Evaporation du CO2 dans des microcanaux en silicium: performances thermiques et visualisations d’écoulement

En raison de ses bonnes propriétés thermo-physiques, et de son faible GWP, pour certaines applications scientifiques, le CO2 est considéré comme un fluide pertinent pour le refroidissement des appareils électroniques. La prochaine génération de détecteurs de traces au LHC (CERN) dont l’installation est prévue en 2027, sera refroidie à des températures comprises entre +10∘^{\circ}C et -40∘^{\circ}C, en évaporant du CO2 liquide circulant dans des mini-canaux en titane attachés aux capteurs PIXEL en silicium de 4cm² [1]. Pour la prochaine génération de capteurs PIXEL qui suivront et seront installés sur le Future Circular Collider (FCC) d’ici 2040, une nouvelle solution développée par le CERN et étudiée par l’équipe LEGI-LAPP est de faire circuler le CO2 dans des micro-canaux intégrés dans le silicium, couvrant toute la surface des détecteurs. Pour cela, il est nécessaire d’évaluer les performances thermiques de cette solution afin de valider ce choix technologique. Dans le cadre de cette thèse, plusieurs échantillons de multicanaux en silicium ont été réalisés en salle blanche, par des méthodes de lithographie/gravure chimique, à partir de wafers en silicium d’épaisseur 400 microns. Ces échantillons sont constitués d’une zone de détente (capillaires) reliée à une zone d’évaporation. Une plaque en pyrex scellée sur le silicium assure l’étanchéité de l’ensemble et permet l’observation des régimes d’écoulement durant l’ébullition. En parallèle de la fabrication des échantillons, un long travail a consisté à mettre au point des connectiques de raccord résistant aux pressions opératoires du CO2, entre 5 et 50 bars. Des tubes en laiton brasés à l’étain sur des dépôts de cuivre ont été validés à des pressions proches de 80 bars, puis utilisés pour équiper nos échantillons. Cette année, deux échantillons de 8 et 16 canaux en parallèle de dimensions 6cmx2.5cm ont été caractérisés sur le banc d’essai du LAPP en écoulement de CO2 bouillant, pour différentes conditions opératoires. Le coefficient de transfert de chaleur entre la paroi en silicium et le CO2 a été évalué pour des flux de chaleur allant de 10 kW/m² jusqu’à 150 kW/m². La visualisation de l’écoulement par caméra rapide a permis d’identifier les différentes configurations d’écoulement rencontrées en fonction des conditions opératoires, et de faire le lien avec les variations du coefficient de transfert de chaleur. Nous avons observé que certains régimes d’écoulement limitent davantage l’élévation de température de paroi que d’autres. La deuxième image présentée montre un écoulement de type ‘poches-bouchons’ dans un échantillon comportant 16 multicanaux. Ces visualisations viennent compléter celles réalisées au CERN en écoulement de CO2 bouillant sur des géométries de multi-microcanaux en silicium similaires [2]. Au-delà de cette analyse qualitative, le traitement des images de visualisations doit aboutir à l’identification des paramètres de l’écoulement associés à chaque régime, comme par exemple les longueurs de bulles et leur vitesse de croissance, en fonction du flux de chaleur appliqué. Ces données expérimentales serviront au développement d’un modèle numérique 2D dont l’objectif est de reproduire une des configurations d’écoulement observées ainsi que les tendances d’évolution du coefficient de transfert de chaleur. [1] BARROCA Pierre, Modeling CO2 cooling of the ATLAS ITk Pixel Detector, These, Laboratoire d’Annecy de Physique des Particules, 2019. https://hal.univ-smb.fr/tel-02956226. [2] HELLENSCHMIDT Desiree, New insights on boiling carbon dioxide flow in mini-and micro-channels for optimal silicon detector cooling, CERN, 2020.