Ces travaux de thèse sont focalisés sur le développement d’une boucle diphasique LHP pour le contrôle thermique de composants intégrés dans les moteurs aéronautiques. L’étude concerne les compartiments situés à l’intérieur de la nacelle, en lien avec les challenges thermiques des moteurs de future génération. Tout d’abord, une étude de faisabilité a été menée, basée sur une évaluation de l’environnement thermique, une analyse des contraintes d’intégration et une première identification d’un couple fluide de travail-matériau de construction. En ce qui concerne ce dernier aspect, l’eau et le DowthermTM J ont été identifiés comme les meilleurs candidats pour leur utilisation avec les alliages souhaités pour cet environnement. D’un côté, le point triple élevé de l’eau a obligé la vérification de la tenue mécanique du milieu capillaire mouillé à des cycles de gel/dégel. Le milieu poreux fritté en titane a montré une excellente résistance mécanique et il est resté parfaitement intact après plus de 1500 cycles. D’un autre côté, vu le manque d’informations concernant la compatibilité du DowthermTM J avec les matériaux sélectionnés, des tests de compatibilité ont été effectués avec trois thermosiphons en parallèle, et ont montré un taux de génération de gaz non condensables déjà à faible température. Pour cette raison, la compatibilité entre le DowthermTM J et les matériaux a été jugé non satisfaisante et le fluide a été rejeté. L’étape suivante a été la conception d’un prototype de boucle LHP. Des outils numériques robustes ont été développés pour la validation finale : un modèle 0D pour la boucle entière ainsi qu’un modèle couplé 1D - 2D du condenseur. Le prototype de LHP a été construit et testé sous différentes conditions opératoires. Une quantité de gaz non condensable a été observée initialement, due à la passivation des surfaces intérieures à la boucle. Néanmoins, les résultats expérimentaux ont montré que la boucle répond aux cahiers de charge thermique, même en présence de ces gaz,étant capable de fonctionner sous hautes températures et haute pression. La génération de gaz s’est arrêtée après un certain nombre d’heures cumulées de fonctionnement ; pourtant, les inspections internes à l’évaporateur après les tests ont montrés une dégradation significative de l’état de surface, due aux réactions chimiques entre le fluide de travail et les matériaux de la boucle. Les résultats de ces travaux de thèse constituent une étape fondamentale vers le développement d’une boucle LHP pour le contrôle thermique de composants intégrés dans la nacelle. Des informations essentielles à la conception des prototypes de future génération sont fournies, vers la validation et la certification des LHP pour leur utilisation dans cet environnement. / In this work, the development of a Loop Heat Pipe (LHP) for aircraft nacelle thermal management is presented. The study is focused on engine compartments and integrated equipment applications, according to the upcoming thermal management challenges in the next generation of engines. First, a feasibility study was performed, analyzing the thermal environment, the integration constraints and the identification of suitable working fluid construction material pairs. As for the latter aspect, water and DowthermTM J were identified as most suitable candidates with the lightweight aeronautical alloys considered for this environment. On one hand, the high triple point of water obliged to verify the wick mechanical resistance to repeated freezing cycles when soaked into pure water. On the other hand, compatibility tests were performed between DowthermTM J and the selected alloys, due to the lack of related data. In the former, the sintered titanium wick provided an excellent stiffness and it remained perfectly intact after more than 1500 cycles. In the latter, the thermal tests performed on parallel thermosyphon shave clearly shown the generation of non-condensable gases (NCG) inside all the samples starting from low operating temperatures. As a result, the compatibility of DowthermTM J was considered not fully satisfactory and this fluid was discarded. The next step concerned the design of the titanium/water LHP prototype. Robust numerical tools were developed for the final design validation: a simplified 0D nodal model for the entire device and a coupled 1D and 2D condenser model representation. The LHP prototype was manufactured and tested in different operating conditions. A significant amount of NCG was initially generated inside the device, due top assivation of the internal surfaces. Nonetheless, the experimental results demonstrated the LHP capability to satisfy the thermal requirements, even in presence of NCG, with standing high operating temperatures and pressures. Although the gas generation rate became negligible after several hours of tests, internal inspections performed at the end of the test revealed a deep alteration of the internal surface state, due to the chemical reactions with the working fluid. The results of this work represent an important milestone for the development of a LHP for aircraft nacelle applications. Essential information for the design of future generations of prototypes are provided, toward the validation and certification of LHP for nacelle thermal management.

Les systèmes électriques occupent de nos jours une place de plus en plus importante dans le domaine du transport aérien, ferroviaire et automobile. Ce progrès s'est accompagné de la miniaturisation des systèmes(convertisseurs) qui nécessitent un refroidissement très performant. Alors que les systèmes de refroidissement traditionnels atteignent leurs limites, une des solutions consiste à utiliser des boucles fluides diphasiques reposant sur le changement de phase liquide-vapeur du fluide de travail, en particulier les boucles diphasiques gravitaires. L'objectif de cette thèse est double: proposer un modèle détaillé de la boucle ainsi qu'un modèle réduit capable de calculer les variables en tout point de la boucle et en tout instant mais beaucoup moins gourmand en temps de calcul. Concernant tout d'abord le modèle détaillé, les équations de l'écoulement monodimensionnel et compressible du fluide à l'état monophasique et diphasique en régime transitoire sont résolues par la méthode d 'Euler explicite et par la méthode des volumes finis. Le mélange liquide-vapeur se comporte comme un mélange homogène, en équilibre mécanique et thermique. Les lois de fermeture du modèle sont déduites des lois d'état du type "Stiffened Gas". En ce qui concerne le modèle réduit, une extension de la méthode d'identification modale est proposée. La structure du modèle réduit est tout d'abord déterminée en effectuant la projection de Galerkine des équations de conservation continues. Ensuite les paramètres dumodèle réduit sont identifiés par la résolution d'un problème d'optimisation. Le modèle réduit ainsi construit est alors validé sur plusieurs cas présentant des dynamiques différentes. / Today, electrical systems are becoming increasingly important in the air, rail and automotive sectors.The immediate consequence of this progress is the miniaturization of systems (converters) requiring very important cooling means. Whereas conventional cooling solutions are reaching their limit, an alternative one can be sought in two-phase loops based on the liquid-vapor phase change of a working fluid, in particular two-phase loop thermosyphon. The objective of this thesis is twofold : to propose a detailed model of a two phase loop thermosyphon as well as a reduced model able to calculate the variables at any location of the loop at any time with a much smaller computing time. First, the equation of the transient one-dimensional compressible one-phase and two-phase fluid flow is solved using the explicit Euler method of order 1 and the finite volume method. The liquid-vapor mixture is modeled as a homogeneous mixture at mechanical and thermal equilibrium. The closure laws of the model are deduced from the "Stiffened Gas" state laws. For the reduced model, an extension of the modal identification method is proposed. The structure of the reduced model is first determined carrying out the Galerkin projection of the continuous conservation equations.Then the parameters of the model are identified by the resolution of an optimization problem. The reduced model thus constructed is then validated on several cases with different dynamics

Le développement de la technologie du véhicule hybride au sein du parc automobile mondial place les constructeurs tels que PSA Peugeot-Citroën face à de nouvelles problématiques. L'intégration des modules d'électronique de puissance dans ce type de véhicule entraîne d'importantes dissipations thermiques qu'il est nécessaire d'évacuer alors que les systèmes de refroidissement conventionnels atteignent leurs limites. Dans ce but, un système innovant de transfert thermique passif fait l'objet de la présente thèse : la boucle diphasique à pompage thermocapillaire. Une architecture particulière de ce type de système est présentée, où les positions relatives de l'évaporateur, du réservoir et du condenseur permettent à la gravité de jouer un rôle de premier plan dans le fonctionnement de cette boucle. Une pré-étude ayant permis de sélectionner l'éthanol comme le fluide de travail le mieux adapté à cette application automobile, un banc expérimental finement instrumenté avec mesures de températures, pressions et débits a été mis en oeuvre pour caractériser la réponse de la boucle à une application de puissance en régimes de fonctionnement permanent et transitoire. L'apport des mesures de débit et de pression s'est notamment traduit en régime transitoire par la mise en évidence de phénomènes d'écoulement particuliers dans la boucle. Les résultats obtenus ont permis, tant sur les plans thermique qu'hydraulique, de confirmer d'une part leur potentiel de gestion de la dissipation thermique en maintenant la température de l'électronique stable quelle que soit la puissance appliquée et d'ouvrir d'autre part nombre de perspectives de contrôle et de dimensionnement pour la conception des futures boucles. Les données expérimentales obtenues ont également permis de valider et d'identifier en régime permanent un modèle nodal thermo-hydraulique de boucle développé dans le cadre de cette thèse. Ce modèle global est basé sur une approche originale, dans ce contexte, de modélisation du phénomène de changement de phase avec comme variable du calcul l'enthalpie en sus de la température et de la pression. Même si ce modèle reste tributaire de l'expérience par l'identification de deux conductances thermiques, il nous a permis d'apprécier en particulier l'influence de la gravité et des conditions d'environnement sur le fonctionnement de la boucle et ouvre également des perspectives de dimensionnement pour sa valorisation au sein de futurs véhicules hybrides.

Les boucles diphasiques à pompage capillaire sont des systèmes performants de transfert thermique qui peuvent transporter, de manière passive, de très importantes quantités de chaleur sur de grandes distances : utilisant les phénomènes qui apparaissent lors de la vaporisation d'un liquide dans un corps poreux (la mèche) contenu dans l'évaporateur, ces dispositifs offrent l'avantage de ne pas utiliser d'organe mécanique de puissance pour mettre lefluide frigorigène en mouvement. Vu les performances dont ces systèmes ont fait preuve dans le domaine spatial, leur utilisation dans le domaine gravitaire est aujourd'hui sérieusement étudiée, en particulier dans le domaine ferroviaire. Le travail de cette thèse porte sur la description du comportement thermodynamique instationnaire global d'une boucle diphasique à pompage capillaire, utilisée par Alstom Transport pour refroidir ses composants d'électronique de puissance. La première partie de ce travail consiste en la modélisation du transfert de masse et de chaleur dans la mèche contenu dans l'évaporateur, qui est le composant clé de la boucle. Un modèle mathématique instationnaire 2D a été développé pour décrire l'écoulement diphasique avec changement de phase dans le milieu poreux. Les résultats numériques de ce modèle montrent la formation d'une poche de vapeur au sein de la mèche poreuse. Une étude approfondie est élaborée pour décrire la dynamique de la croissance de cette poche en fonction de plusieurs paramètres (géométrie, sous-refroidissement, température de saturation, porosité). La deuxième partie de ce travail consiste à coupler le modèle de l'évaporateur au reste de la boucle afin d'obtenir un modèle thermodynamique global avec une interface liquide/vapeur mobile dans la mèche poreuse. Ce modèle est validé en régime transitoire par une confrontation de ses résultats aux mesures obtenues lors d'une précédente campagne expérimentale. Le comportement de la boucle au cours de la phase de démarrage est ensuite étudié. Finalement, la réponse transitoire de la boucle globale est analysée, en portant un intérêt particulier au comportement de l'évaporateur soumis à un créneau de puissance appliqué, à la variation de la température de consigne du réservoir de contrôle et à la variation de la température de la source froide en contact avec le condenseur. / Capillary pumped loop is a two phase device that uses the phase change phenomena occurred in the porous wick to transport large heat loads over long distances (several meters) without the need of any mechanical pump. CPLs have been developed and successfully employed for the thermal control of satellites. Thanks to their heat transport capacity, their use is now seriously considered in the gravity field especially for cooling electronic devices of a railroad traction chain. The work of this thesis focuses on the description of the unsteady thermodynamic behavior of a capillary pumped loop used by Alstom Transport to cool its power electronics components. The first part of the thesis consists to study the key component of CPL: the capillary evaporator. A 2D unsteady mathematical model has been developed to describe the heat and mass transfer inside the porous wick of the CPL evaporator. The numerical results of this model show the formation of a vapor pocket inside the porous wick. The influences of evaporator geometry, liquid subcooling, saturation temperature and wick porosity on the dynamic growth of the vapor pocket are discussed in detail. The second part of this work consists of coupling the CPL evaporator model with other CPL components in order to obtain a global capillary pumped poop model with a mobile liquid/vapor interface in the porous wick. The proposed model is validated by comparing numerical simulations with experimental results obtained in a previous works realized at Alstom Transport. The CPL startup is then studied. Finally, the influences of the applied power, reservoir temperature and heat sink temperature on the dynamic response of the overall loop are analyzed, with a particular interest to the evaporator behavior.

France Télécom possède des armoires de télécommunication dont la puissance est limitée à cause de la dissipation thermique des équipements actifs qui entraîne une augmentation de leur température interne. La puissance des équipements limite le nombre de clients qu'il est possible de connecter aux services des réseaux à hauts débits. En plus de cette contrainte, les armoires sont soumises à des effets liés au climat (ensoleillement) qui peuvent être sévères et difficiles à maîtriser. Ceci nécessite l'intégration de systèmes de refroidissement permettant de maintenir la température des composants en dessous de la limite imposée (55°C). C'est dans cet objectif que ce travail de thèse a été mené au sein du laboratoire FEMTO-ST en collaboration avec le service R&D de France Télécom à Lannion. Le refroidissement par changement de phase est favorisé pour maintenir la température de fonctionnement du système stable et pour être utilisé dans les systèmes à haute densité de puissance. Les boucles diphasiques sont des systèmes de refroidissement pour le contrôle thermique et fonctionnent passivement sans pompage mécanique du fluide caloporteur. Après une étude bibliographique sur les boucles de refroidissement diphasiques et leurs applications, on a constaté que les boucles thermosiphons sont particulièrement adaptées aux applications où le faible coût, l'efficacité énergétique et la fiabilité d'entretien sont souhaités. Cette étude a été conduite en suivant un cahier de charge proposé par France Télécom qui consiste à : (i) développer un modèle numérique permettant de modéliser les transferts échangés entre l'armoire de télécommunication et le milieu ambiant, (ii) mener une étude expérimentale en vue de concevoir une boucle thermosiphon pour le refroidissement d'armoires de télécommunication.Le mémoire de cette thèse montre la limitation des systèmes de refroidissement classiques utilisant des écoulements d'air en convection forcée ou autre fluides sans changement de phase. Un modèle numérique est développé afin de permettre la prédiction des températures à l'entrée des boitiers chauffants pour différentes conditions climatiques. Le choix est porté sur l'utilisation d'une modélisation par réseau nodal. La modélisation est effectuée en tridimensionnel et en régime transitoire. Nous avons également modélisé le rayonnement solaire auquel est soumise l'armoire de télécommunication. Le modèle développé a été validé en effectuant une comparaison entre les résultats issus de la modélisation et ceux obtenus à partir des expériences menées au laboratoire et à la plateforme CLIMA chez France Télécom. Les essais sont effectués en régime transitoire en imposant une puissance électrique et en faisant varier la température ambiante ou la densité de flux thermique solaire. L'ensemble des résultats obtenus ont permis de constituer une base de données. Le deuxième objectif fixé dans le cadre de ce travail de thèse est la conception d'un système de refroidissement sous forme d'une boucle thermosiphon. La contrainte principale qui a guidée cette conception était le fait que la boucle doit refroidir l'armoire et assurer une température d'air à l'entrée des équipements inférieure à la limite imposée par la norme ETSI. Ceci nous a mené à concevoir un prototype de boucle thermosiphon dont la puissance thermique qu'il doit dissiper est imposée. On a montré que ce prototype permet de dissiper des puissances thermiques allant jusqu'à 470 W en utilisant une petite charge de npentane. Nous avons effectué des essais sur le refroidissement du prototype d'armoire de télécommunication en utilisant la boucle thermosiphon légèrement modifiée. On montre que les performances thermiques obtenues en utilisant un mode de refroidissement en boucle thermosiphon sont meilleures. Les boucles thermosiphons semblent intéressantes pour un refroidissement passif de matériels déployés dans un réseau de télécommunication...

Les boucles diphasiques à pompage thermo-capillaire de type LHP (pour Loop Heat Pipe, en anglais), dont le fonctionnement s’apparente à celui d’un caloduc, permettent un transfert de chaleur particulièrement efficace et entièrement passif entre une source chaude et une source froide. Ce transfert s’effectue au moyen d’un fluide diphasique, mû grâce à la force motrice capillaire générée par un matériau poreux contenu dans l’évaporateur/réservoir de la LHP. Outre son rôle de barrière hydraulique entre les phases liquide et vapeur, ce matériau doit assurer une fonction de barrière thermique afin de favoriser l’évaporation du liquide. L’aptitude du matériau à remplir ses fonctions dépend étroitement de sa microstructure, elle-même liée à la méthode de fabrication. Dès lors, l’objectif de la thèse est d’associer la science des matériaux à celle de la thermique, pour améliorer les procédures de fabrication de structures capillaires existantes ou tester de nouvelles méthodes, et aboutir à des structures dont les caractéristiques sont en adéquation avec celles qui sont recherchées. / The capillary pumped loops (CPL) or loop heat pipes (LHP), whom the operating principle is similar to classic heat pipes, enable an efficient heat transfer between a hot source and a cold source without additional energy sources. Indeed, a porous structure provides a capillary force that enables a two-phase fluid to circulate around the loop, transferring the heat from the evaporator to the condenser. The porous structure acts as a hydraulic barrier between the two phases and as a thermal barrier enabling the liquid evaporation. The ability of the capillary structure to fulfil its mission depends on its microstructure, and thus on the manufacturing process. Therefore, the objective of the present thesis is to join the thermal sciences with the material sciences in order to improve the existing manufacturing procedure or even to test new ones. It aims at obtaining capillary structures corresponding to heat transfer applications.

France Télécom possède des armoires de télécommunication dont la puissance est limitée à cause de la dissipation thermique des équipements actifs qui entraîne une augmentation de leur température interne. La puissance des équipements limite le nombre de clients qu'il est possible de connecter aux services des réseaux à hauts débits. En plus de cette contrainte, les armoires sont soumises à des effets liés au climat (ensoleillement) qui peuvent être sévères et difficiles à maîtriser. Ceci nécessite l’intégration de systèmes de refroidissement permettant de maintenir la température des composants en dessous de la limite imposée (55°C). C’est dans cet objectif que ce travail de thèse a été mené au sein du laboratoire FEMTO-ST en collaboration avec le service R&D de France Télécom à Lannion. Le refroidissement par changement de phase est favorisé pour maintenir la température de fonctionnement du système stable et pour être utilisé dans les systèmes à haute densité de puissance. Les boucles diphasiques sont des systèmes de refroidissement pour le contrôle thermique et fonctionnent passivement sans pompage mécanique du fluide caloporteur. Après une étude bibliographique sur les boucles de refroidissement diphasiques et leurs applications, on a constaté que les boucles thermosiphons sont particulièrement adaptées aux applications où le faible coût, l'efficacité énergétique et la fiabilité d’entretien sont souhaités. Cette étude a été conduite en suivant un cahier de charge proposé par France Télécom qui consiste à : (i) développer un modèle numérique permettant de modéliser les transferts échangés entre l’armoire de télécommunication et le milieu ambiant, (ii) mener une étude expérimentale en vue de concevoir une boucle thermosiphon pour le refroidissement d’armoires de télécommunication.Le mémoire de cette thèse montre la limitation des systèmes de refroidissement classiques utilisant des écoulements d’air en convection forcée ou autre fluides sans changement de phase. Un modèle numérique est développé afin de permettre la prédiction des températures à l’entrée des boitiers chauffants pour différentes conditions climatiques. Le choix est porté sur l’utilisation d’une modélisation par réseau nodal. La modélisation est effectuée en tridimensionnel et en régime transitoire. Nous avons également modélisé le rayonnement solaire auquel est soumise l’armoire de télécommunication. Le modèle développé a été validé en effectuant une comparaison entre les résultats issus de la modélisation et ceux obtenus à partir des expériences menées au laboratoire et à la plateforme CLIMA chez France Télécom. Les essais sont effectués en régime transitoire en imposant une puissance électrique et en faisant varier la température ambiante ou la densité de flux thermique solaire. L’ensemble des résultats obtenus ont permis de constituer une base de données. Le deuxième objectif fixé dans le cadre de ce travail de thèse est la conception d’un système de refroidissement sous forme d’une boucle thermosiphon. La contrainte principale qui a guidée cette conception était le fait que la boucle doit refroidir l’armoire et assurer une température d’air à l’entrée des équipements inférieure à la limite imposée par la norme ETSI. Ceci nous a mené à concevoir un prototype de boucle thermosiphon dont la puissance thermique qu’il doit dissiper est imposée. On a montré que ce prototype permet de dissiper des puissances thermiques allant jusqu’à 470 W en utilisant une petite charge de npentane. Nous avons effectué des essais sur le refroidissement du prototype d’armoire de télécommunication en utilisant la boucle thermosiphon légèrement modifiée. On montre que les performances thermiques obtenues en utilisant un mode de refroidissement en boucle thermosiphon sont meilleures. Les boucles thermosiphons semblent intéressantes pour un refroidissement passif de matériels déployés dans un réseau de télécommunication... / France Telecom owns telecommunication cabinets whose power is limited because of the heat dissipation of active devices which leads to increased internal temperature. Power equipment limits the number of clients that can connect to networks services with high data rates. In addition to this constraint, the cabinets are subject to climate-related impacts (sunlight) that can be severe and difficult to master. This requires the integration of cooling systems to maintain the temperature of components below the limit (55 ° C). It is with this aim that this work was conducted in the laboratory Femto-ST in collaboration with the R & D department of France Telecom in Lannion.Cooling the phase change is promoted to maintain the operating temperature of the stable and system for use in systems with high power density. The loops are two-phase cooling systems for thermal control and operate passively without mechanical pumping of the coolant.After a literature review on two-phase cooling loops and their applications, it was found that the thermosyphon loops are particularly suitable for applications where low cost, energy efficiency and reliability maintenance are desired. This study was conducted by following a set of specifications proposed by France Telecom which involves: (i) develop a numerical model to model transfers exchanged between the cabinet and the telecommunications environment, (ii) conduct an experimental study to design a thermosyphon loop for cooling telecommunication cabinets.The memory of this thesis shows the limitation of conventional cooling systems using air flow forced convection or other fluids without phase change. A numerical model is developed to enable the prediction of temperatures at the inlet of heated enclosures for different climatic conditions. The choice is focused on the use of a nodal network modeling. The modeling is done by three-dimensional and transient. We also modeled the solar radiation, which applies to the telecommunications closet. The developed model was validated by comparison between the results of modeling and those obtained from experiments in the laboratory and platform CLIMA at France Telecom. The tests are performed by imposing transient electrical power and varying the temperature or heat flux density solar. All the results obtained allowed to establish a database.The second goal as part of this thesis is the design of a cooling system as a thermosyphon loop. The main constraint has guided this design was that the loop needs to cool the cabinet and provide air temperature at the inlet of the equipment below the limit imposed by the ETSI. This led us to design a prototype of thermosyphon loop with a heat output that must be dissipated is imposed. We showed that this prototype is used to dissipate the heat ratings up to 470 W using a small load of npentane.We conducted tests on the prototype cooling telecommunication cabinet using slightly modified thermosyphon loop. We show that the thermal performance obtained by using a cooling mode loop thermosyphon are better. Thermosyphon loops seem interesting for passive cooling of equipment deployed in a telecommunications network. Indeed, being able to use an air conditioning system independent and requires no energy should be promoted in a reduction of overall energy consumption.