Visualisation de la vidange et étude des transferts de chaleur et de masse dans les cannelures d'évacuation de la vapeur des évaporateurs capillaires

Avec la miniaturisation des composants électroniques et la puissance toujours croissante demandée à ces derniers, le contrôle thermique des équipements électronique est un enjeu crucial dans tous les domaines industriels. Parmi les solutions disponibles pour assurer ce contrôle thermique celles sur lesquelles se penche notre étude sont les Loop Heat Pipe (LHP). Bien que le spatial soit de loin le domaine dans lesquels ces dispositifs sont les plus utilisés, ces derniers voient leur domaine d’application s’ouvrir aux applications terrestres. Les LHPs sont composées d’un évaporateur connecté à un condenseur par une ligne vapeur et d’un réservoir accolé à l’évaporateur et qui est relié au condenseur par une ligne liquide. Parmi ces éléments notre étude se focalise sur l’évaporateur qui a la charge d’évacuer le flux thermique et de servir de pompe en vaporisant le fluide. La première partie de la thèse est consacrée à la conception et l’exploitation d’un banc d’essai innovant qui vise à observer des phénomènes intervenants dans les LHPs et difficile à capturer via les simulations numériques. Plus précisément, il s’agit d’observer la vidange des rainures au démarrage de l’évaporateur lorsque celui-ci est rempli de liquide et ce pour différentes orientations dans le champ gravitaire. Ces expériences effectuées pour deux matériaux différents ont pu mettre en évidence des régimes d’écoulement jusqu’ici peu ou pas envisagés. Afin de contribuer au développement d’un outil numérique permettant de calculer le comportement de l’ensemble de la boucle de manière détaillé, la seconde partie de la thèse est dédiée aux aspects simulations. Afin d’effectuer un changement d’échelle au niveau de l’évaporateur, différentes hypothèses et parti pris de modélisation sont étudiés pour les cas où les rainures sont construites dans la culasse ou dans la mèche poreuse. Après un rappel sur le modèle d’évaporateur basé sur une approche de type réseau de pore mixte, le premier aspect de modélisation étudié est celui de la prise en compte de la zone entre la mèche et le réservoir. Cette zone d’abord considérée comme une paroi solide qui échange avec le réservoir apparait comme améliorant la conductance locale, retardant l’apparition de la zone diphasique dans la mèche et diminuant le débit vaporisé au début de l’évaporateur. Ceci implique une zone plus froide en début d’évaporateur qui pointe ainsi l’importance d’un bon positionnement des thermocouples lors de test. Bien que l’influence de cette zone se limite avec une longueur d’évaporateur croissante, sa modélisation semble impérative pour prendre en compte le flux de chaleur vers le réservoir dans le cadre de modèles plus détaillés. Autre source possible d’hétérogénéités au sein du modèle le comportement de l’écoulement vapeur au sein des rainures est étudié. Un modèle éléments finis, alimenté par les résultats du modèle réseau de pore, résout les transferts de chaleurs et l’écoulement au sein d’une rainure vapeur. Les résultats ont montré des différences significatives avec les hypothèses usuelles entre les deux géométries. Alors que l’hypothèse d’une température de vapeur constante dans le canal et proche de la température de saturation s’avère acceptable dans le cas de canaux construits dans la mèche celle-ci est erronée dans le cas des canaux construits dans la culasse. L’étude des variations de pression dans le canal appuie l’utilisation d’une température de saturation constante dans ces canaux. En contraste avec l’augmentation constante de la vitesse dans ces canaux, les coefficients d’échanges convectifs n’évoluent que peu alors que les corrélations indiquent une augmentation de ces coefficients avec le nombre de Reynolds. Ces résultats appliqués aux modèles réseau de pores ont confirmé la faible influence des conditions dans les canaux sur le comportement de l’évaporateur hormis pour le cas où les canaux sont usinés dans la culasse et ou une augmentation de la température et du débit a été observé