Etude des écoulements diphasiques pour le refroidissement des composants électroniques en systèmes embarqués

par Maria Cristina Riofrio almeida

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides Energétique, Procédés

Sous la direction de Nadia Caney.

Le président du jury était Lounès Tadrist.

Le jury était composé de Raymond Peiffer.

Les rapporteurs étaient Frédéric Lefèvre, Yves Bertin.


  • Résumé

    Cette étude concerne l’étude des écoulements diphasiques dans le cadre du refroidissement des composants électroniques en systèmes embarqués. L’étude bibliographique a permis de sélectionner le refroidissement par spray comme technique prometteuse pour dissiper des flux de chaleur au-delà de 100 W/cm2. Une étude hydraulique, utilisant de l’eau et du HFE7100 comme fluides de refroidissement, nous a permis de valider des modèles permettant de déterminer la taille et la vitesse de gouttes provenant d’une sélection de buses de spray. Pour la partie thermique, nous avons conçu une section d’essais (évaporateur) permettant de pulvériser en spray afin d’étudier le refroidissement avec une boucle fermée diphasique.Vu la complexité du système de spray influencé par plusieurs paramètres et phénomènes physiques, nous avons isolé le phénomène d’ébullition nucléée dans une configuration en ébullition nucléée avec un élément chauffant identique à celui employé avec le refroidissement par spray. Pour améliorer les échanges thermiques, 6 surfaces avec différentes structurations (macroscopiques, microscopiques et hybrides) ont été sélectionnées. Les résultats de tests avec ces surfaces ont été comparés avec une surface lisse tant pour le refroidissement par spray que pour le refroidissement en vase.D’une part, avec un refroidissement par spray, les surfaces macrostructurées nous ont permis de dissiper des puissances thermiques de l’ordre de 140 W/cm2 avec d’importants coefficients de transfert thermique. D’autre part, avec un système de refroidissement par immersion, une des surfaces hybrides a montré être la plus performante.Les résultats reportés dans cette thèse ont permis d’approfondir la compréhension des mécanismes de transfert de chaleur en refroidissement par spray. De même, ils ouvrent la voie à l’étude des améliorations et optimisations du système permettant de l’employer en systèmes embarqués.

  • Titre traduit

    Study of two-phase flow for cooling electronic components in embedded systems


  • Résumé

    This dissertation concerns the study of two-phase flow cooling of electronic components in embedded systems. From a literature review, Spray Cooling was selected as a promising technique for dissipating heat fluxes above 100 W/cm2. A hydraulic study, using water and HFE7100 as coolants, has validate models for determining the size and speed of drops from a selection of spray nozzles. Regarding the thermal study, we have designed a test section (evaporator) to study cooling in a two-phase closed loop system.Given the complexity of Spray Cooling systems, which are influenced by several parameters and involve several physical phenomena, the nucleate boiling phenomenon has been isolated in a Pool Boling system with an identical heating element as Spray Cooling experiment. To improve heat exchange, 6 surfaces with different structures (macroscopic, microscopic and hybrid) were selected. The boiling test results with these surfaces have been compared with a smooth surface for both Spray Cooling and Pool Boiling.On one hand, in Spray Cooling tests, the macrostructured surfaces dissipated heat flux up to 140 W/cm2 with significant heat transfer coefficients. On the other hand, in the Pool Boling system, one of the hybrid surfaces has shown to be the most efficient.The results reported in this dissertation contributes on the understanding of the boiling mechanisms of heat transfer in Spray Cooling. Likewise, they open the way to the study of improvements and optimizations of the system for its use in embedded systems.


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