Conception et réalisation de caloducs silicium pour les applications spatiales

par Aymeric Lai

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Christian Schaeffer et de Charlotte Gillot.

Soutenue en 2005

à Grenoble INPG , en partenariat avec Laboratoire d'électrotechnique (Grenoble1980-2006) (laboratoire) .

Le jury était composé de Yves Brunet, Daniel Alquier, Jean-Marie Dorkel, Elise Bellouard.

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Résumé

Dans un contexte d'intégration toujours plus poussée et d'augmentation des domaines de fonctionnement des systèmes électroniques à bord des satellites, la conception de systèmes de refroidissement compacts et performants permettant la gestion de puissance de densités de plusieurs W/cm^2 est nécessaire. Ce travail de thèse effectué au laboratoire d'électrotechnique de Grenoble (LEG) et utilisant l'expertise technologique du CEA-LETI se propose d'étudier l'emploi de systèmes à changement de phase en silicium, utilisant l'eau comme fluide, pour le refroidissement de l'électronique embarquée selon un cahier des charges défini par le CNES. S'appuyant sur les techniques de la microélectronique (notamment celles de la gravure profonde), les avantages intrinsèques du silicium pour l'application spatiale (faible masse volumique, bonnes propriétés mécaniques, compatibilité avec l'environnement électronique) et une première expérience de réalisation de systèmes diphasiques, le dimensionnement hydrauliques, mécanique et thermique de répartiteurs de chaleur carrés S cm x Scm de compacité réduite (1 mm) capables de fonctionner en microgravité et la réalisation de démonstrateurs ont été effectués. La caractérisation des performances thermiques et hydrauliques de ces derniers permettent de prévoir à terme la dissipation de densités de puissance au delà de 76 W/cm^2 avec une conductivité équivalente de 800 W/(m. K) selon le domaine de fonctionnement en température considéré. Une réflexion sur la problématique de l'injection du fluide dans la structure et son confinement hermétique dans le dispositif a également été menée et a donné lieu a une proposition de solution originale et brevetée.

Titre traduit

Design and realization of silicon heat pipes for space applications

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Résumé

Ln a context of further integration and increase of operationnal working domains of electronic systems aboard satellites, the conception of effective and compact cooling systems for the thermal management of power densities of several decades of W/cm^2 is necessary. This Phd work which took place at the "Laboratoire d'Electrotechnique de Grenoble" (LEG) and used the technological knowledges of the CEA LETI focuses on the study of silicon phase-change systems using water as the working fluid for the on board cooling of electronics considering specifications provided by the CNES. Using microelectronic techniques (especially deep etching techniques), specifie advantages of silicon for space applications (Iow mass, good mechanical behaviour, compatibility with electronics) and a first experience of the realization of phase change systems, hydraulical mechanical and thermal design of S cm square spreaders with reduced compacity (1 mm) able for microgravity working and the realization of prototypes were dealt. Thermal and hydraulical performances characterization of the latter allow to forecast dissipation of power densities up to 76 W/cm^2 with an equivalent thermal conductivity of 800 W/(m. K) according to the working temperature domain considered. Moreover, a study of the issue of the filiing of the structure and hermetic confinment of the fluid was dealt and an innovative patented solution was proposed.