Caloduc

Caloduc,dulatincalor«chaleur» et deductus«conduite», désigne des éléments conducteurs de chaleur. Appeléheat pipeenanglais(signifiant littéralement « tuyau de chaleur »), un caloduc est destiné à transporter la chaleur grâce au principe dutransfert thermiquepartransition de phased'unfluide(chaleur latente).

Les multiplesailettesenaluminiumévacuent la chaleur des caloducs d'unventirad(Cooler Master V8).

Principe de base

Un caloduc se présente sous la forme d’une enceintehermétiquerenfermant un fluide à l'état d'équilibreliquide-vapeur, généralement en absence de tout autre gaz.

À l'extrémité du caloduc située près de l'élément à refroidir (on nomme cette extrémité « évaporateur » et l'élément à refroidir « source chaude »), le fluide à l'état liquide sevaporiseen absorbant de l'énergiethermique émise par la source chaude. La vapeur circule alors dans le caloduc jusqu'à l'autre extrémité (condenseur) située au niveau d'undissipateur thermiqueou d'un autre système derefroidissement(source froide) où elle secondensepour retourner à l'état liquide. La condensation permet de céder de l'énergie thermique à la source froide (souvent l'air ambiant).

Le liquide doit alors retourner à l'évaporateur, à l'aide des forces degravitéou, lorsqu'elle n'est pas possible,à l'aide d'autres forces, notamment les forces decapillaritégrâce à des structures composées demailles(appeléesscreen mesh wicksen anglais) ou de poudresmétalliquesfrittées.Il est également possible d'implémenter les capillaires de retour du fluide en réalisant des rainures à l'intérieur du tube constituant le caloduc.Sur de courtes distances, la mise en œuvre demousses métalliquesa parfois démontré son efficacité.

Lorsqu'ils sont correctement dimensionnés, les caloducs offrent uneconductivité thermiqueapparente bien plus élevée que les métaux usuels (cuivre et aluminium), ce qui les rend supérieurs à la simpleconduction.

• Différents types de caloduc
• 
  Caloduc capillaire
• 
  Caloduc gravitaire

Domaines d'applications

Dissipateur thermique deprocesseurd'ordinateurpar un caloduc en cuivre surmonté d'unventilateur.

Ils sont utilisés depuis plusieurs années dans des domaines très variés comme leferroviaire,l’aérospatial,sur descomposants électroniques,le refroidissement delogiqueet d'électronique de puissance.

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 debouteille isotherme,leur extrémité chaude est en contact avec l'eau qui circule dans le circuit capteur-serpentin du ballon.

Les caloducs sont utilisés pour lerefroidissement des satellites,notamment de télécommunications. 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 parrayonnement.

Les caloducs sont utilisés dans les moules enplasturgie.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 lefluide caloporteur,ou éventuellement la carcasse du moule. Cela permet de refroidir efficacement une broche où 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 durefroidissementdemicroprocesseurspourmicro-ordinateurs,dans le cadre d’aircooling.Les caloducs sont de plus en plus présents, sur beaucoup des nouveauxventiradsmilieu et haut de gamme, ce qui permet souvent de s’affranchir durefroidissement liquidedélicat à mettre en œuvre.

Depuis 1976, ils sont aussi utilisés pour lespanneaux solaires thermiques.

Les caloducs sont parfois utilisés pour le transport d'hydrocarbures afin de maintenir la température dupergélisolsuffisamment basse. Par exemple, l'oléoduc trans-Alaskatransporte 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 dernière 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 torsions, voire des bris au pipeline. Pour prévenir le dégel du pergélisol, chaque structure portante de l'oléoduc est pourvue de quatre caloducs verticaux (des thermosiphons).

Histoire

Le principe du caloduc est découvert dans les années 1930, mais aucun usage industriel n'est alors trouvé. En 1963, aulaboratoire national de Los Alamos,grâce aux travaux duphysicienGeorge Grover, le premier caloduc est mis au point.Celui-ci est composé d'un tube de 19mmde diamètre et de 900mmde longueur, et desodiumpour lefluide caloporteur.Il fonctionne à unetempératured'environ827°Cet une puissance de chauffe de 1kW.

Voir aussi

Bibliographie

• Jean-Michel Courty et Édouard Kierlik, «Évacuer la chaleur sans effort»,Pour la science,n^o541,‎novembre 2022,p.88-90

Articles connexes

• Refroidissement à air

Liens externes

• (en)Heat pipe selection guide[PDF]
• Les ventirads heatpipe: Aerocool et TTIC(fonctionnement d'un caloduc)
• Fabricant de mousse métallique décrivant son utilisation dans les caloducs