Dans le cadre d’une contribution à la modélisation des caloducs oscillants, le modèle mis en place se résume à une bulle seule se déplaçant dans un tube de dimension capillaire.Une densité volumique de chaleur est considérée dans la paroi du capillaire, et la température de référence considérée n’est pas la température de saturation de la phase vapeur,mais la température extérieure au tube ce qui permet la variation de la température de saturation dans le temps et une meilleur adéquation du modèle avec la réalité. La résolution du modèle est effectuée par étapes selon la technique de perturbation du domaine,et les effets physiques de moindres importances peuvent être ajoutés au problème simplifié, en particulier les effets inertiels. Cette résolution a permis de définir une nouvelle corrélation portant sur la hauteur de film déposé par le bouchon liquide en mouvement en fonction du nombre capillaire et d’un nombre d’évaporation représentant l’intensité du chargement thermique. Ce modèle permettra aussi d’étudier l’influence réciproque des champs de vitesse et de température sur le bouchon de liquide devant le ménisque en déplacement. La résolution du problème associé à la partie arrière de la bulle met en évidence la formation d’un bourrelet de liquide entre le film de liquide déposé à la paroi et le ménisque arrière. La taille de ce bourrelet est fortement dépendante de la densité de flux de chaleur imposée à la paroi. Dans le cas o`u le ménisque arrière remouille un film adsorbé laissé à la paroi après assèchement du film, la ligne triple présente des ondulations axiales dues à son déplacement, et non au chargement thermique. La densité de flux de masse évaporée à l’interface liquide-vapeur entraîne une modification non seulement de la température de saturation, mais aussi de la masse de la bulle. Un modèle thermodynamique de la phase vapeur a ´et´e mis en place pour étudier les paramètres importants influençant les variations temporelles des caractéristiques géométriques et thermodynamiques de la bulle. / The model of a single bubble moving in a capillary tube is written as a contribution to the modeling of Pulsating Heat Pipes. A constant heat load is considered at the wall, and the reference temperature of the problem is defined to be the outside medium temperature, which is closer to reality, and thus allowing the saturation temperature of the vapor phase to vary. Using domain perturbation techniques, a step-by-step resolution ofthe model is implemented, allowing minor physical effects to be taken into consideration,for example the inertial effect on the receding meniscus. A new correlation is proposed on the thickness of the liquid film deposited by the receding meniscus, by means of the capillary number and an evaporation number representing the thermal condition. The velocity and temperature fields in the liquid plug ahead of the meniscus can also be obtained. The resolution of the problem associated with the rear-end of the bubble,where the rear meniscus advances on either a micrometric liquid film or an adsorbed film left by the dry-out of the capillary wall, shows a corrugating liquid-vapor interface.The magnitude of these corrugations is strongly dependent on the value of the heat load applied at the wall. In the case of wall rewetting, the interface corrugations at the triple line are due to its displacement, and not to the thermal boundary condition. Because the evaporative mass flux through the liquid-vapor interface modifies the vapor bubble mass, a complete transient thermodynamical model of the bubble is implemented. In this case, the important parameters controlling the kinematics, dynamics and thermodynamics of the bubble were identified.

L'augmentation des pertes thermiques générées dans les composants semiconducteurs a amené le LEG à travailler sur l'intégration de refroidisseurs dans les systèmes de puissance. L'apport des caloducs miniatures plats dans ce domaine permet d'assurer une extraction thermique des énergies dissipées et de réduire les densités de flux thermique. Dans un premier temps, des modélisations thermique et hydraulique ont été conduites pour concevoir et réaliser des prototypes métalliques. Des bancs expérimentaux ont été réalisés pour les caractériser. Deux types de réseau capillaire ont été étudiés. Le premier est constitué de rainures axiales trapézoïdales et le second d'un dépôt de poudres frittées. Enfin, la seconde partie de ces travaux s'est orientée sur l'utilisation du silicium comme matériau support. L'ensemble des études conduites montre l'apport des nouvelles technologies pour concevoir des drains thermiques et des répartiteurs uni et bidimensionnels intégrés dans les substrats de puissance.

Le packaging et la gestion thermique dans le domaine de l'électronique sont devenus des enjeux importants en raison de l'augmentation des niveaux de puissance et de la miniaturisation des dispositifs. Ce travail de thèse est consacré au refroidissement des substrats électroniques empilés dans un module 3D, et à l'intégration dans ces derniers, de fonctions thermiques, tels que les caloducs plats. Cette étude se concentre plus particulièrement sur la conception, la réalisation et l'évaluation expérimentale des caloducs métalliques miniatures très fins. Nous avons pu démontrer que l'intégration des composants de type caloduc dans des substrats très fins est possible et représente une solution très intéressante pour la gestion thermique des équipements électroniques des applications avioniques. L'ensemble de ces travaux a permis de mettre aus points de nouvelles techniques d'élaboration de caloducs plats à réseau capillaire fritté et d'ouvrir cette démarche à de nouvelles stratégies de refroidissement.

Une vision externe du caloduc permet de le considérer comme un système passif de transfert de chaleur assimilable à un matériaux de conductivité thermique 100 à 1000 fois plus importante que le cuivre. Les multiples applications sont évoquées au travers d'exemples. Leur principe de fonctionnement est basé sur l'exploitation du changement de phase liquide vapeur et la circulation d'un fluide à l'état de saturation. Ainsi, nous proposons une classification fine permettant de réduire, aux caloducs circulaires avec ou sans structure capillaire et soumis ou non à des forces de volume, notre analyse détaillée de la physique régissant le fonctionnement des caloducs.<br />Les différentes limites de fonctionnement sont abordées en détails à partir d'une étude bibliographique importante. Des hypothèses nouvelles sont avancées pour le calcul de la limite sonique.<br />Au travers d'une vaste étude bibliographique, nous abordons les notions de conductances thermiques dans la zone évaporateur et condenseur du caloduc, que ce soit pour les caloducs ayant une structure capillaire ou pour les thermosiphons à tube lisse. Cette observation minutieuse de la physique interne nous a conduit à examiner, à l'évaporateur, les échanges thermiques à travers des films liquides minces en introduisant la notion de pression de disjonction et de résistance d'évaporation.<br />D'autre part, un montage expérimental complexe et unique au monde à notre connaissance nous a permis de tester trois caloducs cuivre-méthanol sur une plage de température de [0, 100°C] pour des puissances jusqu'à 1400 W et soumis à des champs d'accélération de 1 à 9 g.<br />Si une partie des résultats expérimentaux obtenus est conforme à nos attentes, de nombreux comportements restent inexpliqués mais permettent d'orienter les recherches futures pour augmenter la prédictibilité des modèles ou des corrélations sur de vastes gammes d'évolution des paramètres (température, puissance, accélération, fluide, matériau, dimensions, structure capillaire, ...)

Le caloduc oscillant est étudié depuis plus d'une vingtaine d'années, mais n'est utilisé, pour l'instant,que pour le refroidissement de composants électroniques. Il y a actuellement un engouement pour élargir l'utilisation de cette technologie au refroidissement d'équipements dissipatifs embarqués. Toutefois, malgré de nombreuses études expérimentales et numériques, Je comportement chaotique d'un caloduc oscillant rend difficile la prévision de son fonctionnement dans des conditions encore jamais rencontrées. Avant de pouvoir l'implémenter dans une application liée au transport, il est nécessaire de s'intéresser aux conditions sévères qu'un caloduc oscillant pourrait rencontrer dans un tel contexte.La présente étude porte sur la validation expérimentale de l'utilisation d'un caloduc oscillant sous diverses conditions sévères. Pour cela, un premier dispositif permet l'observation du comportement du caloduc oscillant lors de variations temporelles des conditions opératoires observées durant un trajet aérien type, ou durant La présence de vibrations mécaniques. Le caloduc oscillant prouve ainsi son utilisation possible dans ce contexte. Deux autres dispositifs permettent l'analyse des performances et limites de fonctionnement pour des puissances (8,4 kW) et densités de puissances thermiques (53 W/cm2) bien supérieures à ce qui est observé classiquement dans la littérature. L'eau s'est montrée le fluide. le plus propice à ces niveaux de puissances,comparée au pentane et au méthanol. Ces deux dispositifs permettent également l'observation du comportement lors d'une répartition uniforme ou non de la puissance thermique injectée sur différentes sources chaudes. Des études paramétriques ont été menées sur les différents dispositifs pour les trois fluides de travail, couplées à des visualisations infrarouges, et permettent d'approfondir la compréhension de l'influence des conditions opératoires: le taux de remplissage, la répartition de la puissance et la température de source froide influencent de façon importante non seulement les performances, mais aussi la limite d'assèchement du caloduc oscillant. / The pulsating heat pipe has been studied for more than twenty years, but is, for the time being, only used for the cooling of electronic components. Tbere is currently a keen interest in expanding the use of this technology to the cooling of embedded dissipative equipment. However, despite numerous experimental and numerical studies, the chaotic behavior of an pulsating heat pipe makes it difficult to predict its functioning under conditions never before encountered. Before being able to implement it in a transport-related application,it is necessary to consider the severe conditions that a pulsating heat pipe could encounter in such a context.The present study deals with the experimental validation of the use of a pulsating heat pipe under various severe conditions. For this purpose, a first device is made to observe the behavior of the pulsating heat pipe during temporal variations of the operating conditions observed during a typical flight or during the presence of mechanical vibrations. The pulsating heat pipe thus proves its possible use in this context. Two other devices serve the analysis of performance and operating limits for powers (8.4 kW) and heat flux densities(53 W/cm2) much higher than conventionally observed in the literature. Water is the most favorable fluid at these power levels, compared to pentane and methanol. These two devices also make it possible to observe the behavior during a uniform or non-uniform distribution of the injected thermal power on various hot sources. Parametric studies have been carried out on the various devices for the three working fluids, coupled with infrared visualizations, to deepen the understanding of the influence of the operating conditions: the filling ratio,power distribution and cold source temperature not only significantly influence performance but also the drying limit of the pulsating heat pipe.

Nous étudions expérimentalement le comportement d'un film liquide, dit de Landau-Levich, lorsqu'il s'évapore dans une atmosphère constituée uniquement de sa vapeur.La dynamique de ce type de film est un paramètre-clef qui gouverne le fonctionnement des caloducs oscillant (en anglais PHP - Pulsating Heat Pipes). Les PHP sont des liens thermiques de forte conductance. Les recherches récentes leur attribuent un pouvoir de refroidissement très élevé, ce qui les rend particulièrement convoités par l'industrie. Leur géométrie est simple : il s'agit d'un tube capillaire enroulé en plusieurs branches entre une partie froide (condenseur) et une partie chaude (évaporateur). Le tube est rempli d'un fluide pur diphasique, c'est-à-dire présent sous la forme d'une succession de bulles de vapeur et de bouchons de liquide. Lorsque la différence de température entre l’évaporateur et le condenseur dépasse un certain seuil, les bulles et bouchons commencent à osciller dans le tube, entre les deux parties, ce qui permet au PHP de transférer la chaleur.Notre installation expérimentale représente un PHP dans sa configuration la plus simple, à branche unique. Une interface liquide-vapeur oscille dans un tube de section rectangulaire, et dépose un film liquide à chaque passage. Nous nous intéressons au mécanisme qui permet l'entretien de l'oscillation de l'interface, et fixe sa fréquence. L'équation de mouvement obtenue prend en compte la dissipation visqueuse engendrée par un écoulement oscillant. Dans les modèles actuels de PHP, l'hypothèse d'un écoulement de type Poiseuille est formulée. Or, notre approche montre que l'hypothèse d'un écoulement faiblement inertiel est mieux adaptée, conduit à une dissipation deux fois supérieure.Le dispositif expérimental permet l'observation du film. Une combinaison originale de méthodes optiques permet également de mesurer sa longueur et son épaisseur, et de reconstruire son profil 3D à chaque instant. Nous pouvons suivre l'évolution du film tout au long de sa durée de vie, et ainsi analyser son comportement dynamique. Le film est presque plat (pente inférieure à 0,1°). Sur toute sa longueur, qui est de quelques centimètres, cela correspond à une variation de son épaisseur de moitié, la valeur moyenne étant de 50 microns. Sous l'effet du chauffage, le film se rétracte progressivement. Dès le début de son évaporation, un bourrelet de démouillage est formé sur le pourtour du film, près de la ligne triple. L'apparition de ce bourrelet est caractéristique d'un démouillage visqueux sous conditions de non-mouillage. Ce comportement est surprenant, dans la mesure où nous avons choisi un fluide mouillant parfaitement la paroi en conditions isothermes. A l'échelle nanométrique, au plus près de la ligne triple, l'angle de contact entre le liquide et la paroi est donc très faible. Nous mesurons cependant un grand angle apparent (c'est-à-dire visible à l'échelle millimétrique), qui augmente avec la surchauffe de la paroi. Dès l'augmentation de cet angle, le bourrelet de démouillage se forme, et le film se rétracte. Ce phénomène est expliqué par l'évaporation à l'échelle microscopique. Les résultats expérimentaux sont en accord quantitatif avec la théorie développée par d'autres chercheurs. / We experimentally study the behavior of liquid films - so called Landau-Levich films - when they evaporate in their pure vapor atmosphere.The dynamics of this film is a key parameter that rules out the functioning of Pulsating Heat Pipes (PHPs). PHPs are high conductive thermal links. Their heat transfert capability is known to be extremely high. For this reason they are promising for numerous industrial applications. Their geometry is simple. It is a capillary tube bent in several branches that meander between a hot part (called evaporator) and a cold part (called condenser), and filled up with a pure two-phase fluid. When the temperature difference between evaporator and condenser exceeds a certain threshold, gas bubbles and liquid plugs begin to oscillate spontaneously back and forth inside the tube and PHP starts transferring the heat.Our experimental setup features the simplest, single branch PHP. A liquid/vapor interface oscillates in a tube. It deposits a liquid film at each passage. We focus first on the mecanism which makes possible self-sustained interface oscillations and defines its frequency. The obtained motion equation accounts for the viscous dissipation caused by oscillatory flow. In existing PHP modelling, a laminar flow is supposed. Yet, our approach shows that the assumption of weakly inertial flow is preferable and leads to a dissipation rate twice larger that the Poiseuille flow.The experimental setup allows the film visualization. An original combination of optical measurement techniques lets us measure the film length, thickness and 3D-profile at all times. The film evolution has been measured during its whole lifetime. The film is nearly flat (its slope is smaller than 0,1°). The film length is of several centimeters, and the average thickness is 50 microns. Thus, along the total length, its thickness decreases by half. Under heating conditions, the film gradually recedes. A dewetting ridge is formed, near the triple contact line. Such a behavior is typical under non-wetting conditions. At the nanometric scale the contact angle between the liquid and the solid wall is very low. However, we measure a large apparent contact angle (visible at the millimetric scale) which increases with the wall superheating. Once this angle increases, the dewetting ridge is formed and the film recedes. The large apparent contact angle is explained by evaporation in the microscopic vicinity of the contact line. The measured apparent contact angle value agrees quantitatively with theoretical results obtained by other researchers.

Parmi les solutions de refroidissement des composants électroniques, les caloducs miniatures permettent de transférer la chaleur passivement, en utilisant le principe de changement de phase d'un fluide caloporteur. Cette thèse est consacrée à l'étude des caloducs de forme plate, composés d'un réseau capillaire à poudre frittée et utilisés comme fonctions thermiques dans des substrats électroniques à haute densité. Grâce au couplage de nos modèles thermiques et hydrauliques, nous avons pu prédire les performances de ces dispositifs en terme de puissance maximale dissipable et de température. Les tests expérimentaux réalisés sur différents prototypes nous ont montré que ce type de caloducs était capable de diminuer la température des composants électroniques de plusieurs dizaines de °C. Les modèles développés ont été validés par les résultats de tests expérimentaux, avec un écart moyen de 20%. L'ensemble de ces travaux, nous a permis de mettre au point la technologie innovante DBC pour la fabrication des caloducs fins.

Le but de la thèse est de développer d’une part, une méthode permettant de quantifier la chaleur générée par la cellule de manière précise. D’autre part, il s’agit d’évaluer la performance thermique d’un panel de solutions de refroidissement pour les batteries destinées à des applications HEV/PHEV/EV. La première partie de ce rapport présente une méthode d’estimation de la chaleur globale de la cellule, permettant de prendre en compte la chaleur ohmique et la chaleur entropique. Ce modèle d’estimation de perte est couplé à un modèle thermique 2D afin d’estimer la température de la cellule. La température obtenue par simulation pour une cellule LiNi0.8Co0.15Al0.05O2/graphite 22 Ah correspond très bien aux mesures expérimentales. Dans la deuxième partie du rapport, la performance thermique de plusieurs solutions de refroidissement (refroidissement à air, refroidissement par matériau à changement de phase (MCP) et refroidissement par caloduc) pour la batterie a été évaluée expérimentalement sous plusieurs puissances de perte et plusieurs conditions de ventilation. Le refroidissement par caloduc s’est révélé d’être une solution efficace, même sous des conditions de ventilation critiques. Quant à la solution de refroidissement par MCP, le prototype qui a été expérimenté a une faible performance thermique. Cela est principalement dû à la faible conductivité thermique de la formulation MCP utilisée. Toutefois, l’utilisation d’autres formulations alternatives de MCP est envisageable. Les résultats de simulation montrent que ces formulations permettraient une amélioration significative de la performance thermique du système de refroidissement par MCP. / Lithium-ion batteries, characterized by their high energy and power density, are highly recommended as power sources for electrified vehicles (HEV/PHEV/EV). However, lithium-ion batteries are very sensitive to their environment and are prone to thermal runaway at high temperature. The goals of this thesis are to develop an accurate lithium-ion cell heat loss calculation method and to investigate the thermal performance of several cooling solutions for HEV/PHEV/EV batteries. The first part presents a global heat calculation procedure for lithium-ion cell which takes into account both the polarization heat and the entropic heat. This heat generation model was coupled with a cell two-dimensional thermal model in order to predict the cell’s temperature. Temperature estimations obtained by simulation for a 22 Ah LiNi0.8Co0.15Al0.05O2/graphite cell showed a very good agreement with experimental results. In the second part, thermal performances of several cooling solutions for HEV/PHEV/EV batteries (air, phase change material (PCM) and heat pipe) were evaluated experimentally under several heat rates and cooling conditions. Heat pipe cooling was found to be a promising cooling solution which works efficiently even under low rate ventilation cooling condition. The experimented PCM cooling system had very poor thermal performance, mainly due to the low thermal conductivity of the used PCM formulation. However, simulations showed that significant improvement could be achieved by using another alternative PCM formulation.

Cette thèse porte sur l’étude et l’optimisation du refroidissement des convertisseurs électriques de puissance (CVS) utilisés dans les trains. Ces composants de grandes dimensions sont lourds, bruyants, et représentent un gouffre énergétique à cause de leur système de refroidissement composé de ventilateur. Nous analysons d’autres types de refroidissements économiques et efficaces. Nous étudions numériquement sous Comsol Multiphysics le refroidissement des CVS par convection naturelle en utilisant l’effet cheminée et par film liquide en exploitant le changement de phase pour évacuer le maximum de chaleur. Les résultats numériques sont validés avec les résultats issus de la littérature et ceux obtenus expérimentalement grâce à un dispositif réalisé pour cette étude. Les résultats obtenus ont permis de constater que la convection naturelle n’est pas suffisante pour évacuer la chaleur et que le refroidissement par film liquide représente une solution très efficace. Nous avons aussi étudié expérimentalement l’efficacité du refroidissement par caloducs. L’influence de la répartition de la chaleur a aussi été analysée pour optimiser l’emplacement des composants électroniques dans le CVS. Une comparaison générale de tous les résultats a permis de proposer le système le plus optimiser en fonction des paramètres choisis. / This thesis is about a study and optimization of the cooling electric power converters (CVS) used in trains. These components are heavy, noisy, and are not energetically efficient. We analyze other types of economic and efficient cooling. We used Comsol Multiphysics to study numerically CVS cooling by natural convection using the chimney effect and liquid film by exploiting the phase change to evacuate heat. The numerical results are validated with the results from literature and those obtained experimentally. The results have shown that natural convection is not sufficient to evacuate the heat and the cooling by liquid film represents an interesting solution. We also studied experimentally the effect of the heat pipe cooling. The influence of the heat distribution was also analyzed to optimize the location of the electronic components in the CVS. A general comparison of all results was proposed to optimize the cooling system.

La miniaturisation toujours plus poussée des composants électroniques génère des contraintes thermiques de plus en plus importantes. Les boucles diphasiques à pompage thermo-capillaire ou LHP suscitent actuellement un intérêt croissant en raison de leurs bonnes performances thermiques, de leur fiabilité et de leur géométrie permettant une grande souplesse d’implantation. Cependant, une meilleure compréhension des phénomènes en jeu dans ces systèmes est essentielle pour optimiser leur conception et prédire leur comportement de manière fiable. Dans ce travail, un modèle analytique est développé qui intègre les paramètres de fonctionnement d’une LHP, afin d’étudier leur influence en fonction des conditions opératoires. Son originalité principale réside dans la détermination précise de la répartition des différents flux thermiques dans l’évaporateur. Une étude de sensibilité est menée pour évaluer les influences de la résistance de contact entre la structure capillaire poreuse et l’enveloppe de l’évaporateur, de la conductivité thermique équivalente du matériau poreux, du coefficient d’accommodation lié aux transferts de chaleur par évaporation et des coefficients de transfert thermique entre la paroi et le milieu ambiant ou la source froide. Cette analyse montre que les paramètres mentionnés ci-dessus peuvent être estimés individuellement, en comparant le modèle à des données expérimentales judicieusement choisies. Un banc expérimental a également été conçu et fabriqué. Partiellement transparent, il permet l’observation de la position des phases liquide et vapeur au cours du fonctionnement. Les influences de la puissance thermique appliquée, de la présence de gaz incondensables et de la température de la source froide sont analysées. Aux puissances thermiques élevées, un régime d’ébullition nucléée est observé dans le réservoir, qui se traduit par une augmentation des flux parasites vers le réservoir donc une dégradation des performances de la LHP. Plusieurs phénomènes oscillatoires sont également observés et corrélés aux observations visuelles des écoulements. Enfin, différents régimes de condensation sont observés et les mécanismes conduisant au détachement des bulles dans le condenseur sont décrits. Un modèle numérique a été développé, afin de simuler le comportement du banc expérimental en se rapprochant au plus près de ses caractéristiques géométriques et thermophysiques. La comparaison entre les prédictions du modèle et les données expérimentales montre les carences des modèles de pertes de charges dans les écoulements diphasiques, pour la configuration étudiée. Les transferts de chaleur et de masse dans l’évaporateur sont analysés, ainsi que l’influence de l’apparition de l’ébullition dans le réservoir et celle de la conductivité thermique de l’enveloppe de l’évaporateur. Les résultats mettent également en évidence l’importance de la conduction thermique longitudinale dans les canalisations dans le cas d’un matériau conducteur. / The increasing development of electronics leads to higher constraints regarding their thermal management. Loop heat pipes (LHP) become more and more attractive because they offer thermal efficiency, reliability and large implementation flexibility. However, a better understanding of the physical phenomena involved within them is required in order to optimise their design and predict accurately their operation. An analytical model is developed to highlight the main parameters of a LHP and their influence depending on the operating conditions. Its main originality lies in a thorough consideration of heat transfer in the evaporator. A sensitivity analysis is conducted to study the influence of the contact thermal resistance between the wick and the body of the evaporator, of the effective thermal conductivity of the wick, of the accommodation coefficient linked to the evaporation heat transfer and of the heat transfer with the ambient and with the heat sink. This analysis shows that these parameters can be individually and separately estimated by comparing the model to a set of well-chosen experimental data. An experimental setup is designed and built. It is partially transparent, to observe the location of the liquid and vapour phases in operating conditions. The effects of the heat input, non-condensable gases and of the heat sink temperature are discussed. Nucleate boiling is observed inside the reservoir for high heat fluxes. This phenomenon increases significantly the parasitic heat flux towards the reservoir and therefore decreases the performance of the LHP. Several oscillating phenomena are also observed and correlated to the flow patterns. Finally, distinct condensation regimes are investigated and the mechanisms leading to the bubble detachment in the condenser are discussed. A numerical model is developed in accordance with the geometrical and thermophysical characteristics of the experimental setup. The model is compared with the experimental data. The comparison shows the lack of accuracy of the two-phase pressure drops models in this configuration. Heat and mass transfer in the evaporator are discussed and the effects of boiling in the reservoir and of the thermal conductivity inside the evaporator casing are investigated. The results highlight the importance of the longitudinal thermal conduction inside the tube in the case of conductive materials.