Design and optimisation of innovative electronic cooling heat sinks with enhanced thermal performances using numerical and experimental methods

par Bineet Mehra

Thèse de doctorat en Mécanique, Energétique, Matériaux

Sous la direction de Daniel Bougeard.

Le président du jury était Jean-Marie Buchlin.

Le jury était composé de Dominique Della Valle.

Les rapporteurs étaient Stéphane Fohanno, Hasna Louhalia.

  • Titre traduit

    Conception et optimisation de dissipateurs thermiques de refroidissement électronique innovants


  • Résumé

    Cette thèse de doctorat s’intéresse aux mécanismes d’amélioration des transferts dans des géométries de dissipateurs thermiques à plaques et ailettes. Une première partie est consacrée à l’étude d’une configuration académique à l’aide de simulations numériques visant à obtenir une amélioration du transfert de chaleur conjugué en modifiant uniquement par des découpes la forme géométrique des ailettes planes conductrices. Une analyse locale approfondie de l’écoulement et des champs thermiques a été effectuée avec notamment le principe de synergie locale, des champs de vitesse et de gradients thermiques, pour comprendre l’effet des modifications géométriques. Ce mémoire présente également le développement de dissipateurs aux performances thermo-aérauliques augmentées pour des applications de refroidissement de coffrets électronique embarqués. L’intensification des transferts thermiques est obtenue par la génération d’écoulements secondaires qui provoquent un brassage de fluide et réduisent la résistance thermique à la paroi en perturbant le développement de la couche limite thermique. Différentes configurations de dissipateurs avec deux types de générateurs d’écoulements secondaires, paires d’ailettes Delta et protrusions, ont été étudiées numériquement, en employant une modélisation de type « RANS ». Les performances thermo-aérauliques des géométries munies de générateurs de vorticité ont été comparées à celle d’un dissipateur thermique de référence « lisse ». Des prototypes ont également été fabriqués et testés sur un banc expérimental spécifiquement développé pour réaliser des mesures des performances globales en termes de puissance thermique et de pertes de charge. Les résultats expérimentaux et numériques ont été confrontés afin de qualifier les simulations réalisées. Par la suite, une étude d’optimisation employant l’analyse factorielle Taguchi a été utilisée afin d’optimiser les paramètres géométriques des dissipateurs retenus. Deux fonctions objectif ont été considérées : la maximisation du facteur de performance thermique à iso puissance de ventilation (PEC) et la réduction de la température moyenne de paroi du dissipateur par rapport au cas de référence. L’analyse des performances thermo-aérauliques globales des géométries étudiées a été complétée par une analyse qualitative locale des champs thermiques et d’écoulement notamment avec le principe de synergie.


  • Résumé

    This doctoral thesis focuses on mechanisms of heat transfer enhancement in plate and fin heat sink geometries. First part of the thesis is dedicated to study an academic configuration using numerical simulations to achieve an improvement in conjugate heat transfer by modifying only the geometrical shape (through punching) of the conductive plane fins. An in-depth local analysis of the flow and thermal fields was carried out with the local synergy principle, velocity and thermal gradients, to understand the effect of geometric modifications. This thesis also presents the development of heat sinks with increased thermo-hydraulic performance for on-board electronic box cooling applications. The intensification of the heat transfer is obtained by the generation of secondary flows which cause an intensive mixing of fluid and reduces the thermal resistance to the wall by disrupting the development of the thermal boundary layer. Different heat sink geometries with two types of secondary flow generators : delta winglet pair and protrusions were numerically studied using RANS approach. The thermo-hydraulic performances of the geometries equipped with vortex generators were compared with that of a smooth reference heat sink. The prototypes were also manufactured and tested on an experimental bench specifically designed to perform global performance measurements in terms of thermal power and pressure drops. Experimental and numerical results were compared to qualify the simulations performed. Subsequently, an optimization study using Taguchi factorial analysis was used to optimize the geometrical parameters of the chosen dissipaters. Two objective functions were considered : maximization of either iso-pumping power performance criteria (PEC) or average wall temperature of the dissipaters compared to the reference case. The global thermo-hydraulic performance analysis of the studied geometries was completed by a qualitative analysis of local flow and thermal fields, in particular with the local field synergy principle.


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