Thèse d'Etat : Sciences physiques : Paris, Faculté des sciences : 1836. / Titre provenant de l'écran-titre.

L’ébullition en micros canaux est une technique de refroidissement très prometteuse pour les composants en microélectronique. Ces derniers, de plus en plus miniaturisés, nécessitent souvent la dissipation de densités de flux importantes, pouvant atteindre quelques MW m-2 pour maintenir des températures acceptables. L’objet de cette étude est de mieux comprendre les instabilités des écoulements, le transfert thermique par changement de phase tout comme l’effet des rapports de forme (a) sur l’apparition de sites de nucléation à la surface de micro canaux. L’analyse des échanges convectifs locaux lors de l’ébullition a été réalisée dans le cas de micro canaux de rapport de forme allant de 0.3 à 3 et de diamètres hydrauliques allant de 50 à 150 μm. Le banc d’essai a été instrumenté de manière à pourvoir mesurer simultanément les températures de surface à l’aide capteurs en film mince de nickel, de capteurs de pressions instantanées et de caméra rapide pour la visualisation du phénomène d’ébullition. Le chauffage du fluide a été réalisé à l’aide du dépôt en couche mince d’un film résistif en aluminium directement appliqué à la surface des micro canaux. L’étude expérimentale a permis d’analyser les phénomènes de changement de phase par ébullition, du transfert thermique local ainsi que la chute de pression de l’écoulement. En particulier, le travail expérimental a permis de mettre en évidence les effets sur le transfert, du rapport de forma a, de la température de sous refroidissement du fluide à l’entrée des canaux et de la dynamique de formation et de grossissement des bulles. Des fluctuations importantes de pression et de températures ont été enregistrées pour des températures de surfaces avoisinant les 250 °C. Les micro canaux avec a= 1.5 et Dh =120 μm, correspondent à la configuration la plus performante. Les mesures par thermographie infrarouge (IR) combinées à la visualisation par caméra rapide et aux mesures des fluctuations de pressions par capteurs piézoresitifs, ont été réalisées dans le cas de canaux en Polydimethylsiloxane (PDMS) de grand rapport de forme (a = 22) et de diamètre hydraulique Dh =192 μm. L’objectif était d’identifier des cartographies bidimensionnelles et instationnaires de coefficients d’échanges convectifs dans le cas d’un micro canal utilisant un fluide diélectrique le FC -72. La double visualisation par thermographie infrarouge et par caméra CCD rapide a permis de corréler la dynamique de l’ébullition, et notamment le grossissement des bulles, l’asséchement et ou le mouillage des parois, aux coefficients d’échanges convectifs locaux. / Flow boiling in microchannels is a promising technology for cooling of small-scale devices such as electronic chips, power rectifiers, radar arrays, chemical microreactors that require dissipating heat fluxes of several MW m-2 while maintaining constant temperature at the surface. Although flow boiling in macroscale provides higher performance than single-phase or pool boiling heat transfer, the advantages in microscale have not been yet completely justified. This study aims to assist in the better understanding of some outstanding issues regarding flow instabilities, two-phase heat transfer mechanisms and early dryout that occur in microchannels while increasing their aspect ratios (α). Fully integrated and instrumented silicon multimicrochannel heat sinks of width-to-height aspect ratios from 0.3 to 3 and hydraulic diameters ℎ from 50 to 150 μm were developed in order to fully characterise their local heat transfer performance during flow boiling. Local wall temperature measurements were obtained from five thin nickel film temperature sensors with simultaneous pressure measurements and flow visualisation from the top. Uniform heating was achieved with a thin aluminium heater integrated at the back of the microchannels. The effect of , mass flux, inlet subcooling temperature and bubble dynamics on two-phase flow boiling local heat transfer coefficient and pressure drop were investigated for constant heat fluxes. Severe pressure and temperature fluctuations in excess of 250 °C were measured at high microchannels. The heat sinks with microchannels of = 1.5 and ℎ = 120 μm, achieved the maximum heat transfer performance. High spatial and temporal resolution wall temperature maps were obtained with advanced thermography technique, synchronised with simultaneous high-speed imaging and pressure measurements from integrated miniature piezoresistive pressure sensors inside a high aspect ratio (α= 22) transparent Polydimethylsiloxane (PDMS)-based microchannel of ℎ =192 μm. The aim was to produce accurate two-dimensional (2D) high spatial and temporal resolution two-phase heat transfer coefficient maps across the full domain of a single microchannel using FC-72 dielectric liquid. The novel PDMS based microchannel provided measurements in the vicinity of the wall due to the transparency of PDMS to midwave infrared radiation. Synchronised flow visualisation images were related with liquid-vapour distribution of the channel base and were correlated with the two-phase heat transfer coefficient maps in order to elucidate flow boiling instabilities, film thinning during bubble confinement and wetting / rewetting phenomena during annular flow pattern.

L'utilisation de systèmes multiphasés de conversion électromécanique connaît une croissance continue dans divers domaines comme l'énergie et l'électrification des transports. Cette thèse vise à proposer des solutions technologiquement viables permettant de concevoir des convertisseurs de puissance adaptés à des applications contraignantes tant vis-à-vis des performances qu'à l'environnement physique: haut rendement, haute température ambiante, volume réduit, modularité, etc. Les technologies de composants semi - conducteurs à large bande interdite sont étudiées (carbure de silicium et nitrure de gallium) afin de les intégrer dans des modèles de co-simulation avec des machines électriques hexaphasées. D'autre part, une analyse thermique en trois dimensions de systèmes d'électronique de puissance pour ce type d'application est proposée, le calcul numérique par éléments finis permettant de modéliser au mieux le système en tenant compte des diverses contraintes de l'application. Enfin, une validation expérimentale de la technologie du semi - conducteur est menée à bien / The use of multiphase electromechanical conversion systems is increasing steadily in different fields like energy and transportation. This thesis aims to propose solutions which are technologically viable, allowing to design power converters for severe applications: both in terms of performances (high efficiency, modularity, etc.) and physical environment (high ambient temperature, reduced volume...). Wide band gap semiconductor technologies are studied (silicon carbide and gallium nitride) in order to integrate them in co-simulation models with hexaphase machines. Besides, a 3D thermal analysis of power electronic systems for such applications is proposed, knowing that the finite element model considers different severe requirements of the system. An experimental validation of the semiconductor technology is carried out successfully

Reproduction de : Thèse de doctorat : Mécanique des milieux fluides et Energie, Thermique, Combustion : Poitiers : 2009. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 120 réf.

Th. doct.-ing.--Nancy, I.N.P.L., 1983.

Les météorites sont des objets dont la formation date du début du système solaire. Les constituants de certaines d’entre elles, en particulier les chondrites, n’ont été que peu modifiés postérieurement. Leur étude renseigne donc sur les conditions physico-chimiques de formation et d’évolution des matériaux primitifs du système solaire. Les études présentées portent sur le développement et l’application de méthodes de microscopie électronique en transmission analytique. A partir d’observations à l'échelle sub-micrométrique, il s’agit de contraindre de façon quantitative les paramètres physico-chimiques associées aux conditions de transformation de la matière, et notamment les couples temps-température liés aux processus diffusifs.Une partie du travail concerne les modifications induites par un métamorphisme thermique modéré afin d’étudier les premières étapes de transformation sur les corps parents. Les profils de concentration aux interfaces entre minéraux majoritaires (olivine et pyroxènes) ont permis de contraindre la température du pic métamorphique de la météorite d'Allende dans la gamme 400-465°C et de mieux comprendre les premières étapes de l’évolution de la matrice d’Acfer 094. Une seconde partie est consacrée aux événements de haute température liés à la formation des chondres de type I. L’étude de pyroxènes calciques de la météorite de Paris a permis de préciser leurs vitesses de refroidissement, estimées entre 6 et 30°C/h. Enfin, nous avons mis en place une méthodologie permettant d’affiner la répartition des ions Fe2+ et Mg2+ dans les orthopyroxènes à partir de données de diffraction électronique, en relation avec les cinétiques de refroidissement. / Meteorites are objects formed in our early Solar System. Some of their components, especially in chondrites, have been subjected to little change afterwards. Their study gives thus access to the formation conditions of primitive material of the Solar System. This work concerns the development and the application of analytical transmission electron microscopy methods. The aim is to deduce from sub-micron observations the physical and chemical parameters associated to material transformation, and in particular the time-temperature couples related to diffusion phenomena. A first part of the work focuses on the modifications induced by moderate thermal metamorphism in order to study the first transformation steps on meteorite parent bodies. Concentration profiles at interfaces between major minerals (olivine and pyroxene) allow us to constrain the peak metamorphic temperature of the Allende meteorite between 400 and 465°C and to better understand the first evolution stages of the Acfer 094 matrix. A second part deals with the high temperature events associated to the type I chondrule formation. Within the Paris meteorite, their cooling rate has been estimated between 6 and 30°C/h from the study of calcic pyroxenes. At last, we implemented a method using electron diffraction to refine the Fe2+ and Mg2+ cations distribution in orthopyroxene, which is related to the cooling kinetics.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les concepteurs de moteurs aéronautiques sont constamment sujets à la demande d’augmentation de puissance de la part des constructeurs d’aéronefs. Pour satisfaire à cette exigence, la température de sortie de la chambre de combustion peut être augmentée pour améliorer le rendement et la puissance de sortie du moteur. Cette élévation de température peut toutefois dépasser le point de fusion du matériau et, pour éviter les pannes de moteur, l’intégrité des aubes de la turbine repose notamment sur des systèmes de refroidissement internes,prélevant de l'air froid du compresseur. La conception de ces systèmes revient donc à maximiser l’amélioration du transfert de chaleur tout en minimisant le débit d’air via les pertes de charge afin d’éviter des pénalités de puissance du moteur. Or ces écoulements en canaux internes sont encore largement incontrôlés et mal compris. Dans le but de mieux comprendre ces écoulements en rotation se développant spatialement, ce travail porte sur l’étude via simulations numériques d’un canal de refroidissement droit, perturbé, en rotation. La configuration consiste en un canal carré équipé de 8 perturbateurs placés avec un angle de 90 degrés par rapport à l’écoulement principal. Pour les cas étudiés, des mesures PIV temporelles ont été effectuées à l'Institut VanKarman (VKI). Les conditions adiabatiques et isothermes ont été étudiées pour évaluer l’impact dela température de la paroi sur l’écoulement, en particulier dans les configurations en rotation. Les canaux statiques ainsi qu’en rotation positive et négative sont comparés avec, dans chaque cas,une prédiction d’écoulement adiabatique ou isotherme. Dans ce travail, les résultats de simulations aux grandes échelles (SGE) montrent que le modèle CFD haute fidélité est capable de reproduire les différences induites par la flottabilité sur la topologie de l'écoulement dans la région proche. Le modèle parvient également à prévoir l'augmentation (la diminution) de la turbulence autour des perturbateurs en rotation déstabilisante (stabilisante). Enfin et grâce à la SGE spatiale et temporelle complète, le développement spatial et l’instationnarité des écoulements secondaires sont analysés pour mieux comprendre leur origine et leurs différences potentielles entre les cas. Cette étude montre que la topologie du flux thermique en parois est déterminée par la structure des écoulements secondaires alors que l’intensité du flux thermique aux parois est déterminée par le niveau de fluctuations de l’écoulement dans l’espace interperturbateur

Thèse doctorat : Mécanique et Energétique : Nancy 1 : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Depuis sa démonstration expérimentale en 1995, le refroidissement de solides par effet laser s'est établi comme une solution de réfrigération remarquable. Capable de dépasser des températures cryogéniques sans générer de vibration, son utilisation dans des dispositifs optiques et électroniques suscite un grand intérêt. Les résultats actuels se basent sur l'utilisation de fluorescence anti-Stokes, essentiellement au travers de la transition $^\textup{2}\textup{F}_{7/2}\,→\,^\textup{2}\textup{F}_{5/2}$ des ions d'ytterbium (III). La génération de refroidissement s'établit lorsqu'un rendement presque unitaire sur cette fluorescence est obtenu, ce qui demande une minimisation extrême des autres voies de relaxation. Les limitations résident majoritairement dans la relaxation multiphonon et les absorptions parasitiques d'impuretés. Dans le premier cas, ce phénomène intrinsèque au matériau hôte des ions Yb$^{3+}$, est réduit par le choix de matrices à faibles énergies de phonons que l'on retrouve par l'emploi de verres et cristaux de fluorures. Dans le second, une pureté de matériau très élevée est requise, avec une attention particulière sur les métaux de transitions bivalents (Fe(II), Cu(II), Ni(II) et Co(II)) et la présence de groupements hydroxyles, qui présentent des sections d'absorptions importantes dans le domaine spectral de l'ytterbium. Les monocristaux fluorés représentent les candidats favoris, qui du fait de leur nature et procédé de synthèse arrivent à satisfaire les deux points précédents. Ils présentent en revanche certaines limitations quant à leur flexibilité de géométrie et des coûts importants de fabrication. Les travaux présentés dans ce manuscrit consistent à explorer des matériaux qui pourraient répondre à cette demande : les verres et vitrocéramiques oxyfluorés. Composés d'une partie oxyde amorphe contenant des cristaux de fluorures, ils présentent un compromis intéressant entre les excellentes propriétés mécaniques et thermiques des verres oxydés et les performances optiques des cristaux de fluorures. Issus généralement d'un verre parent, ils permettent également de conserver les méthodes de mises en forme spécifiques aux verres, avec des coûts de fabrication modérés. Dans les deux premiers chapitres, une approche conventionnelle est étudiée pour le développement d'échantillons. Une composition vitreuse oxyfluorée SiO$_2$ – Al$_2$O$_3$ – LiF – YF$_3$ – YbF$_3$ est mise à l'étude par l'exploration du domaine vitreux. Une étude paramétrique a permis de caractériser les impacts des conditions de synthèse et leurs conséquences sur les propriétés physico-chimiques et optiques des verres. Une étude de la cristallisation de la matrice, à l'aide de techniques de diffraction aux rayons X, a permis de déterminer la capacité de formation de phases d'intérêt pour le dopage à l'ytterbium. À la suite de l'obtention d'échantillons vitrocéramiques transparents, des mesures de temps de vie et d'intensité de fluorescence, ainsi que de rendement quantique soulignent le potentiel de ces matériaux à trouver applications pour de la réfrigération optique. Le second chapitre porte attention sur l'amélioration en pureté des précédentes vitrocéramiques. Les échantillons du chapitre 1 montraient des absorptions parasitiques autour de 0.180 cm$^{-1}$ / 40 dB.km$^{-1}$ pour une excitation à 1550 nm. L'obtention de refroidissement par fluorescence anti-Stokes demanderait une diminution de l'ordre de 0.03 cm$^{-1}$ / 10 dB.km$^{-1}$. Les principales causes de ces pertes ont été identifiées comme la conséquence de deux catégories d'impuretés : la présence de groupements hydroxyles et les métaux de transitions bivalents, plus spécifiquement le Fe(II), Cu(II), Ni(II) et Co(II). Le premier point a été adressé en transférant l'intégralité du procédé de synthèse en atmosphère sèche. Le second a nécessité de combiner l'utilisation de précurseurs commerciaux ultra-haute pureté et des produits de synthèse pour la composition SiO$_2$ – Al$_2$O$_3$ – LiF – YF$_3$ – YbF$_3$. À la suite de ces améliorations, une diminution des absorptions de fonds jusqu'à 0.064 cm$^{-1}$ a permis d'augmenter le rendement quantique et l'intensité de fluorescence pour une excitation anti-Stokes des vitrocéramiques. Pour une excitation à 1030 nm, une baisse importante de l'échauffement des échantillons a été observée, cependant aucun refroidissement net n'a pu être mesuré. Le troisième et dernier chapitre présente une étude de verres fabriqués par une méthode alternative de dépôt de silicates par phase vapeur. Les conditions de fabrication rendant impossible l'utilisation de fluorures (hautes températures avec des atmosphères oxydantes), une exploration de compositions vitreuses oxydes non-réalisables par fusion-trempe a été conduite. Dans ces travaux, des verres d'aluminosilicates d'yttrium fabriqués par dépôt de vapeurs chimiques modifié (MCVD) sont présentés. Les échantillons obtenus démontraient un phénomène unique de séparation de phase nanométrique. Aux suites d'une étude en microscopie électronique, les zones de ségrégation ont démontré un enrichissement en Al et Y et Yb, là où les matrices environnantes étaient majoritairement composées de silice. Les échantillons ont montré des propriétés de fluorescence supérieures à des échantillons de silice dopés Yb, ne démontrant pas cette séparation de phase. Grâce aux très hautes puretés de matériau alloué par ce mode de fabrication, du refroidissement optique a pu être mesuré sur chacun des échantillons, jusqu'à -2.4 Kelvins pour une excitation de 20W à 1030 nm, sous pression et atmosphère ambiante. / Since its experimental demonstration in 1995, laser cooling of solids has established itself as a remarkable refrigeration solution. Capable of reaching cryogenic temperatures without generating vibrations, its use in optical and electronic devices has garnered significant interest. Current breakthroughs are based on the use of anti-Stokes fluorescence, primarily through the $^\textup{2}\textup{F}_{7/2}\,→\,^\textup{2}\textup{F}_{5/2}$ transition of ytterbium (III) ions. Cooling occurs when near unity radiative efficiency is achieved, which demands extreme minimization of other relaxation pathways. The limitations mostly reside in multiphonon relaxation and parasitic absorptions of impurities. In the former case, this intrinsic phenomenon in the host material of Yb$^{3+}$ ions is reduced by selecting matrixes with low phonon energies, such as fluoride glasses and crystals. In the latter case, high material purity is required, with particular attention to divalent transition metals (Fe(II), Cu(II), Ni(II), and Co(II)), and the presence of hydroxyl groups, which exhibit significant absorption cross-sections in the ytterbium spectral domain. Fluoride single crystals are the favored candidates, which, due to their nature and synthesis process, satisfy the previous two points. However, they possess limitations in terms of geometry flexibility and significant manufacturing costs. The work presented in this manuscript aims to explore materials that could provide mouldable and cost-effective properties: oxyfluoride glasses and glass-ceramics. Comprising an amorphous oxide part containing fluoride crystals, they offer an interesting compromise between the excellent mechanical and thermal properties of oxide glasses and the optical performance of fluoride crystals. Generally derived from a parent glass, they also allow for the retention of glass-specific shaping methods, with moderate manufacturing costs. In the first two chapters, a conventional approach is studied for sample development. An oxyfluoride glass composition SiO$_2$ – Al$_2$O$_3$ – LiF – YF$_3$ – YbF$_3$ is investigated through vitreous domain exploration. A parametric study has characterized the impacts of synthesis conditions and their consequences on the physicochemical and optical properties of glasses. A study of matrix crystallization, using X-ray diffraction techniques, has determined the potential for the formation of phases of interest for ytterbium doping. Following the attainment of transparent glass-ceramic samples, measurements of fluorescence lifetime and intensity, as well as quantum yield, highlight the potential of these materials for optical refrigeration. The second chapter focuses on enhancing the purity of the previous glass-ceramics. The samples from Chapter 1 exhibited parasitic absorptions around 0.180 cm$^{-1}$/ 40 dB.km$^{-1}$ for excitation at 1550 nm. Achieving cooling through anti-Stokes fluorescence would require a reduction of approximately 0.03 cm$^{-1}$ / 10 dB.km$^{-1}$. The main causes of these losses were identified as the result of two categories of impurities: the presence of hydroxyl groups and divalent transition metals, specifically Fe(II), Cu(II), Ni(II), and Co(II). The first point was addressed by transferring the entire synthesis process in a dry atmosphere. The second required a combination of using ultra-high purity commercial precursors and synthesis products for the SiO$_2$ – Al$_2$O$_3$ – LiF – YF$_3$ – YbF$_3$ composition. Following these improvements, a decrease in background absorptions to 0.064 cm$^{-1}$ allowed for an increase in quantum yield and fluorescence intensity for anti-Stokes excitation of the glass-ceramics. For excitation at 1030 nm, a significant decrease in sample heating was observed; however, no net cooling could be measured. The third and final chapter presents a study of glasses manufactured through an alternative method of silicate deposition by vapor phase. The manufacturing conditions, which make the use of fluorides impossible (high temperatures with oxidizing atmospheres), led to an exploration of oxide glass compositions not achievable through melt-quenching. In this work, yttrium aluminosilicate glasses manufactured by modified chemical vapor deposition (MCVD) are presented. The obtained samples demonstrated a unique nanometric phase separation phenomenon. Following a study using electron microscopy, segregation zones exhibited enrichment in Al, Y, and Yb, whereas the surrounding matrices were primarily composed of silica. The samples exhibited fluorescence properties superior to Yb-doped silica samples, not showing this phase separation. Thanks to the very high material purities afforded by this fabrication method, optical cooling could be measured on each of the samples, down to -2.4 Kelvins for 20 W excitation at 1030 nm, under ambient pressure and atmosphere.