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 - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2010

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

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Laurent Lachassagne
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 890440

Résumé

The development of hybrid vehicule technology among worldwide cars fleet leads car manufacturers such as PSA Peugeot- Citroën to take up new challenges. The on-board power electronics components are a significant source of heat power which must be evacuated in spite of conventional cooling systems limitations. In order to transcend these limitations, an innovative heat transfer device has been studied in this thesis : the capillary pumped loop for integrated power. A particular structure of this kind of device is presented, where relative positions of evaporator, reservoir and condenser allow gravity to play a major part in this loop operation. After a preliminary study where ethanol appeared to be the most adapted working fluid to this automotive application, a precisely instrumented 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, on the one hand, to confirm this loop ability to ensure heat power evacuation by maintaining stable power electronics temperature for whatever power applied and, on the other hand, to open lot of control and sizing prospects for future loops design. The experiment results have also allowed to validate and identify at steady-state operation a nodal thermo-hydraulic modelling of loop built-up during this thesis. this global modelling is based in this context on an original approach using mass enthalpy as variable in addition of temperature and pressure to simulate phase-change phenomena. Even if this modelling remains dependent on experiment by two thermal conductances identification, it has allowed us 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 vehicules.
Le développement de la technologie du véhicule hybride au sein du parc automobile mondial place les constructeurs tels que PSA Peugeot-Citroën face à de nouvelles problématiques. L'intégration des modules d'électronique de puissance dans ce type de véhicule entraîne d'importantes dissipations thermiques qu'il est nécessaire d'évacuer alors que les systèmes de refroidissement conventionnels atteignent leurs limites. Dans ce but, un système innovant de transfert thermique passif fait l'objet de la présente thèse : la boucle diphasique à pompage thermocapillaire. Une architecture particulière de ce type de système est présentée, où les positions relatives de l'évaporateur, du réservoir et du condenseur permettent à la gravité de jouer un rôle de premier plan dans le fonctionnement de cette boucle. Une pré-étude ayant permis de sélectionner l'éthanol comme le fluide de travail le mieux adapté à cette application automobile, un banc expérimental finement instrumenté avec mesures de températures, pressions et débits a été mis en oeuvre pour caractériser la réponse de la boucle à une application de puissance en régimes de fonctionnement permanent et transitoire. L'apport des mesures de débit et de pression s'est notamment traduit en régime transitoire par la mise en évidence de phénomènes d'écoulement particuliers dans la boucle. Les résultats obtenus ont permis, tant sur les plans thermique qu'hydraulique, de confirmer d'une part leur potentiel de gestion de la dissipation thermique en maintenant la température de l'électronique stable quelle que soit la puissance appliquée et d'ouvrir d'autre part nombre de perspectives de contrôle et de dimensionnement pour la conception des futures boucles. Les données expérimentales obtenues ont également 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 originale, dans ce contexte, de modélisation du phénomène de changement de phase avec comme variable du calcul l'enthalpie en sus de la température et de la pression. Même si ce modèle reste tributaire de l'expérience par l'identification de deux conductances thermiques, il nous a permis d'apprécier en particulier l'influence de la gravité et des conditions d'environnement sur le fonctionnement de la boucle et ouvre également des perspectives de dimensionnement pour sa valorisation au sein de futurs véhicules hybrides.
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Dates et versions

tel-00558899 , version 1 (24-01-2011)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00558899 , version 1

Citer

Laurent Lachassagne. 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. Sciences de l'ingénieur [physics]. ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechique - Poitiers, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00558899⟩
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