La trempe à eau par jet impactant est une étape clé des traitements thermiques subis par les tubes d'acier sans soudure. Elle permet, par le contrôle des évolutions microstructurales de l'acier, de conférer des propriétés mécaniques élevées, requises par l'utilisation des tubes dans des environnements de plus en plus extrêmes (nouvelles générations de centrales électriques, forages très profonds,…). En cours de trempe, des phénomènes complexes se produisent à la fois en surface des tubes et au sein du matériau. Les mécanismes au sein du tube (diffusion thermique – transformations de phases – contraintes - déformations) sont en effet étroitement liés aux phénomènes hydrauliques et thermiques survenant en surface de celui-ci. L'ensemble de ces phénomènes et leur couplage requièrent une parfaite compréhension et maîtrise pour anticiper l'apparition de certains défauts de trempe comme le cintrage des tubes ou les tapures et optimiser le traitement thermique. Nous avons donc mis en place au cours de ce travail de thèse, une démarche en deux temps. Dans un premier temps, à l'aide de deux dispositifs originaux de refroidissement, par un jet d'eau plan impactant, d'un cylindre tournant en Ni201 préchauffé à 600°C, nous avons étudié les effets de plusieurs paramètres opératoires sur les transferts thermiques: sous-refroidissement, vitesse du jet, vitesse de déplacement de la paroi, orientation et angle d'impact du jet. A l'issue de cette campagne, de nouvelles corrélations prédisant la densité de flux maximale échangée en paroi, qui prennent en compte la mobilité de la paroi, ont été proposées. En parallèle de ces expérimentations, nous avons entrepris la simulation numérique de la configuration expérimentale en utilisant le code de mécanique des fluides Fluent. Cependant la difficulté rencontrée pour simuler, à partir des modèles d'ébullition disponibles par défaut dans le code, l'ensemble des régimes de transfert thermique –et leur occurrence, n'a pas pu être surmontée. Dans un second temps, nous avons construit, au sein du centre de recherche de Vallourec, un dispositif expérimental de refroidissement hétérogène d'un tube en acier 42CrMo4 par un jet d'eau plan impactant la génératrice supérieure. La température du tube (en plusieurs points) et le déplacement vertical en son milieu étaient mesurés lors des essais. De plus, des visualisations à l'aide d'une caméra rapide ont permis de suivre le front de remouillage en tout début de trempe. En parallèle, nous avons réalisé des simulations de ces expériences pour calculer les évolutions de température, les cinétiques de transformations de phases et les évolutions des contraintes et des déformations au sein du tube d'acier. Pour cela nous avons utilisé le code de calcul par éléments finis, Sysweld, auquel est intégré le modèle de prédiction des cinétiques de transformations de phases, PhaseRC. Un jeu de paramètres thermophysiques, thermométallurgiques et thermomécaniques a été établi en se basant sur des travaux antérieurs et sur des caractérisations expérimentales menées au laboratoire.. L'analyse des résultats des simulations a permis de comprendre l'évolution de la flèche du tube en fonction des gradients de température et de la progression des transformations de phases au cours du refroidissement. La comparaison calcul - expérience a mis en évidence des écarts que nous avons tenté d'expliquer. Nous avons proposé des pistes pour poursuivre le travail entrepris au cours de cette thèse / Jet impingement quenching is one of the key steps among the heat treatments undergone by seamless steel tubes. By controlling the steel microstructural evolutions, the heat treatment leads to specific mechanical properties which are required by the use of the tubes in extreme environment (new generation of power plants, deep drilling,…) During the quenching, complex phenomena occur both at the pipe surface and within the material. The latter (thermal diffusion – phase transformations – stress – strain) are indeed closely related to the hydraulic and thermal mechanisms occuring on the surface. All these phenomena and their interconnection must be perfectly understood and controlled to prevent the appearance of quenching defects such as tube bending and quench cracks and to get the desired metallurgical phases. To achieve this goal we have adopted a two-stage approach. Firstly, using two innovative cooling experimental devices, including a rotating Ni201 cylinder preheated up to 600°C, we have studied the effect of several operating parameters on thermal transfer: subcooling, jet velocity, velocity of the displacement of the cooled surface, direction and impact angle of the jet. Following these sets of experiments, new correlations predicting the maximum of wall heat flux density have been proposed. These correlations take into account the wall motion. Besides this experimental work, we have undertaken numerical simulations of the experimental configuration using the CFD software Fluent. However, simulating all the thermal transfer regimes, particularly the boiling regime and their transitions is still challenging when using the default encoded boiling models; we were unable to successfully complete this work. In a second step, we have built an experimental device allowing heterogeneous quenching of a 42CrMo4 steel tube by an impinging water jet. During the quenching, the tube temperature at different locations and vertical displacement evolutions were recorded. In addition, data obtained from high-speed camera recordings allowed us to monitor the evolution of the rewetting front at the onset of cooling. Numerical simulations of these experiments were conducted in order to compute the time evolutions of temperature, phase transformations, stress and strain throughout the steel tube. To this end we used the finite element calculation software Sysweld, which includes a predictive model for the kinetics of phase transformations called PhaseRC. Using bibliographic data and some laboratory experimental characterizations, we were able to build a set of thermo-physical, metallurgical and thermo-mechanical data needful for these calculations. The simulation results have allowed to understand well the bending evolution of the tube during cooling, considering the thermal gradients and the progress of the phase transformation. Comparison of the simulation results with those obtained from measurements has shown discrepancies that we have tried to explain. Some suggestions have been given for the progress of the work accomplished during this thesis

Les travaux de cette thèse portent sur le refroidissement descomposants électroniques de puissance par métal liquide. Les efforts se sontconcentrés plus particulièrement autour de deux fonctions : la pompeélectromagnétique servant à mettre le fluide en mouvement et le refroidisseur àminicanaux situé sous la source de dissipation.Le mémoire de thèse se structure en quatre chapitres équivalents. Dans lepremier, l’apport des métaux liquides pour le refroidissement des composantsactifs de puissance est démontré. Dans un deuxième temps, l’étude théorique etexpérimentale d’une pompe électromagnétique à conduction est effectuée. Lesystème de refroidissement est plus particulièrement abordé dans le troisièmechapitre. Enfin, des réflexions sur la mise en oeuvre des refroidisseurs à métauxliquides en électronique de puissance sont discutées dans la dernière partie.Grâce à elles, nous voyons que le champ d’application de ces travaux favorisel'émergence de solutions innovantes pour la gestion thermique des composantsélectronique de puissance. / The work presented in this Phd manuscript deals with cooling powerelectronics devices using an electrical conductive fluid. Two important functionshave been considered: the study and the realization of the electromagnetic pumpwhich circulated the fluid in the cooling loop. The second function was study andrealization of the cooler which evacuated the heat from the electronics device.This document has four chapters: introduction to power electronics coolingsystem with liquid metal, electromagnetic pump study, cooler study, and at lastreflections on realizing liquid metal cooler for power electronics devices. Theresults of this work concern a wide range of applications, especially towards newthermal management solutions of power electronics devices.

L'électronique de puissance est en pleine mutation matérielle, technologique et conceptuelle. Cette évolution bouscule l'approche traditionnelle de la conception et de la fabrication des convertisseurs statiques avec pour objectif de proposer des solutions plus performantes, plus fiables et plus compactes et tout cela dans un contexte technico économique de plus en plus exigeant. Cette thèse analyse et expérimente un concept innovant de terminaisons en tension verticales ouvrant la voie vers l'intégration en 3D des composants de puissance mais également l'intégration, au sein même de la zone active d'un échangeur thermique. En s'appuyant sur la technique de réalisation des tranchées profondes issue de la micro électronique, ce document présente une approche permettant la co-intégration de plusieurs composants de puissance indépendants partageant la même électrode et le même substrat en face arrière. L'autre volet de ce travail de thèse est focalisé sur le concept DRIM Cooler (Drift Region Integrated Microchannel Cooler), un réseau de microcanaux perpendiculaires au plan de jonction du composant de puissance permettant son refroidissement direct. Les analyses numériques sont complétées par de nombreuses réalisations, caractérisations et mises en œuvre des approches précitées. / The power electronics field is struggling for new material, technological and conceptual evolutions. These changes induce breakthrough in the conventional design and fabrication of static power converters with the aim to offer more efficient, reliable and compact solutions in an increasingly demanding techno economical context. This PhD thesis presents the results obtained by analyzing, realizing and characterizing an innovative concept based on vertical voltage terminations that opens the way towards the 3D integration of power devices. Moreover, the proposed concept authorizes the integration of a microchannel cooler directly into the drift region of the power device. Based on the realization of deep trench terminations, a technique initially developed for the microelectronics field, this PhD thesis presents an approach allowing the integration of multiple power devices in the same die, all sharing the same backside electrode. This document also focuses on the DRIM Cooler (Drift Region Integrated Microchannel Cooler) concept that allows the direct cooling of the device through multiple parallel microchannels integrated perpendicular to the plane of the device's PN junction. The analytical analysis is completed with numerous realizations, characterizations and practical implementations of the above mentioned concepts.

Ce mémoire présente une étude sur le refroidissement passif de batteries lithium-ion. Il se compose de deux grandes parties. La première partie est une étude expérimentale et numérique du comportement thermique d’une batterie et la seconde partie est l’étude expérimentale d’un système passif pour le refroidissement de plusieurs batteries. Un banc d’essais expérimental a été conçu pour suivre l’évolution thermique des batteries soumises à différents courants de sollicitation. Les batteries prismatiques étudiées sont de type LFP et de capacité 60 Ah. Dans un premier temps, le comportement thermique d’une batterie soumise à des cycles de charge / décharge, est caractérisé expérimentalement. Nous montrons que la température n’est pas uniforme à la surface de la batterie et la zone la plus chaude est identifiée. Dans un second temps, un modèle numérique tridimensionnel a été développé pour prédire la température en tout point de la batterie. Ce modèle thermique permet de prédire notamment les températures à l’intérieur de la batterie, non mesurées expérimentalement et ceci, pour différents courants de sollicitation. Les données d’entrée du modèle sont issues des essais expérimentaux et de la littérature. Cette phase de caractérisation thermique de la batterie est essentielle pour la conception d’un système de refroidissement. Enfin, une étude expérimentale d’un système de refroidissement passif basé sur des caloducs et des plaques à ailettes est réalisée. Plusieurs configurations sont testées au fur et à mesure en apportant des améliorations aboutissant enfin à un système à dix caloducs munis de plaques à ailettes verticales au niveau du condenseur combinés à des plaques à ailettes placées sur les faces des batteries. / This thesis deals with the passive cooling of lithium-ion batteries. It consists of two large parts. The first part is an experimental and numerical study of the thermal behaviour of a battery and the second part is the experimental study of a passive system for the cooling of several batteries. An experimental test bench was designed to monitor the thermal evolution of batteries subjected to different currents. The prismatic batteries studied are made of lithium-iron-phosphate and have a capacity of 60 Ah. In a first step, the thermal behaviour of a battery subjected to charge / discharge cycles is experimentally characterized. We show that the temperature is not uniform at the surface of the battery and the hottest area is identified. In a second step, a three-dimensional numerical model was developed to predict the temperature at any point of the battery. This thermal model makes it possible to predict in particular the temperatures inside the battery, not measured experimentally and this, for different currents. The model input data are from experimental trials and literature. This phase of thermal characterization of the battery is essential for the design of a cooling system. Finally, an experimental study of a passive cooling system based on heat pipes and finned plates is carried out. Several configurations are tested progressively with improvements leading finally to a system with ten heat pipes with vertical finned plates at the condenser combined with finned plates placed on the faces of the batteries.

No description available.

La raréfaction de l'hélium utilisé pour le refroidissement des aimants supraconducteurs pousse les fabricants d'aimants supraconducteurs à se tourner vers d'autres types de supraconducteurs performants qui peuvent être employés et refroidis par conduction solide; C'est le cas du MgB₂ . Découvert en 2001, sa température critique (39 K), sa production en série sous différentes formes (rubans, câbles, films etc…) sur de grandes longueurs permettent d'envisager une utilisation à un prix compétitif dans les aimants en remplacement des supraconducteurs basses températures historiques que sont le NbTi et le Nb₃Sn.Cependant, les conducteurs en MgB₂doivent encore être améliorés notamment leur tenue mécanique par rapport aux conducteurs en NbTi et leurs performances réelles à hauts champs doivent encore être démontrées dans les applications concrètes.Cette thèse a pour but le dimensionnement et la fabrication d'un prototype d'aimant MgB₂ refroidi par conduction solide générant un champ au centre de 2 T dans un champ de fond de 3 T. Trois longueurs de conducteur ont du être soudées par deux jonctions résistives au centre du bobinage complexifiant la fabrication du prototype. La thèse s'articule autour de trois axes structurant. Tout d'abord, des caractérisations des performances supraconductrices et mécaniques de différents conducteurs en MgB₂ permettent de sélectionner le conducteur utilisé pour le bobinage du prototype. Ensuite, le dimensionnement du prototype est présenté : calculs mécaniques, thermiques, magnétiques et thermalisation de l'aimant sans oublier la protection. Après la phase de dimensionnement, les étapes nécessaires à la fabrication du prototype (bobinage,imprégnation, mise en place de l'instrumentation et des systèmes de thermalisations) sont détaillées. Afin de valider les étapes précédentes et les performances du prototype, la thèse se termine par une présentation et une analyse des résultats des tests effectués sur le prototype. / Helium shortage is an issue for superconducting magnets and drives superconducting magnet designer to find other types of effective superconductors that could be used in conduction-cooled magnets.MgB₂ is a promising superconducting material and could fill the demand. MgB₂ was discovered in2001, its critical temperature (39 K) as well as its mass production of a variety of shapes (ribbons, films, cables, wires…) over long length makes MgB₂ a competitive substitute to historical low temperature superconductors such as NbTi and Nb₃Sn in magnets. Although promising, MgB₂ conductors still need mechanical improvement compared to NbTi's and their performance in practical applications has yet to be demonstrated especially for low bending radius magnets. This thesis aims to design and builda MgB₂ conduction-cooled prototype generating a 2 T on the axis on its own in a 3 T background field. Three lengths of conductors were fused by two resistive junctions at the very heart of the winding challenging the design and the fabrication because of the thermal issues. The thesis focuses on three main topics. First, superconducting and mechanical performances of several MgB₂ conductors candidates for the prototype are analyzed and discussed. The design calculation (magnetic, mechanical,thermalization of the prototype and protection) and all the fabrication process (winding, instrumentation, thermal apparatus and impregnation) are presented. In order to validate the fabrication steps and the performances of the prototype, the protoype is tested and the results discussed in the last chapter.

Dans le cadre de l’évolution du plus grand accélérateur circulaire de particules « LHC », un important programme de mise à niveau sur l’ensemble des détecteurs qui le constitue a été lancé. Parmi eux, on retrouve la mise à niveau du détecteur LHCb qui comprend le remplacement complet de plusieurs sous-détecteurs. La fréquence de lecture élevée de 40MHz, sans précédent dans une expérience de physique des particules, et l’environnement de rayonnement sévère lié à l’augmentation de l’intensité du LHC, sont les principaux défis à relever par les nouveaux sous-détecteurs. Le travail présenté dans ce manuscrit, décrit une petite partie de l’évolution du détecteur LHCb. Le développement et la construction d’un nouveau trajectographe à grande échelle, basé sur une nouvelle technologie à fibres scintillantes «SciFi», lues avec des photomultiplicateurs au silicium «SiPM», est l’un des projets clés du programme de mise à niveau de LHCb. La première partie, consiste à étudier les échanges thermiques et à concevoir un système de refroidissement pour chaque Read-Out Box « ROB » qui contient deux cartes électroniques frontales « FE », et qui permettent de lire les données du détecteur. Ces dernières possèdent une dissipation thermique d’environ 110W.Pour assurer le bon fonctionnement des composants électroniques, il est obligatoire de mettre en place un refroidisseur. Des contraintes importantes sont prisent en compte dans cette étude, la première représente l’espace limité en regard du besoin du système de refroidissement, des interfaces électroniques et mécanique, la seconde concerne les SiPM. Reliés à l’électronique par des câbles flexibles, elles sont situées à proximité de l’électronique « FE » et leur température de fonctionnement doit être parfaitement réglée autour des -40°C. Des travaux de simulations numériques sur les logiciels FloTHERM et ANSYS ont été menés sur le banc expérimental réalisé au sein du laboratoire, et qui nous ont permis de déterminer la solution de refroidissement la mieux adaptée. Cette étude nous a aussi montré qu’il est plus que nécessaire d’intégrer des interfaces thermiques « IT» telles que des pâtes thermiques afin d’assurer un meilleur transfert de chaleur entre les composants électroniques et le refroidisseur. La deuxième partie, représente une étude approfondie sur les interfaces thermiques qui sont un point délicat de transfert de chaleur, car elles peuvent avoir plusieurs dizaines de pour cent de la résistance thermique globale. Pour garantir une utilisation adéquate et durable de ces matériaux, plusieurs paramètres ont été vérifiés, en particulier la dureté, la consistance (pas de production de graisse ou d’huile) et la conductivité thermique, grâce à un banc de mesures adapté d’après la méthode normalisé ASTM D5470, grâce auquel on a pu mesurer le flux de chaleur qui traverse l’échantillon d’interface thermique testé et qui est généré par une source chaude et un source froide qui sont montées aux extrémités de notre banc.Grâce à l’installation CHARME (CERN) et à la plate-forme PAVIRMA (Campus des Cézeaux), une série de mesure d’irradiations aux neutrons et aux rayons X sont également effectuées, correspondant à l’environnement dans lequel elles seront exposées dans l’expérience, d’un côté pour identifier les dégradations et changements possibles sur les résistances thermiques par l’analyse de l’impédance thermique, de l’autre pour identifier l’interface thermique qui convient le mieux à notre application et qui permet d’assurer un excellent échange thermique et donc un bon refroidissement de l’électronique frontale au sein du trajectographe du détecteur LHCb. / In the context of the evolution of the biggest circular accelerator of particles «LHC», an important program of upgrade on all the detectors which establishes itself was thrown. Among them, we find the upgrade of the detector LHCb which includes the complete replacement of several sub-detectors. The frequency of high reading of 40MHz, an unprecedented in an experiment of physical appearance of particles, and the environment of severe radiation bound to the increase of the intensity of the LHC, are the main challenges by the new sub-detectors. The work presented in this manuscript, described as a small part of the evolution of the LHCb detector. The development and the construction of a new wide-scale tracker, based on a new technology with scintillating fiber «SciFi», read with photomultipliers to the silicon «SiPM», is one of the key projects of the LHCb upgrade program. The first part, consists in studying the thermal exchanges and designing a cooling system for every Read-Out Box «ROB» which contains two electronic front-end « FE », and which allow to read the data of the detector. The latter has a thermal dissipation about 110W. To ensure the smooth running of electronic components, it is compulsory to set up a cooler. Important constraints are taken into account in this study, the first one represents the space limited compared to the need for the cooling system, the electronic interfaces and mechanical, the second concerns the SiPM. Connected with the electronics by flexible cables, they are located near the electronics «FE» and their temperature of operation is perfectly settled around -40 ° C. Works of digital simulations on the software FloTHERM and ANSYS were led on the experimental bench realized within the laboratory, and which allowed us to determine the best adapted solution of cooling. This study also showed to us that he is more than necessity to integrate thermal interfaces «IT» such as thermal pastas to assure a better transfer of heat between electronic components and cooler. The second part, represents an in-depth study on the thermal interfaces which are a delicate point of transfer of heat, because they can have dozens percent of the global thermal resistance. To guarantee an adequate and sustainable use of these materials, several parameters were verified, in particular hardness, consistency (no production of fat or oil) and the thermal conductivity, thanks to a bench of measures adapted according to the method normalized ASTM D5470, with this bench we could measure the flow of heat through the tested thermal interface sample and which is generated by a hot source and a cold source that are mounted at the ends of our bench.With the installation CHARME (CERN) and PAVIRMA (Cézeaux), a series of measure of irradiations at the neutrons and the X-rays are also made, correspond-ing to the environment in which they will be exposed in the experience, on one side to identify the damages and the possible changes on the thermal resistances by the analysis of the thermal impedance, the other one to identify the thermal interface which suits best our application and which allows to assure an excellent thermal exchange and thus a good cooling of the frontal electronics within the trajectographe of the detector LHCb.

On trouve dans l'ionosphère des hautes latitudes deux sources majeures d'ionisation : les électrons créés par photo-ionisation solaire, et les électrons précipités. L'établissement de l'équation de transport, qui décrit leur évolution est rappelé, puis nous en discutons et testons un modèle de résolution. Utilisant ce programme, nous calculons la production secondaire diurne d'électrons pour divers flux solaires, et nous en proposons un modèle mathématique plus simple. Puis nous étudions le bilan énergétique des électrons thermiques, à partir de précipitations d'électrons. L'équation du bilan détermine la balance entre les termes de chauffage, de relaxation, et de conduction de la chaleur. Nous montrons, en utilisant des mesures de façon intensive (radar EISCAT, satellite VIKING), que dans l'état actuel des connaissances des sections efficaces, ce bilan est vérifié. L'effet des précipitations d'ions est mis en évidence lors d'une des orbites du satellite.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

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. / 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.