Modélisation du comportement thermique d’un caloduc oscillant plat : approche par méthode inverse

Les caloducs oscillants, en tant que systèmes de refroidissement diphasique passifs, trouvent leur attrait dans leur simplicité d’élaboration, leur coût relativement faible et leur facilité d’intégration pour des performances équivalentes aux systèmes diphasiques classiques (caloducs…). De ce fait, les secteurs du transport, aériens ou terrestres, s’intéressent particulièrement à cette solution. Le dispositif étudié ici s’inscrit dans le développement des mobilités électrifiées, en proposant une solution de refroidissement des organes de la chaine de traction électrique. La problématique majeure liée au caloduc oscillant est, par son comportement stochastique, son dimensionnement et la prédiction de ces performances par la modélisation numérique. Ainsi les travaux présentés sont le fruit d’une analyse qui fait suite à des mesures expérimentales par thermographie infrarouge.

Le caloduc oscillant testé ici est composé d’une plaque de cuivre de forme parallélépipédique d’épaisseur très faible au regard des deux autres dimensions. 90% de sa surface est chauffée uniformément à puissance constante, tandis que les 10% restant font office de source froide. Un canal unique en forme de serpentin est présent au cœur de la plaque, à l’intérieur duquel circule librement un fluide de travail à l’état de saturation sous forme de bouchons liquides / bulles de vapeur. Le mouvement est rendu possible grâce aux forces de pression provoquées par les croissances/diminutions des bulles de vapeur dans les zones évaporateur/condenseur. Les résultats expérimentaux ont montré une nette amélioration des performances avec la présence de fluide dans le serpentin. En effet, pour une puissance de 45 W appliquée à l’évaporateur, la température moyenne de la zone chauffée passe de 60∘^{\circ}C, sans fluide de travail, à 40∘^{\circ}C lorsque le fluide est présent.

Par thermographie infrarouge, par identification du profil de température le long du caloduc, une approche par méthode inverse permet de remonter au profil de conductivité thermique équivalente le long du dispositif (la conductivité équivalente est souvent utilisée pour quantifier les performances accrues de systèmes diphasiques comparativement à de la conduction pure). Plusieurs particularités sont à commenter sur le profil obtenu. Premièrement : elle dépend de la hauteur du caloduc et sa valeur est toujours supérieure ou égale à la conductivité thermique du cuivre, témoignant de l’amélioration des performances thermiques en comparaison du système vide (sans fluide de travail). Deuxièmement : la présence systématique d’un pic, localisée à environ 40% de la hauteur du caloduc (en partant de la zone froide), a été identifiée. Enfin, les résultats montrent qu’il existe un profil de conductivité thermique unique qui ne dépend pas de la puissance appliquée à l’évaporateur. Ce qui semble indiquer que le régime des oscillations est stable sur la plage de fonctionnement du caloduc oscillant.

Pour finir, le profil de conductivité thermique final est injecté dans un modèle utilisant la méthode des éléments finis, permettant d’ajuster la conductivité thermique du caloduc suivant sa hauteur. Les résultats de simulation reproduisent ainsi les conditions expérimentales, et sont comparés aux thermogrammes infrarouges, révélant une erreur relative de 3,8% sur la température moyenne pour le cas à 45 W.