means limiting, the fluid may be for example ethylene glycol.
  • the inner surface portion 9 of the channel 2 on the side of the element T is therefore hydrophobic in the absence of application of an electric potential.
  • Control means are able to apply a potential to one or more electrodes E simultaneously.
  • the control means comprise a switching circuit, the closure of which makes a contact between a determined electrode and a voltage source.
  • the switching circuit is programmed to activate the electrodes successively and for a given time.
  • FIGS. 3A and 3B one can see, seen from above, an embodiment of the electrowetting device 8.
  • the electrowetting displacement device 8 comprises a succession of groups G1, G2, G3 ... of three electrodes E1, E2, E3, each being intended to be activated independently.
  • the three electrodes El, E2, E3 make it possible to generate an electrostatic force gradient in the flow direction F.
  • G2, G3 ... of three electrodes E1, E2, E3 are formed from three adjacent parallel conductive tracks.
  • the electrodes El, E2, E3 are inclined relative to the direction of flow.
  • El electrodes, E2, E3 form with a direction perpendicular to the direction of flow an angle ⁇ greater than or equal to 0 ° and strictly less than 45 °.
  • the electrodes E1 and E2 are in the same plane, while the electrode E3 is in an upper parallel plane (FIGS. 1 and 2).
  • This configuration is in no way limiting.
  • Groups of more than three electrodes could be made, for example four or five, which would have the advantage of improving the discretization of the electrostatic force gradient and of generating for example a nonlinear gradient.
  • the electrode path E is then formed, in this particular example, with parallel electrode lines perpendicular to the direction of flow.
  • the control means successively apply to each of the electrode tracks E1, E2, E3 an activation potential to cause the localized application of an electrostatic force on the liquid in the channel 2.
  • control signals of the three electrodes can be out of phase by 2 ⁇ / 3 and periodic.
  • the control can be a square, triangular, sinusoidal or other signal.
  • the activation times of the electrodes are not necessarily identical.
  • the liquid phase is majority. In contact with the canal, steam germs appear, then forming bubbles that come off. These bubbles are carried away by the convective flow of the fluid. The bubbles are more numerous as we advance in the channel 2. The bubbles coalesce, forming a large volume of vapor 11 in the liquid phase.
  • the volume of vapor phase is predominant and the liquid phase has the form of a film 13 on the inner surface of the channel 2, separating the channel from the vapor phase.
  • this film 13 is not continuous and in some places on the part 9 of the inner surface of the channel 2, Dewatering lines 14 appear at which the liquid film is broken. This dewatering line 14 is bordered upstream and downstream by the liquid film 13.
  • the end of the film upstream of the dewatering line 14 will be referred to hereafter as the liquid front.
  • the area between the dewatering line and the liquid front is a triple line.
  • the liquid front is comparable to a drop of liquid whose polar surface energy component is non-zero and can be moved by electrowetting.
  • the control means apply electrodes E1, E2, E3 periodic phase shifted signals.
  • the electrode E1 is activated for a time t1, then the electrode E2 is activated for a period t2 and then the electrode E3 is activated for a period t3.
  • the durations t1, t2 and t3 may be equal or not.
  • the liquid front 15 is then subjected to an electrostatic force gradient generated by the activation of the electrodes El, E2, E3. Because of the hydrophobic nature of the portion 9 of the inner surface of the channel, the liquid front 15 has a contact angle greater than 90 °.
  • the electrode El is therefore located near the liquid front 15.
  • the dielectric layer and the hydrophobic layer between this activated electrode and part 9 of the live surface act as a capacitance.
  • the counter-electrode function is provided by the other non-activated electrodes.
  • the adjacent electrode E2 is then activated, the electrode E1 is no longer, the liquid front 15 is then pulled to the electrode E2.
  • the electrode E3 is then activated, the electrode E2 is no longer, the liquid front 15 is attracted to the electrode E3.
  • the liquid front 15 can thus be moved step by step, on the surface, by successive activation of the electrodes El, E2, E3 along the channel.
  • the displacement of the liquid front 15 generates an assistance to the displacement of the vapor downstream of the pipe, in a viscous layer not subjected to the convective forces.
  • the activation of the electrodes is in the fluid flow direction, ie towards the downstream end 2.2 of the channel 2, to generate a displacement of the liquid film 15.
  • This displacement can be compared to the propagation of a wave of surface, this propagation improving the evacuation of the steam towards the downstream end of the channel.
  • the three electrode tracks are substantially parallel in such a way that the dewatering line successively meets these three tracks.
  • the phase shift variation of the contact angle above these three adjacent tracks will move the liquid front 15 in the direction of flow.
  • the position of the liquid front is statistical, therefore it is preferable that the electrostatic surface wave covers the entire length of the channel.
  • the electrical potentials of the conductive tracks whose electrical potentials vary periodically are out of phase by 2 ⁇ / 3 between them with a frequency between 0.1 Hz and 20 Hz.
  • a frequency corresponds to a sufficient period during which the liquid front 15 moves a distance equivalent to at least three successive electrodes.
  • the speed of the liquid front 15 is estimated at about 1 mm / s to 80 mm / s and the distance covered by three electrodes is about 3 mm.
  • the tracks are between 0.1 and 1 mm wide and separated by a distance of between 5 ⁇ m and 50 ⁇ m.
  • the diameter of the channel can vary between 0.1 mm and 2 mm.
  • electrowetting displacement device allowing displacement in a given direction of the liquid front may be suitable.
  • each electrode is individually controlled, the operation is similar to that of the device of Figures 1 and 2, however, in this case only one electrode is activated at a time.
  • the liquid vaporizes because of the heat flow from the room to be cooled T.
  • the heat transfer is high and can thus create an evaporation flow more important than in the wet zone.
  • the curvature of the liquid-vapor interface is thus changed and causes the appearance of a contact angle, which is called "micro-contact angle" a, greater than 90 °.
  • the horizontal component of the surface tension force F has created an enlargement of the dried zone over a distance AL.
  • the profile of the triple line can be seen in the device according to the present invention.
  • the triple line of contact moves in the direction of flow thereby avoiding the appearance of micro ⁇ contact angle.
  • the horizontal component of the force surface tension F a does not create an enlargement of the dried zone.
  • the dried zone is then reduced by a distance AL.
  • a substrate 100 for example made of metal, for example aluminum or copper, or metal alloy or silicon, is used.
  • the substrate is made of steel.
  • an electrically insulating layer 102 is deposited on the substrate, this layer is intended to provide electrical insulation between the substrate and the metal layer used for producing the electrodes.
  • the electrical insulating layer is made of SiC, SiN, SiO 2 or a combination of these materials.
  • the layer 102 is made of SiC / SiO 2, ensuring good adhesion to the substrate on the one hand and to the conductive layer which will form the electrodes on the other hand.
  • the thickness of the layer 102 is chosen to be sufficiently low so as not to significantly affect the heat exchange between the element to be cooled and the fluid.
  • the thickness of SiC / SiO 2 is of the order of 100 nm to 1000 nm for an apparent dielectric constant ⁇ of the order of 2-8.
  • the deposition of this layer can be achieved by a conventional vacuum deposition method of the type PVD (Physical Vapor Deposition) or CVD (Chemical Vapor Deposition).
  • an electrically conductive layer 104 is deposited on the electrical insulating layer 102 in the form of a thin film.
  • the conductive layer 104 is for example copper, gold, titanium, molybdenum or other material or conductive alloy. Its thickness is for example between 100 nm to 1000 nm. The deposition of this layer can be achieved by a conventional PVD vacuum deposition method.
  • the electrodes are structured.
  • this structuring can be carried out by means of a physical mask deposited on the layer 104.
  • the apparent part of the layer 104 is then etched and the mask removed.
  • the conductive layer 104 is deposited on the mask.
  • the mask is then removed for example by means of a solvent, taking away the areas of the layer 104 deposited on the mask.
  • the lower layer 104 may, for example, support the electrodes El and E2 while the upper layer 104 may, for example, support the layer E3 ( Figure 2)
  • a second electrically insulating layer 106 is deposited on the electrodes. This is similar to the first layer 102. It can be made of the same material or a different material.
  • Its thickness is for example between 100 nm and 1000 nm for an apparent dielectric constant ⁇ of the order of 2-8.
  • a hydrophobic layer 108 is deposited which will be in contact with the fluid.
  • this layer is in SiOC. Its thickness is for example between 10 nm and 100 nm. It is deposited by a conventional PECVD vacuum deposition process.
  • the surface energy of this layer is modulated under the effect of an electric field imposed by the electrodes formed in the lower and upper conductive layer 104, which makes it possible to tilt its wetting property. with water from the hydrophobic domain to the hydrophilic domain.
  • the layer 106 as described above makes it possible to generate, at low voltage on the metal layer 104, less than 40 V, a sufficient electric field at the surface to modulate the surface energy of the hydrophobic layer 108.
  • the surface of the second insulating layer 106 prior to depositing the layer hydrophobic 108 is possible to structure the surface of the second insulating layer 106 prior to depositing the layer hydrophobic 108 to enhance the hydrophilic and hydrophobic properties, in order to achieve super-hydrophilic and super-hydrophobic properties.
  • This structuring has the effect of increasing the dynamics of electrowetting.
  • the thickness of this layer can be increased from 0 nm to 1000 nm.
  • an additional layer of another insulating material may be deposited on the layer 106.
  • a layer of carbon in the form of amorphous diamond (DLC: carbon-like-diamond in English terminology) with a thickness of 50 nm to 1000 nm.
  • the pattern is then printed in this excess thickness of the layer 106 or in the new layer by, for example, a lithography with nanobeads of diameter of the order of 500 nm to 1000 nm.
  • a monolayer of silica beads may be deposited by a Langmuir-Blodgett process, and then plasma etching through this bead mask may be performed in the overlay 106 or in the additional layer. This etching step leads to an opening of the pattern up to the upper interface of the layer 106. The beads can then be removed simply by ultrasound.
  • the present invention applies in particular to the production of two-phase heat exchangers, diphasic thermosyphons and heat pipes.

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Abstract

Dispositif d'échange thermique à ébullition convective et confinée (D) comportant un canal (2) dans un substrat en contact avec un élément à refroidir (T), dans lequel un fluide polaire circule d'une extrémité amont (2.1) vers une extrémité aval (2.2), des moyens de déplacement du fluide par convection dans le canal (2) imposant un sens d'écoulement, un dispositif de déplacement par électromouillage (8) situé entre le canal (2) et l'élément à refroidir (T) pour déplacer le fluide dans le canal (2), le canal (2) comportant une surface intérieure (9) présentant une faible mouillabilité vis-vis du fluide polaire, lesdits moyens de déplacement par électromouillage comportant une succession d'électrodes (E1, E2, E3) et des moyens de commande pour appliquer sélectivement un potentiel aux électrodes (E1, E2, E3) tel qu'un gradient de force électrostatique s'applique sur ledit fluide dans le sens de l'écoulement.

Description

DISPOSITIF D'ECHANGE THERMIQUE A EBULLITION CONVECTIVE ET CONFINEE A EFFICACITE AMELIOREE.
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR
La présente invention se rapporte à un dispositif d'échange thermique à ébullition convective et confinée à efficacité améliorée, qui peut être mis en œuvre pour le refroidissement de composants électroniques et de composants à dissipation d'énergie thermique .
Le phénomène d' ébullition est très souvent utilisé dans les dispositifs d'échange thermique, un des régimes d' ébullition mis en œuvre est l' ébullition convective et confinée, dans ce régime le liquide s'écoule dans une conduite de diamètre hydraulique inférieure à la longueur capillaire dudit liquide.
Les bulles sont en générale formées en amont, dans les premières zones chaudes du canal, à partir d'un seuil critique de température. Puis, par effet de confinement, elles sont écrasées et coalescent pour former des bouchons de vapeur. La chaleur est alors principalement transmise à travers une microcouche de liquide qui est en contact avec la paroi du canal. On observe généralement, lors de transfert thermique dans les espaces confinés, un assèchement prématuré des parois du canal. Cet assèchement provoque une diminution importante du coefficient d'échange thermique et donc une diminution des performances de l'élément à refroidir. C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un dispositif d'échange thermique diphasique fonctionnant en régime d'ébullition convective et confinée dont l'efficacité est améliorée. EXPOSÉ DE L' INVENTION
Le but précédemment énoncé est atteint par une surface d'échange thermique dans laquelle un dispositif d' électromouillage est mis en œuvre pour déplacer la ligne d'assèchement dans le sens d'écoulement du liquide, qui se forme sur la surface d'échange thermique, ainsi en déplaçant cette ligne d'assèchement dans le sens d'écoulement on déplace le liquide le long de la paroi du conduit, favorisant l'évacuation de la vapeur.
En effet, en régime d'ébullition convective dans un microcanal, le liquide se déplace dans le microcanal par convection, par exemple au moyen d'une pompe. A l'entrée du canal, le liquide est « froid », la phase liquide est la phase majoritaire.
Des bulles de vapeur se forment à la surface du microcanal. Celles-ci sont de plus en plus nombreuses. Elles coalescent jusqu'à remplir le centre du microcanal. Seul subsiste un film de liquide sur la paroi du canal. La vapeur est alors la phase majoritaire. Or, le refroidissement s'effectue par évacuation de la vapeur ainsi formée, qui s'effectue de manière forcée au moyen de la pompe.
Grâce à l'invention, on améliore le refroidissement en améliorant l'évacuation de la vapeur. Pour cela, on agit sur le film de liquide situé sur la paroi dont la vitesse est très inférieure, voire nulle à celle au cœur du canal. Le déplacement du film est obtenu en déplaçant la ligne d'assèchement vers l'aval, plus particulièrement le front de liquide en amont de la ligne d'assèchement, par électromouillage.
En d'autres termes, on améliore l'évacuation de la vapeur en ajoutant une dynamique au film de liquide annulaire, cette dynamique assistant la convection de la pompe, ce qui améliore le déplacement de la vapeur vers l'aval du conduit.
La présente invention a alors principalement pour objet un dispositif d'échange thermique à ébullition convective et confinée comportant au moins un canal dans un substrat destiné à être en contact au moins partiellement avec un élément à refroidir, dans lequel un fluide, dont la composante polaire de son énergie de surface est non nulle, est destiné à circuler d'une extrémité amont vers une extrémité aval, des moyens de déplacement du fluide par convection dans le canal imposant un sens d'écoulement, un dispositif de déplacement par électromouillage situé entre le canal et l'élément à refroidir pour déplacer le fluide dans le canal, le canal comportant une surface intérieure présentant au moins en partie une faible mouillabilité vis—vis du fluide polaire, lesdits moyens de déplacement par électromouillage comportant une succession d'électrodes s' étendant entre l'extrémité amont et l'extrémité aval, et des moyens de commande pour appliquer sélectivement un potentiel aux électrodes, lesdits moyens de commande appliquant des potentiels aux électrodes tel qu'un gradient de force électrostatique s'applique sur ledit fluide dans le sens de l'écoulement.
Dans un mode de réalisation, la succession d'électrodes est composée d'une succession de groupes de n électrodes commandées séparément, n étant égal ou supérieur à 3, lesdites électrodes étant sous forme de lignes croisant une direction d'écoulement du canal.
La succession d'électrodes peut être formée par n pistes parallèles de sorte que les électrodes comportent des portions de piste sensiblement parallèles croisant la direction d'écoulement du fluide, les moyens de commande activant successivement les n pistes.
Les n pistes sont, par exemple de largeur comprise entre 0,1 mm et 1 mm et la distance entre elles est comprise entre 5 ym et 50 ym.
Les moyens de commande activent avantageusement les n pistes périodiquement avec un déphasage de 2Π/η et une fréquence comprise entre 0,1 Hz et 20 Hz.
n est par exemple égal à 3.
Les électrodes peuvent former un angle γ avec une direction orthogonale à la direction d'écoulement, γ étant tel que 0° ≤ γ < 45°.
Les n électrodes peuvent être réparties dans plusieurs plans.
Les électrodes ont par exemple la forme de peignes, dont les doigts croisant la direction d'écoulement sont interdigités . Les moyens de commande peuvent appliquer des signaux de commande déphasés périodiquement de forme carrée, rectangulaire, triangulaire, sinusoïdale, ou autres.
La présente invention a également pour objet l'utilisation du dispositif selon la présente invention pour l'extraction de chaleur d'un élément à refroidir, ledit dispositif étant en contact avec ledit élément à refroidir ou réalisé dans celui-ci.
Un signal de tension est avantageusement appliqué successivement au n électrodes pour générer un gradient de force électrostatique à la ligne triple, fournissant une assistance au déplacement de la vapeur dans le sens d'écoulement du fluide.
La fréquence d' activation des électrodes peut être comprise entre 0,1 Hz et 20 Hz.
La présente invention a également pour objet un procédé de réalisation d'un dispositif d'échange thermique à ébullition convective et confinée selon la présente invention, comportant les étapes :
a) dépôt d'une première couche isolante électrique sur un substrat ;
b) dépôt d'au moins une couche conductrice électrique sur ladite couche isolante électrique pour former des électrodes,
c) structuration de ladite au moins une couche conductrice électrique pour former les électrodes, par exemple par gravure des la couche conductrice électrique,
d) dépôt d'une deuxième couche isolante électrique sur la couche conductrice électrique, e) dépôt sur la deuxième couche isolante électrique d'un film offrant des propriétés de faible mouiHabilité .
Les étapes b) et c) peuvent être répétées plusieurs fois de sorte que des électrodes soient dans des plans différents.
Avantageusement, le procédé de réalisation d'un dispositif d'échange thermique selon la présente invention comporte l'étape de structuration de la couche isolante. La structuration peut être obtenue par lithographie par nanobilles.
Par exemple, le substrat est en acier, le première couche isolante électrique est en SiC/SiC^. La couche de faible mouillabilité est par exemple en SiOC. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre et des dessins sur lesquels :
- la figure 1 est une vue en coupe longitudinale schématique d'un exemple de réalisation d'un dispositif d'échange thermique par ébullition convective et confinée selon la présente invention,
- la figure 2 est une vue en coupe transversale du dispositif de la figure 1, celui comportant, dans l'exemple représenté, trois canaux parallèles ,
- la figure 3A est une vue de dessus du dispositif de la figure 1,
- la figure 3B est une vue de détail de la figure 3A, - les figures 4A à 4D sont des représentations schématiques des différentes étapes d'un exemple d'un procédé de réalisation d'un dispositif d'échange thermique selon la présente invention,
- les figures 5A et 5B sont des schémas explicatifs d'une surface faiblement mouillante et mouillante,
- les figures 6A et 6B sont des représentations graphiques de l'évolution de la mouillabilité de deux surfaces en fonction de la tension appliquée ;
- les figures 7A et 7B représentent respectivement le profil de la ligne d'assèchement dans un dispositif de l'état de la technique et dans le dispositif selon la présente invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Sur les figures 1 et 2, on peut voir un exemple de réalisation d'un dispositif d'échange thermique par ébullition convective et confinée D selon la présente invention, comportant un canal 2 réalisé dans un substrat 100, courant le long d'un élément thermique à refroidir T. Dans l'exemple représenté, le canal court le long de l'élément à refroidir T. Cependant on pourrait prévoir que le canal 2 court à l'intérieur de l'élément à refroidir T.
Le canal 2 fait partie d'un circuit comportant des moyens (non représentés) pour faire circuler, par convection, le liquide dans le circuit, par exemple une pompe. Le canal 2 comporte une extrémité amont 2.1 par laquelle le fluide arrive, et une extrémité aval 2.2 par laquelle le fluide est évacué. Dans l'exemple représenté, le dispositif D comporte trois canaux 2 parallèles.
Le sens d' écoulement du fluide par convection est symbolisé par la flèche F.
Un fluide 4, dont la composante polaire de son énergie de surface est non nulle désigné par la suite fluide polaire, est destiné à circuler dans le circuit dans la direction F, et en particulier dans le canal 2 pour être vaporisé en contact avec la zone du canal en contact avec l'élément à refroidir T.
Selon la présente invention, le dispositif D comporte un dispositif de déplacement par électromouillage 8 situé, dans l'exemple représenté dans la paroi interne du canal 2 à refroidir T en contact avec le canal 2.
Le dispositif de déplacement par électromouillage 8 comporte un chemin d'électrodes E le long du canal 2. Les électrodes sont sous la forme de lignes perpendiculaires à la direction de l'écoulement du liquide. Dans l'exemple représenté, les mêmes électrodes forment les trois moyens de déplacement par électromouillage dans les trois canaux, mais ceci n'est en aucun cas limitatif.
Les électrodes sont isolées du liquide polaire par une couche isolante électrique (non référencée) . En outre, au moins la partie de la surface intérieure 9 du canal 2 du côté de l'élément T offre des propriétés de faible mouillabilité vis-à-vis de la phase liquide du fluide polaire. Une surface S présente des propriétés de faible mouillabilité vis-à vis d'un liquide, lorsque l'angle de contact Θ d'une goutte G dudit liquide est supérieur à 90°, tel que représenté sur la figure 5A.
Une surface S' offre des propriétés de bonne mouillabilité vis-à vis d'un liquide, lorsque l'angle de contact Θ d'un goutte G dudit liquide est inférieur à 90°, tel que représenté sur la figure 5B.
Sur la figure 6B, on peut voir l'évolution de la mouillabilité à l'éthylène glycol d'une couche isolante de constante diélectrique égale à 8 recouverte d'un film hydrophobe . L'éthylène glycol forme un angle de contact égal à 95° sur ce film hydrophobe.
L'évolution de l'angle de contact Θ en fonction de la tension appliquée à l'électrode est représentée pour une épaisseur de couche isolante de 100 nm et une épaisseur de couche isolante de 1000 nm.
On constate que, par rapport à une couche isolante de constante diélectrique égale à 2 (représentée sur la figure 6A) , l'angle de contact Θ diminue plus rapidement, pour être nul pour une couche isolante de 100 nm lorsque la tension est supérieure à 15 V, pour une couche isolante d'épaisseur 1000 nm lorsque la tension est égale ou supérieure à 40 V.
Dans le cas de l'eau, on parle de surface hydrophobe pour une surface faiblement mouillante, et de surface hydrophile pour une surface mouillante. A des fins de simplicité, on considérera l'eau comme fluide à composante polaire non nulle dans la suite de la description. Mais ceci n'est en aucun cas limitatif, le fluide pouvant être par exemple de l'éthylène glycol .
La partie de surface intérieure 9 du canal 2 du côté de l'élément T est donc hydrophobe en l'absence d'application d'un potentiel électrique.
Des moyens de commande sont aptes à appliquer un potentiel à une ou plusieurs électrodes E simultanément. Par exemple, les moyens de commande comportent un circuit de commutation, dont la fermeture établit un contact entre une électrode déterminée et une source de tension. Le circuit de commutation est programmé pour activer les électrodes successivement et pendant un temps donné.
Sur les figures 3A et 3B, on peut voir, vu de dessus, un exemple de réalisation du dispositif de déplacement par électromouillage 8.
Dans cet exemple, le dispositif de déplacement par électromouillage 8 comporte une succession de groupes Gl, G2, G3... de trois électrodes El, E2, E3, chacune étant destinée à être activée indépendamment .
Les trois électrodes El, E2, E3 permettent de générer un gradient de force électrostatique dans le sens d'écoulement F.
Dans l'exemple représenté, les groupes Gl,
G2, G3... de trois électrodes El, E2, E3 sont formés à partir de trois pistes conductrices parallèles adjacentes. Sur la figure 3A, on peut voir le dispositif vu de dessus, dans cet exemple les électrodes El, E2, E3 sont inclinées par rapport à la direction d'écoulement. De manière générale, les électrodes El, E2, E3 forment avec une direction perpendiculaire à la direction d'écoulement un angle γ supérieur ou égal à 0° et strictement inférieur à 45°.
Sur la figure 3B, on peut voir un exemple de réalisation des électrodes El, E2, E3 sous la forme de peigne. Les dents des trois peignes croisant la direction d'écoulement sont interdigitées . Cette configuration permet de simplifier les connexions des électrodes aux moyens de commande, puisqu'il suffit de réaliser trois connexions entre les trois peignes et les moyens de commande.
Dans l'exemple de réalisation représenté, les électrodes El et E2 sont dans un même plan, tandis que l'électrode E3 est dans un plan parallèle supérieur (figures 1 et 2) . Cette configuration n'est en aucun cas limitative. On peut bien entendu prévoir de réaliser les trois électrodes dans un même plan ou dans trois plans parallèles distincts.
On pourrait réaliser des groupes de plus de trois électrodes, par exemple quatre ou cinq, ce qui aurait pour avantage d'améliorer la discrétisation du gradient de force électrostatique et de générer par exemple un gradient non linéaire.
Le chemin d'électrode E est alors formé, dans cet exemple particulier, de lignes d'électrodes parallèles perpendiculaires à la direction d' écoulement .
En variante, on pourrait prévoir des électrodes distinctes connectées individuellement aux moyens de commande. Dans la suite de la description, on désignera par activation d'une électrode, l'application d'un potentiel à une électrode.
Les moyens de commande appliquent successivement à chacune des pistes d'électrodes El, E2, E3 un potentiel d' activation pour provoquer l'application localisée d'une force électrostatique sur le liquide dans le canal 2.
Par exemple, les signaux de commande des trois électrodes peuvent être déphasés de 2Π/3 et périodique. La commande peut être un signal carré, triangulaire, sinusoïdal ou autre. En outre, les durées d' activation des électrodes ne sont pas nécessairement identiques .
Nous allons maintenant expliquer le fonctionnement de ce dispositif d'échange thermique.
A l'entrée 2.1 du canal 2, la phase liquide est majoritaire. En contact avec le canal, des germes de vapeur apparaissent, formant ensuite des bulles qui se détachent. Ces bulles sont emportées par l'écoulement par convection du fluide. Les bulles sont de plus en plus nombreuses au fur et à mesure que l'on s'avance dans le canal 2. Les bulles coalescent, formant un grand volume de vapeur 11 au sein de la phase liquide.
A un certain moment, le volume de phase vapeur est majoritaire et la phase liquide a la forme d'un film 13 sur la surface intérieure du canal 2, séparant le canal de la phase vapeur. Cependant ce film 13 n'est pas continu et en certains endroits sur la partie 9 de la surface intérieure du canal 2, des lignes d'assèchement 14 apparaissent au niveau desquelles le film de liquide est rompu. Cette ligne d'assèchement 14 est bordée en amont et en aval par le film de liquide 13.
L'extrémité du film en amont 15 de la ligne d'assèchement 14 sera appelée par la suite front de liquide. La zone entre la ligne d'assèchement et le front de liquide est une ligne triple. Le front de liquide est assimilable à une goutte de liquide dont la composante polaire d'énergie de surface est non nulle et qui peut être déplacée par électromouillage.
Les moyens de commande appliquent aux électrodes El, E2, E3 des signaux déphasés périodiques.
Par exemple, l'électrode El est activée pendant une durée tl, puis l'électrode E2 est activée pendant une durée t2 et c'est ensuite l'électrode E3 qui est activée pendant une durée t3. Les durées tl, t2 et t3 peuvent être égales ou non.
Le front de liquide 15 est alors soumis à un gradient de force électrostatique généré par l'activation des électrodes El, E2, E3. Du fait du caractère hydrophobe de la partie 9 de la surface intérieure du canal, le front de liquide 15 présente un angle de contact supérieur à 90°.
Pour l'explication du fonctionnement, on suppose que le front de liquide 15 se situe au dessus d'une ligne d'électrode de l'électrode El (figure 1) .
L'électrode El est donc située à proximité du front de liquide 15. Lorsque l'électrode El est activée, à l'aide de moyens de commande, la couche diélectrique et la couche hydrophobe entre cette électrode activée et la partie 9 de la surface sous tension agissent comme une capacité.
La fonction de contre-électrode est assurée par les autres électrodes non activées.
L'électrode E2 adjacente est ensuite activée, l'électrode El ne l'étant plus, le front de liquide 15 est alors tiré vers l'électrode E2.
L'électrode E3 est ensuite activée, l'électrode E2 ne l'étant plus, le front de liquide 15 est attirée vers l'électrode E3.
Le front de liquide 15 peut ainsi être déplacée de proche en proche, sur la surface, par activation successive des électrodes El, E2, E3 le long du canal. Le déplacement du front de liquide 15 génère une assistance au déplacement de la vapeur vers l'aval du conduit, dans une couche visqueuse non soumise aux forces convectives.
L' activation des électrodes se fait dans le sens d'écoulement du fluide, i.e. vers l'extrémité aval 2.2 du canal 2, pour générer un déplacement du film de liquide 15. Ce déplacement peut se comparer à la propagation d'une onde de surface, cette propagation améliorant l'évacuation de la vapeur vers l'extrémité aval du canal .
Les trois pistes d'électrodes sont sensiblement parallèles de telle manière que la ligne d'assèchement rencontre successivement ces trois pistes. Ainsi, la variation déphasée de l'angle de contact au dessus de ces trois pistes voisines permettra de déplacer le front de liquide 15 dans le sens de l'écoulement. Cette configuration d'électrodes permet de simplifier la connexion entre les moyens de commande et les électrodes, puisque trois connexions suffisent pour commander tout le chemin d'électrodes. En outre, le balayage de toute la longueur du conduit s'effectue plus rapidement, puisque le potentiel est appliqué simultanément à toutes les portions d'électrodes appartenant à la piste activée.
Il est à noter que la position du front de liquide est statistique, par conséquent il est donc préférable que l'onde de surface électrostatique couvre toute la longueur du canal.
A titre d'exemple, les potentiels électriques des pistes conductrices dont les potentiels électriques varient périodiquement sont déphasés de 2Π/3 entre elles avec une fréquence comprise entre 0,1 Hz et 20 Hz. Une telle fréquence correspond à une période suffisante durant laquelle le front de liquide 15 se déplace d'une distance équivalente à au moins trois électrodes successives. La vitesse du front de liquide 15 est estimée à environ 1 mm/s à 80 mm/s et la distance couverte par trois électrodes est d'environ 3 mm.
Par exemple, les pistes sont de largeur comprise entre 0,1 et 1 mm, et séparées d'une distance comprise entre 5 ym et 50 ym. Le diamètre du canal peut varier entre 0,1 mm et 2 mm.
Il est bien entendu que tout autre type de configuration pour le dispositif de déplacement par électromouillage permettant un déplacement dans un sens donné du front de liquide peut convenir. Dans le cas où chaque électrode est commandée individuellement, le fonctionnement est similaire à celui du dispositif des figures 1 et 2, cependant, dans ce cas, une seule électrode est activée à la fois.
Nous allons maintenant comparer la forme de la ligne triple dans un dispositif d'échange thermique à ébullition convective de l'état de la technique et celui dans le dispositif selon l'invention.
Sur la figure 7A, on peut voir le profil de la ligne triple dans un dispositif connu, le déplacement de la ligne triple n'est dû qu'aux moyens de déplacement par convection.
En ébullition convective, le liquide se vaporise à cause du flux de chaleur venant de la pièce à refroidir T. Lorsque l'assèchement a lieu, à la ligne triple de contact, le transfert thermique est élevé et peut ainsi créer un flux d' évaporation plus important que dans la zone mouillée. La courbure de l'interface liquide-vapeur est ainsi changée et entraîne l'apparition d'un angle de contact, que l'on appelle «micro-angle de contact» a, supérieur à 90°. Ainsi, la composante horizontale de la force de tension superficielle Fa crée un élargissement de la zone asséchée sur une distance AL.
Sur la figure 7B, on peut voir le profil de la ligne triple dans le dispositif selon la présente invention. En appliquant une onde de surface, la ligne triple de contact se déplace dans le sens de l'écoulement en évitant ainsi l'apparition du micro¬ angle de contact. La composante horizontale de la force de tension superficielle Fa ne crée pas un élargissement de la zone asséchée. La zone asséchée est alors réduite d'une distance AL.
Nous allons maintenant décrire un procédé de réalisation de tels dispositifs d'échange thermique.
On utilise un substrat 100, par exemple en métal comme par exemple l'aluminium ou le cuivre, ou en alliage métallique ou en silicium.
De manière avantageuse, le substrat est en acier.
Lors d'une première étape représentée sur la figure 4A, on dépose une couche électriquement isolante 102 sur le substrat, cette couche est destinée à assurer une isolation électrique entre le substrat et la couche métallique servant pour la réalisation des électrodes .
Par exemple, la couche isolante électrique est constituée de Sic, de SiN, de S1O2 ou d'une combinaison de ces matériaux. De manière avantageuse, la couche 102 est en SiC/Si02, assurant une bonne adhésion sur le substrat d'un part et sur la couche conductrice qui formera les électrodes d'autre part.
L'épaisseur de la couche 102 est choisie suffisamment faible pour ne pas affecter notablement l'échange thermique entre l'élément à refroidir et le fluide. Par exemple, l'épaisseur de SiC/Si02 est de l'ordre de 100 nm à 1000 nm pour une constante diélectrique ε apparente de l'ordre de 2-8.
Le dépôt de cette couche peut être réalisé par un procédé conventionnel de dépôt sous vide de type PVD (dépôt physique en phase vapeur) ou CVD (dépôt chimique en phase vapeur) .
Lors d'une étape suivante représentée sur la figure 4B, on dépose une couche conductrice électrique 104 sur la couche isolante électrique 102 sous la forme d'un film mince. La couche conductrice 104 est par exemple en cuivre, en or, en titane, en molybdène ou en un autre matériau ou alliage conducteur. Son épaisseur est par exemple comprise entre 100 nm à 1000 nm. Le dépôt de cette couche peut être réalisé par un procédé conventionnel de dépôt sous vide de type PVD.
Lors d'une étape suivante (non représentée), on structure les électrodes. Par exemple, on peut effectuer cette structuration au moyen d'un masque physique déposé sur la couche 104. La partie apparente de la couche 104 est ensuite gravée et le masque retiré. On peut aussi prévoir de réaliser cette structuration par procédé lift-off, i.e. on dépose le masque en résine photosensible avant de déposer la couche conductrice 104, le masque étant un négatif de la structure souhaitée pour les électrodes. Puis, la couche conductrice 104 est déposée sur le masque. Le masque est ensuite supprimé par exemple au moyen d'un solvant, emportant les zones de la couche 104 déposées sur le masque.
Ces trois dernières étapes de dépôt de la couche 102, de dépôt de la couche 104 puis de structuration en électrodes de la couche 104 sont répétées de manière identique. Ainsi, la couche 104 inférieure pourra, par exemple, supporter les électrodes El et E2 alors que la couche 104 supérieure pourra, par exemple supporter la couche E3 (figure 2)
Lors d'une étape suivante représentée sur la figure 4C, on dépose une seconde couche électriquement isolante 106 sur les électrodes. Celle-ci est similaire à la première couche 102. Elle peut être faite du même matériau ou d'un matériau différent .
Son épaisseur est par exemple comprise entre 100 nm et 1000 nm pour une constante diélectrique ε apparente de l'ordre de 2-8.
Lors d'une étape suivante représentée sur la figure 4D, on dépose une couche hydrophobe 108 qui sera en contact avec le fluide. Par exemple, cette couche est en SiOC. Son épaisseur est par exemple comprise entre 10 nm et 100 nm. Elle est déposée par un procédé conventionnel de dépôt sous vide de type PECVD.
L'énergie de surface de cette couche, plus particulièrement sa composante polaire, est modulée sous l'effet d'un champ électrique imposé par les électrodes formées dans la couche conductrice 104 inférieure et supérieure, ce qui permet de faire basculer sa propriété de mouillage à l'eau du domaine hydrophobe au domaine hydrophile. La couche 106 telle que décrite ci-dessus permet de générer, à faible tension sur la couche métallique 104, inférieure à 40 V, un champ électrique suffisant en surface pour moduler l'énergie de surface de la couche hydrophobe 108.
Avantageusement, on peut effectuer une structuration à la surface de la seconde couche isolante 106 préalablement au dépôt de la couche hydrophobe 108 afin d'accentuer les propriétés hydrophile et hydrophobe, afin d'atteindre des propriétés de super-hydrophilie et super-hydrophobie .
Cette structuration a pour effet d'augmenter la dynamique d' électromouillage .
Dans le cas d'une structuration de la couche 106, l'épaisseur de cette couche peut être augmentée de 0 nm à 1000 nm. Alternativement, une couche supplémentaire d'un autre matériau isolant peut être déposée sur la couche 106. Par exemple, une couche de carbone sous forme de diamant amorphe (DLC : carbon- like-diamond en terminologie anglo-saxonne) d'une épaisseur de 50 nm à 1000 nm. Le motif est alors imprimé dans cette surépaisseur de la couche 106 ou dans la nouvelle couche par, par exemple, une lithographie par nanobilles de diamètre de l'ordre de 500 nm à 1000 nm. Dans ce cas, une monocouche de billes de silice peut être déposée par un procédé de Langmuir- Blodgett, puis une gravure par plasma au travers de ce masque de billes peut être réalisée dans la surcouche 106 ou dans la couche supplémentaire. Cette étape de gravure conduit à une ouverture du motif jusqu'à l'interface supérieure de la couche 106. Les billes peuvent ensuite être retirées simplement par ultra- sons.
La présente invention s'applique notamment à la réalisation d' échangeurs thermiques diphasiques, de thermosiphons diphasiques et de caloducs.

Claims

SP 35557 Μ.ς WO 2011/029918 PCT/EP2010/063338 21 REVENDICATIONS
1. Dispositif d'échange thermique à ébullition convective et confinée (D) comportant au
5 moins un canal (2) dans un substrat destiné à être en contact au moins partiellement avec un élément à refroidir (T) , dans lequel un fluide, dont la composante polaire de son énergie de surface est non nulle, (4) est destiné à circuler d'une extrémité amont
10 (2.1) vers une extrémité aval (2.2), des moyens de déplacement du fluide par convection dans le canal (2) imposant un sens d'écoulement, un dispositif de déplacement par électromouillage (8) situé entre le canal (2) et l'élément à refroidir (T) pour déplacer le
15 fluide dans le canal (2), le canal (2) comportant une surface intérieure présentant au moins en partie (9) une faible mouillabilité vis—vis du fluide polaire, lesdits moyens de déplacement par électromouillage comportant une succession d'électrodes (E) s' étendant
20 entre l'extrémité amont (2.1) et l'extrémité aval (2.2), et des moyens de commande pour appliquer sélectivement un potentiel aux électrodes (E) , lesdits moyens de commande appliquant des potentiels aux électrodes (E) tel qu'un gradient de force
25 électrostatique s'applique sur ledit fluide dans le sens de l'écoulement.
2. Dispositif d'échange thermique à ébullition convective et confinée selon la
30 revendication 1, dans lequel la succession d'électrodes (E) est composée d'une succession de groupes (Gl, G2 , SP 35557 Μ.ς
WO 2011/029918 PCT/EP2010/063338
22
G3) de n électrodes (El, E2, E3) commandées séparément, n étant égal ou supérieur à 3, lesdites électrodes (El, E2, E3) étant sous forme de lignes croisant une direction d'écoulement du canal.
5
3. Dispositif d'échange thermique à ébullition convective et confinée selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la succession d'électrodes (E) est formée par n pistes (PI, P2, P3)
10 parallèles de sorte que les électrodes (El, E2, E3) comportent des portions de piste sensiblement parallèles croisant la direction d'écoulement du fluide, les moyens de commande activant successivement les n pistes (PI, P2, P3) .
15
4. Dispositif d'échange thermique à ébullition convective et confinée selon la revendication 2 ou 3, dans lequel les n pistes (PI, P2, P3) sont de largeur comprise entre 0,1 mm et 1 mm et la
20 distance entre elles est comprise entre 5 ym et 50 ym.
5. Dispositif d'échange thermique à ébullition convective et confinée selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel les moyens de
25 commande activent les n pistes (PI, P2, P3) périodiquement avec un déphasage de 2Π/η et une fréquence comprise entre 0,1 Hz et 20 Hz.
6. Dispositif d'échange thermique à 30 ébullition convective et confinée selon l'une des revendications 2 à 5, dans lequel n est égal à 3. SP 35557 Μ.ς
WO 2011/029918 PCT/EP2010/063338
23
7. Dispositif d'échange thermique à ébullition convective et confinée selon l'une des revendications 2 à 6, dans lequel les électrodes forment un angle γ avec une direction orthogonale à la
5 direction d'écoulement, γ étant tel que 0° ≤ γ < 45°.
8. Dispositif d'échange thermique à ébullition convective et confinée selon l'une des revendications 2 à 7, dans lequel les n électrodes sont
10 réparties dans plusieurs plans.
9. Dispositif d'échange thermique à ébullition convective et confinée selon l'une des revendications 2 à 8, dans lequel les électrodes ont la
15 forme de peignes, dont les doigts croisant la direction d'écoulement sont interdigités .
10. Dispositif d'échange thermique à ébullition convective et confinée selon l'une des
20 revendications 1 à 9, dans lequel les moyens de commande appliquent des signaux de commande déphasés périodiquement de forme carrée, rectangulaire, triangulaire, sinusoïdale, ou autres.
25 11. Utilisation du dispositif selon l'une des revendications précédentes pour l'extraction de chaleur d'un élément à refroidir, ledit dispositif étant en contact avec ledit élément à refroidir ou réalisé dans celui-ci.
30 SP 35557 Μ.ς
WO 2011/029918 PCT/EP2010/063338
24
12. Utilisation selon la revendication précédente, dans lequel un signal de tension est appliqué successivement au n électrodes pour générer un gradient de force électrostatique à la ligne triple, 5 fournissant une assistance au déplacement de la vapeur dans le sens d'écoulement du fluide.
13. Utilisation selon la revendication précédente, dans lequel la fréquence d' activation des électrodes est comprise entre 0,1 Hz et 20 Hz.
14. Procédé de réalisation d'un dispositif d'échange thermique à ébullition convective et confinée selon l'une des revendications 1 à 10, comportant les étapes :
a) dépôt d'une première couche isolante électrique (102) sur un substrat (100) ;
b) dépôt d'au moins une couche conductrice électrique (104) sur ladite couche isolante électrique (102) pour former des électrodes,
c) structuration de ladite au moins une couche conductrice électrique pour former les électrodes, par exemple par gravure des la couche conductrice électrique (104),
d) dépôt d'une deuxième couche isolante électrique (106) sur la couche conductrice électrique (104) ,
e) dépôt sur la deuxième couche isolante électrique (106) d'un film offrant des propriétés de faible mouillabilité (108). 35557 Μ.ς
WO 2011/029918 PCT/EP2010/063338
25
15. Procédé de réalisation d'un dispositif d'échange thermique à ébullition convective et confinée selon la revendication 14, dans lequel les étapes b) et c) sont répétées plusieurs fois de sorte que des 5 électrodes soient dans des plans différents.
16. Procédé de réalisation d'un dispositif d'échange thermique selon la revendication 14 ou 15, comportant l'étape de structuration de la couche isolante .
17. Procédé de réalisation d'un dispositif d'échange thermique selon la revendication précédente, la structuration étant obtenue par lithographie par nanobilles .
18. Procédé de réalisation d'un dispositif d'échange thermique selon l'une des revendications 14 à 17, dans lequel le substrat (100) est en acier, le première couche isolante électrique (102) est en SiC/Si02.
19. Procédé de réalisation d'un dispositif d'échange thermique selon l'une des revendications 14 à 25 18, dans lequel la couche de faible mouillabilité (108) est en SiOC.
EP10751684A 2009-09-14 2010-09-13 Dispositif d'echange thermique a ebullition convective et confinee a efficacite amelioree Withdrawn EP2478321A1 (fr)

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