Introduction
Quand un matériau pur entre en fusion, en passant de
l'état solide à l'état liquide, quelque soit la
température de la source de chaleur qui provoque ce changement de phase,
la température du front de fusion demeure constante le long du processus
de fusion. Cette caractéristique peut être exploitée pour
le contrôle thermique des composants électroniques
générateur de chaleur, et ce en stockant la puissance
générée, en leur sein, dans un réservoir rempli
d'un matériau à changement de phase (MCP). La Figure 1
schématise une comparaison de l'évolution possible de la
température d'une source de chaleur refroidie par convection naturelle
à l'air ambiant et avec stockage dans un MCP.
Tcr
Tf
Ta
Sans MCP (a)
Avec MCP (b)
temps
Air ambiant, T
Source, Q
(a)
MCP solide MCP liquide
Source, Q
(b) Front de fusion, T= Tf
Figure 1: Comparaison schématique entre
refroidissement d'une source de chaleur par convection naturelle à l'air
ambiant, (a) et par stockage dans un MCP, (b).
La source de chaleur, générant une puissance, Q,
s'échauffe avec le temps. Les faces de la source sont exposées
à l'air ambiant, et des mouvements de convection naturelle seront
induits par la différence des températures entre la source et
l'air ambiant. Dans le cas où la
source est enfermée dans une cavité remplie de
MCP, la puissance générée est absorbée par le MCP
solide. Quand la température de ce dernier atteint la température
de fusion, Tf, le MCP commence à fondre et la puissance
générée est absorbée sous forme de chaleur latente
par le front de fusion, ce qui permet de stabiliser la température de la
source de chaleur pendant une durée relativement longue car le
changement de phase se fait à une température constante, T=Tf,
pour la matière pure. Dans le cas du refroidissement par convection
naturelle à l'air, la température de la source augmente
incessamment et atteint rapidement la valeur critique, Tcr, fixée par le
manufacturier.
Le présent travail présente une étude
relative aux transferts thermiques se manifestant lors de la fusion d'un
matériau à changement de phase (MCP) et la dynamique de la fusion
de celui-ci. Le MCP est contenu dans une enceinte dont l'une des parois
verticales comporte trois sources de chaleur protubérantes. Le puits de
chaleur ainsi constitué peut jouer le rôle d'un refroidisseur de
composants électroniques (sources de chaleur) en stockant, dans le MCP,
sous formes sensible et latente, la chaleur dissipée par les composants
électroniques. Le système de refroidissement ainsi proposé
permet de dissiper la puissance générée par les sources de
chaleur en l'emmagasinant dans le MCP. Cette chaleur stockée est
transmise au MCP, soit directement (à travers les faces des sources de
chaleur), soit, indirectement (à travers la plaque conductrice).
L'avantage d'utiliser une telle stratégie de
refroidissement est que les MCP, caractérisés par une
densité énergétique élevée, sont capables
d'absorber une importante quantité de chaleur
générée par les composants électroniques sans avoir
recours aux ventilateurs. Cette méthode proposée est convenable
pour les situations où le refroidissement par convection naturelle et
forcée à l'air ambiant n'est pas pratique, comme c'est le cas des
appareils électroniques miniaturisés à usage intermittent.
Les consommateurs ont tendance à chercher des appareils
électroniques compacts et performants (téléphones
portables,
ordinateurs portables puissants, appareils photo
numériques haute résolution, etc ...), ce qui impose une
condensation croissante des circuits électroniques dans un espace
limité. Donc il faut prévoir des dissipateurs de chaleur de plus
en plus efficaces capables de maintenir la température de tels
équipements à un niveau acceptable. Il s'agit en fait de l'un des
principaux obstacles à surmonter afin d'augmenter la puissance des
appareils électroniques. La méthode de refroidissement par les
MCP peut aussi être une bonne solution pour des situations où le
refroidissement par convection forcée à l'air ambiant est
impossible, comme c'est le cas des appareils électroniques
utilisés dans les hauts fourneaux métallurgiques ou dans les
applications aérospatiales. Du point de vue économique et de
confort sonore, le mode de refroidissement par convection (naturelle ou
forcée) de l'air ambiant, le plus couramment utilisé, exige une
consommation énergétique pour le fonctionnement du ventilateur et
crée des problèmes liés aux bruits acoustiques lorsque
celui ci fonctionne. Afin de surmonter de telles difficultés, la
stratégie de refroidissement, basée sur les MCP peut être
envisagée. C'est une alternative très intéressante pour
dissiper l'énergie émanant des composants électroniques.
Aussi, il est possible de contrôler la température des composants
ultra sensibles au choc thermique étant donné que la fusion du
MCP se produit à l'intérieur d'une plage de température
étroite, et le MCP joue le rôle d'un amortisseur protecteur des
pics thermiques.
Le présent manuscrit comporte quatre chapitres. Le
premier chapitre est consacré à une étude bibliographique,
le second chapitre présente le modèle mathématique et la
méthode de résolution numérique et le troisième
chapitre présente l'analyse et les commentaires des résultats
obtenus. Le dernier chapitre expose la méthode de développement
des corrélations et des abaques pour la durée de fonctionnement
sécurisé et la fraction liquide.
Un modèle mathématique (2D) basé sur les
équations de conservation de la masse, de l'énergie et de la
quantité de mouvement est développé pour le puits de
chaleur proposé. Les paramètres de contrôle
régissant le fonctionnement du système sont identifiés. Le
modèle
mathématique est confronté aux résultats
expérimentaux disponibles en littérature. Plusieurs
investigations numériques ont été effectuées pour
analyser les comportements thermique et hydrodynamique du système de
refroidissement proposé.
| 
