1.3 Refroidissement par les MCP
Parmi les solutions possibles dans les cas où le
refroidissement par convection naturelle et forcée à l'air
ambiant est impossible, on peut prévoir un réservoir rempli d'un
matériau à changement de phase (MCP) pour stocker la chaleur
générée par les composants électroniques. Cette
stratégie de refroidissement permet de réduire la taille du
système de refroidissement et doter les équipements d'une
capacité de refroidissement étendue. Pendant la période de
fonctionnement, les composants électroniques dissipent la chaleur
à travers leurs faces, entraînant ainsi la fusion du MCP solide.
L'unité de refroidissement doit fonctionner d'une manière
cyclique. La chaleur dissipée par les sources et stockée par le
MCP doit être rejetée à l'ambiance pendant les
périodes d'arrêt de l'équipement électronique.
Ainsi, le MCP ré- solidifié peut être
réutilisé lors des cycles suivants.
Le contrôle thermique des composants
électroniques par les MCP a reçu, récemment, une grande
attention due, fondamentalement, à leur haute capacité d'extraire
et de stocker la chaleur comparée aux liquides et à l'air [31].
Plusieurs stratégies ont été explorées pour
améliorer le refroidissement par stockage d'énergie sous forme de
chaleur latente de fusion. Ces stratégies envisagent l'ajout d'une
cavité remplie de MCP au puits de chaleur classiques ou le placement
d'une mince couche de MCP directement à la surface du composant
électronique pour absorber sa chaleur [32]. Ces études tentent
à effectuer un refroidissement sécurisé des composants
électroniques et à réduire le temps de fonctionnement des
ventilateurs. Faraji et El Qarnia [33] ont analysé un puits de chaleur
hybride constitué d'une cavité rectangulaire remplie d'un MCP
(SunTech P111) attachée à des ailettes rectangulaires. Plusieurs
simulations ont été menées pour optimiser le puits de
chaleur sans atteindre la surchauffe du microprocesseur. La configuration
optimale obtenue est, ensuite, soumise au fonctionnement cyclique
(charge/décharge), le régime périodique est établi
après trois cycles de fonctionnement.
Pal et al. [32] ont réalisé une étude de
refroidissement d'un composant électronique, d'une part, à
travers une cavité d'air de rapport de forme élevé
(>10) et, d'autre part, à travers une mince couche de MCP
(n-triacontane). Le composant électronique est installé sur un
substrat qui sépare la couche de MCP de l'enceinte d'air. Il s'agit
d'une étude numérique tridimensionnelle réalisée
avec et sans MCP. Les résultats montrent que la présence de la
couche de MCP diminue la température moyenne du composant
électronique pendant une durée relativement longue. Leur
modèle trouve des applications dans le secteur aéronautique.
Des études expérimentales, relatives à la
fusion du MCP (n-octadécane) à l'intérieur d'une
cavité chauffée par des sources de chaleur surfaciques
griffées sur une paroi verticale en Plexiglas, ont été
menées par Zhang et al. [34-36]. Les tests expérimentaux
effectués montrent que le refroidissement des composants
électroniques par le MCP permet de réduire leur
température jusqu'à 50 % en comparaison avec
leur refroidissement par convection naturelle avec l'éthylène
glycol. Les résultats montrent aussi que l'augmentation de la
conductivité thermique de la paroi chauffante permet d'uniformiser la
température des sources [36]. Les transferts de chaleur semblent
être meilleurs pour des sources de chaleur que pour une paroi
chauffée uniformément [35].
Binet et al. [37] ont développé un modèle
mathématique permettant de simuler le comportement thermique des sources
de chaleur dans une cavité similaire à celle
étudiée expérimentalement par Zhang et al. [34]. Une
série de simulations numériques a été menée
afin de déterminer les effets de la configuration des sources, du
rapport de forme de l'enceinte et des propriétés thermiques de la
paroi. Les résultats montrent que, pour des cavités de grand
rapport de forme (>4), le front de fusion se situe au dessus des sources et
se déplace horizontalement. La variation temporelle de la
température moyenne des sources, pour ce cas de front de fusion
horizontal, montre qu'il y a une montée suivie d'un état
quasi-stationnaire qui persiste jusqu'à la fin de la fusion. Cette
structure d'évolution des températures "à plateaux"
où la température présente une stabilité
couplée à une durée de fusion relativement longue, fait de
cette configuration un choix intéressant pour les applications
reliées au refroidissement des composants électroniques. Le MCP
solide et même le MCP fondu agissent comme un tampon thermique qui offre
l'avantage d'être situé au-dessus des sources de chaleur. Deux
zones optimales ont été obtenues. Pour dissiper la chaleur
émanant de composants électroniques, il serait ainsi
préférable de placer ces composants dans la partie
inférieure d'une enceinte de grand rapport de forme, ce qui garantit une
longue stabilité de leur température. Les résultats
montrent, aussi, que les cavités avec des rapports de forme > 4
contrôlent mieux la température des composants
électroniques et offrent une durée allongée de la
fusion.
Le refroidissement des appareils électroniques mobiles
(téléphones GSM, ordinateurs portatifs et les blocs notes
électroniques) utilisant une unité de stockage de chaleur remplie
par un MCP (n-eicosane) comme puits de chaleur, a été
exploré par Tan et Tso [38]. L'analyse des résultats montre que
la température des sources de chaleur a été
stabilisée à un niveau inférieur à 50 °C
pendant une durée de 2 heures sans avoir recours au ventilateur. Une
telle stabilité est due à la densité
énergétique relativement élevée du MCP. Cette
étude a permis, aussi, de conclure que la distribution de la
température est affectée par l'orientation de l'appareil dans le
champ de la pesanteur. La montée en puissance accélère la
fusion et améliore l'efficacité de refroidissement jusqu'à
la fusion complète du MCP, mais réduit la durée de
fonctionnent sécurisé de l'appareil. Les résultats des
investigations numériques indiquent la possibilité d'utiliser ce
type de puits de chaleur dans les appareils à usage intermittent.
L'effet de l'orientation du puits de chaleur sur la distribution et
l'évolution de la température a été
numériquement exploré par Wang et al. [39] et Zheng et al. [40].
Dans cette contribution, les auteurs rapportent que les transferts de chaleur
par convection naturelle dans la phase liquide ont un rôle majeur dans le
processus de fusion et que l'orientation du puits de chaleur dans le champ de
gravité influence son efficacité de refroidissement.
Le contrôle thermique des composants
électroniques par des matériaux à changement de phase est
aussi traité, expérimentalement et numériquement, par
Kandasamy et al. [41]. Les effets de la puissance imposée, l'orientation
de l'appareil, et la durée des périodes de fusion/solidification,
sur la performance thermique du refroidisseur ont été
examinés. L'étude numérique, basée sur un
modèle (CFD-2D), se compare bien avec les résultats
expérimentaux qui montrent que la montée en puissance
accélère la fusion. Cependant, l'orientation de l'appareil, dans
ce cas, a un faible effet sur la performance thermique du refroidisseur
à base de MCP.
Le processus de fusion d'un MCP (n-octadécane) dans une
cavité rectangulaire chauffée par trois sources de chaleur
protubérantes sur la paroi inférieure de la cavité est
étudié expérimentalement par Jianhua et al. [42]. Dans
cette étude les effets du nombre de Stefan, du sous refroidissement et
du rapport de forme sur la fusion du MCP ont été
analysés.
Ju et al. [43] analysent une configuration similaire à
celle traitée par Zhang et al. [34], mais avec des sources de chaleur
protubérantes sujettes à une densité de flux constante
à la base de chacune. Les résultats sont comparés avec
ceux rapportés dans l'article [34]. L'effet de la protubérance
sur l'allure du front de fusion et sur la température maximale des
sources est rapporté. Il s'est avéré que la
température des sources protubérantes est trouvée
inférieure à celle enregistrée par des sources
surfaciques. Une corrélation donnant le nombre de Nusselt moyen de
chaque source de chaleur, en régime quasi stationnaire, en fonction du
nombre de Rayleigh a été établie.
Hodes et al. [44] ont analysé expérimentalement
le refroidissement des casques (baladeur électronique) par des
matériaux à changement de phase. Les effets de la puissance
dissipée par le casque, le type du MCP ainsi que les pertes de chaleur
du casque par convection naturelle et par rayonnement vers l'ambiance, sur la
durée mise pour atteindre la température critique sont
numériquement analysés. Les auteurs ont conclut que l'usage des
MCP pour le refroidissement de l'électronique est une solution
prometteuse.
Akhilesh et al. [45] proposent une méthode pour
déterminer la configuration géométrique d'un puits de
chaleur à base de MCP pour une plage du flux de chaleur imposé et
pour une hauteur du puits de chaleur fixe en utilisant une analyse
d'échelle de l'équation d'énergie en régime
transitoire. Une relation entre la configuration optimale et la quantité
de MCP utilisée est déterminée. Ces résultats sont
validés par un modèle numérique. Des corrélations
sont proposées pour prédire, pour un MCP donné, les
dimensions optimales avec un écart de l'ordre de 10 %.
Les MCP sont caractérisés par leur faible
conductivité thermique. Pour améliorer les transferts de chaleur
à l'intérieur des cavités remplies de MCP il est possible
d'incorporer des ailettes métalliques dans le puits de chaleur à
base de MCP. Dans ce sens, Abhat [46] a effectué une étude
expérimentale et numérique pour examiner l'effet de
l'introduction des MCP sur l'évolution thermique d'une surface
chauffante, simulant un composant électronique. De leur
côté, Alawadhi et Amon [47], O'Connor et Weber [48] ont
vérifié la performance thermique d'un puits de chaleur à
base de MCP pour le refroidissement des équipements
électroniques. L'amélioration des transferts de chaleur au sein
des MCP a fait aussi l'objet des travaux de Yin et al. [49] qui ont
préparé un MCP composite avec une excellente performance
thermique. Les résultats montrent que l'introduction des MCP dans les
puits de chaleur protège les composants électroniques des chocs
thermiques suite aux éventuelles variations dans le flux de chaleur et
permet d'assurer des conditions opératoires sécurisées,
constantes et durables.
Dans la même optique, Nayak et al. [50] ont
étudié numériquement les possibilités
d'améliorer la performance du puits de chaleur hybride (ailettes
introduites dans le MCP) en examinant l'effet de la forme et du nombre
d'ailettes incorporées dans une cavité à MCP sur la
température maximal du microprocesseur et sur la fraction liquide. Les
résultats montrent que l'amélioration de la conductivité
thermique globale du puits de chaleur a un impact important sur sa performance
thermique et permet de mieux contrôler la température du composant
électronique de type CPU.
| 
