Etudes expérimentale et théorique de diffuseurs thermiques diphasiques : application au refroidissement de systèmes dissipatifs

par Romuald Rullière

Thèse de doctorat en Énergétique et thermique

Sous la direction de Monique Lallemand et de Frédéric Lefèvre.

Soutenue en 2006

à Lyon, INSA .


  • Résumé

    Le présent travail concerne les études expérimentale et théorique de diffuseurs thermiques diphasiques (DTD). Les DTD sont des systèmes de refroidissement efficaces (par changement de phase), qui permettent de transférer de la chaleur avec un faible gradient de températures. L'application visée concerne le refroidissement des piles à combustible ; il s'agit de réduire le volume du système de refroidissement et d'homogénéiser la température du coeur de la pile. Les résultats expérimentaux concernent un DTD en cuivre de surface importante par rapport au condenseur. En position verticale (mode de thermosiphon diphasique), les résultats obtenus pour le DTD chargé en méthanol montrent une différence de températures le long de l'évaporateur de 1,6 K pour une densité de flux imposée de 0,5 W cm-2 (85,5 W) alors qu'elle atteint environ 55 K pour le DTD vide. Ces résultats répondent aux objectifs de l'application des piles à combustible. Le DTD a été testé en position horizontale afin de déterminer ses performances lorsque la capillarité devient le moteur de l'écoulement. Des limites capillaires de 0,9 W cm-2 et 1,7 W cm-2 ont été déterminées expérimentalement respectivement pour le méthanol et l'eau. Pour le DTD chargé en méthanol, un microscope confocal a permis de mesurer le rayon de courbure de l'interface liquide-vapeur depuis l'évaporateur jusqu'au condenseur. Un modèle hydrodynamique, basé sur les équations de bilans et l'équations de bilans et l'équation de Laplace-Young, a été couplé à un modèle thermique du DTD. Ces modèles permettent de déterminer les évolutions du rayon de courbure de l'interface, des vitesses et des pressions du liquide et de la vapeur et le champ de températures le long du DTD pour une puissance thermique imposée. Les rayons de courbure et les températures mesurés sont en bon accord avec les résultats du modèle. Le modèle validé a permis de déterminer les dimensions optimales du DTD permettant d'obtenir une puissance maximale transférable importante avec une faible résistance thermique

  • Titre traduit

    = Experimental and theoretical studies of two-phase heat spreaders : Application to the cooling of high heat flux power devices


  • Résumé

    This present PhD is devoted to experimental and theoretical studies of two-phase heat spreaders (TPHSs). TPHSs are very efficient cooling systems (using phase-change phenomena) that are able to transfer heat fluxes with small temperature gradients. The proposed application is the cooling of fuel cell systems. These TPHSs aim at reducing the volume of actual cooling systems and to homogenize the temperature in the hearth of fuel cells. The experimental study concerns a copper TPHS of dimensions 230  90 mm2 with longitudinal micro-grooves. This TPHS is flat with a wide evaporating area compared to the condenser area. Experimental results obtained with methanol in vertical favourable orientation (thermosyphon orientation) show a temperature difference lower than 1. 6 K on the entire evaporator area for an evaporator heat flux equal to 0. 5 W cm-2 (85. 5 W) while it reaches approximately 55 K for the empty TPHS. The TPHS thermal performances are promising for the cooling of fuel cell systems. Thermal tests in horizontal orientation were conducted to determine the behaviour of the TPHS, when the liquid motion is due to capillary forces rather than to volume forces. The TPHS capillary limit is for a heat flux equal to 0. 9 W cm-2 and 1. 7 W cm-2 for methanol and water, respectively. A confocal microscope is used to measure the meniscus curvature radius along the grooves from the heat source to the heat sink when the working fluid is methanol. A two-phase flow model, based on the balance equations and the Young-Laplace law, is coupled to a thermal model. These models allow the calculation of the liquid and vapour velocities and pressures, the meniscus curvature radius in the grooves and the temperature field all along the TPHS for a given heat flux. Experimental measurements of the meniscus radius and the temperature field show a good agreement with models results. These models are used to determine the optimal dimensions of the TPHS.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (156 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 131-137

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(3090)
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