Etude de l’ébullition dans un milieu poreux pour une application de type caloduc

Le contrôle thermique des composants électroniques des satellites de télécommunication requiert des systèmes de refroidissement performants, peu encombrants et autonomes. Les caloducs sont des dispositifs passifs de transport de chaleur très efficaces dont le fonctionnement repose sur les changements de phase d’un fluide de travail dans une enceinte fermée entre une source chaude (évaporateur) et une source froide (condenseur). La miniaturisation et l’augmentation de la densité de puissance des composants électroniques constituent une véritable contrainte pour les technologies de caloduc de type profil d’aluminium extrudé à rainures réentrantes présents sur le marché. Ces densités de puissance élevées peuvent provoquer la formation de bulles de vapeur dans la phase liquide à l’évaporateur, ainsi que l’assèchement partiel ou complet de la paroi, entraînant a minima des surchauffes localisées et au pire des dysfonctionnements ou des dommages aux dispositifs thermiques. Dans ce contexte, l’une des contraintes opérationnelles des caloducs concerne la densité de flux à l’évaporateur, qui doit rester en dessous d’un seuil spécifique. Ce travail s’intéresse à l’intégration d’un moteur capillaire poreux au niveau de l’évaporateur d’un caloduc, dans le but de repousser cette limite de fonctionnement. Une configuration dite « à ménisque inversé » est rendue possible par l’utilisation d’une géométrie rectangulaire de l’évaporateur, contrairement aux caloducs à sections cylindriques classiquement rencontrés. Ce type d’évaporateur est inspiré des boucles diphasiques à pompage capillaire, qui se distinguent des caloducs par leur architecture. Ces dispositifs acceptent notamment des densités de flux élevées de l’ordre d’une ou plusieurs centaines de [1]. La configuration « ménisque inversé » doit ainsi permettre de repousser certaines limites de fonctionnement et présenter une meilleure conductance thermique d’évaporation en comparaison avec les caloducs « classiques ».  Pour maximiser l’efficacité des évaporateurs en configuration à « ménisque inversé », une compréhension approfondie du phénomène d’évaporation dans le milieu poreux de l’évaporateur est requise. Dans le cas des caloducs à rainures axiales ou réentrantes, l’apparition initiale des bulles indique la limite d’ébullition. Ces premières bulles améliorent les échanges thermiques, jusqu’à ce que le régime de nucléation finisse par dégrader puis désamorcer le pompage capillaire et au pire assécher la paroi. La détermination de cette limite est extrêmement complexe car elle dépend de l’état de surface du caloduc, des propriétés du fluide et des interactions entre le fluide et la paroi. L’objectif des travaux est de comprendre et de caractériser les phénomènes physiques liés à l’évaporation et à l’ébullition dans les milieux poreux, en se concentrant sur la configuration d’évaporateur à "ménisque inversé" intégrable dans un caloduc. Ces travaux adopteront une approche expérimentale, impliquant la mise en place d’une section d’essais pour évaluer l’impact de divers paramètres tels que la géométrie de l’évaporateur et la taille des pores du milieu poreux. Ce banc d’essais permettra également d’assurer une visualisation des phénomènes physiques. De plus, une étude numérique (CFD diphasique) à l’échelle de l’évaporateur sera menée pour compléter cette analyse expérimentale. [1] Bertin, Y., Flavio, Filippo, Marc, Valérie, 2019. Panorama des systèmes diphasiques dédiés au refroidissement de l’électronique. Journée SFT

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