Développement expérimental et modélisation numérique d'une boucle diphasique à pompage capillaire en environnement gravitaire (application au refroidissement de composants d'électronique de puissance en contexte automobile)

Abstract

Le développement de la technologie du véhicule hybride au sein du parc automobile mondial place les constructeurs face au problème d'intégration des modules d'électronique de puissance générant d'importantes dissipations thermiques alors que les systèmes de refroidissement conventionnels atteignent leurs limites. C'est pourquoi un système innovant de transfert thermique passif fait l'objet de cette thèse : la boucle diphasique à pompage thermocapillaire. Une architecture particulière de ce type de système est présentée, où la gravité joue un rôle de premier plan. Un banc expérimental avec mesures de températures, pressions et débits a été conçu pour caractériser la réponse de la boucle à une application de puissance en régimes de fonctionnement permanent et transitoire. Les résultats obtenus ont permis, tant sur les plans thermique qu'hydraulique, de mieux comprendre et confirmer ce potentiel de gestion de la dissipation thermique en maintenant la température de l'électronique stable quelle que soit la puissance appliquée. Ces données ont aussi permis de valider et d'identifier en régime permanent un modèle nodal thermo-hydraulique de boucle développé dans le cadre de cette thèse. Ce modèle global est basé sur une approche de modélisation du phénomène de changement de phase avec comme variable l'enthalpie en sus de la température et de la pression. Ce modèle reste tributaire de l'expérience par l'identification de deux conductances thermiques, mais il a permis d'apprécier l'influence de la gravité et des conditions extérieures sur le fonctionnement de la boucle et ouvre des perspectives de dimensionnement pour sa valorisation dans les futurs véhicules hybrides.The development of hybrid vehicle technology among worldwide cars fleet leads car manufacturers to take up new challenges. The on-board power electronics components are a source pf heat power witch must be evacuated in spite of conventional cooling systems limitations. An innovative heat transfer device is presented in this thesis : the Capillary Pumped Loop for Integrated Power. Gravity plays a major part during operation of this device. A test bench has been built with temperatures, absolute pressure and mass flow rate probes in order to analyse the loop response to heat power application in steady-state and transient operations. The contribution of pressure and mass flow rate measurements has notably appeared by the characterisation of particular flow regimes in the loop during transient operation. As much on thermal level as hydraulic level, the results obtained have allowed to understand and confirm this loop ability to ensure heat power evacuation by maintaining stable power electronics temperature for whatever power applied. The experiment results have also allowed to validate and identify a steady-state operation a nodal thermo-hydraulic modelling of loop built-up during this thesis. This global modelling is based an approach using mass enthalpy a variable in addition of temperature and pressure to simulate phase-change phenomena. Even if this modelling remains dependent on experiment by two thermal conductance identification, it has allowed to estimate the influence of gravity and external conditions on loop operation. Moreover, it offers sizing prospects for this kind of loop development on-board future hybrid vehicles.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF