Afin de maintenir sa température dans des limites
où la performance et le fonctionnement ne sont pas compromis, le
refroidissement d'un composant générant de la chaleur est
essentiel. D'une manière générale, un transfert de chaleur
a lieu par trois mécanismes qui sont la conduction, la convection et le
rayonnement. En matière d'évacuation de chaleur par conduction,
la technique des plaques de fibres de carbone orientées (conduction
anisotrope) est incontestablement la plus performante, mais à ce jour
réservée à l'aéronautique et au spatial pour une
question de coût. Plus usuellement, la chaleur est transmise à
l'air ambiant par des radiateurs et des ventilateurs.
Si la charge thermique imposée à l'air ambiant
est trop importante, on confine cette chaleur directement dans un fluide
caloporteur par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur. Le
transfert de chaleur au fluide réfrigérant peut alors fonctionner
soit en mode monophasique en utilisant un liquide ou un gaz (eau simple, eau +
glycol, CO2...), soit en mode diphasique (C4 F10, glace binaire
(mélange d'eau, méthanol et glace)...)
Parmi les travaux réalisés dans ce domaine, on
peut citer l'étude menée par Icoz et Jaluria [11] qui ont fait
une simulation numérique de la convection naturelle bidimensionnelle
dans un canal rectangulaire ouvert et contenant des sources de chaleur. Leurs
résultats montrent que les dimensions du canal et la présence des
ouvertures ont des effets considérables sur l'écoulement mais
très peu d'effet sur le transfert de chaleur.
D'autres études numériques ont
été faites sur des géométries
élémentaires (canal vertical) pour déterminer le transfert
de chaleur par convection naturelle [12, 13, 14].
Récemment, Desrayaud [15] a réalisé une
étude paramétrique sur un système en 2D constitué
de canaux parallèles avec une seule source de chaleur. Le système
simule le refroidissement d'un ensemble de circuits imprimés (PCB) avec
des modules chauffés placés à la surface des circuits. La
solution a été calculée simultanément dans le
solide (module et substrat) et dans les régions de fluide en tenant
compte de la continuité de la température et du flux de chaleur
aux interfaces solide-liquide.
Par la suite, Icoz et Jaluria [16] ont élaboré
une méthodologie pour la conception et l'optimisation des
systèmes de refroidissement des équipements électroniques.
Dans cette approche, les données expérimentales ou de simulation
numérique, notamment le nombre de Reynolds et la taille des composants,
ont été utilisées pour obtenir une conception thermique
acceptable et optimale.
Le concept de micro-canaux a été introduit
depuis les années 80 par Tuckerman et Pease [17]. Pour déterminer
les performances de refroidissement des composants électroniques
à l'aide d'un écoulement liquide à travers des
micro-canaux sans changement de phase, ils ont fabriqué un
échangeur de 1cm2 en silicium, composé de canaux et
d'ailettes de 0,05mm de largeur et de hauteur 0,3mm, soit 50 canaux en tout.
Ces micro-canaux permettent une dissipation thermique de l'ordre de 800
W/cm2. Ces résultats ont montré que le coefficient de
transfert thermique d'un écoulement laminaire à travers les
micro-canaux est plus important que le coefficient de transfert thermique
à travers les canaux de taille conventionnelle.
Plusieurs recherches ont été menées afin
d'étudier le transfert thermique convectif monophasique en utilisant
l'eau [18, 19, 20], l'eau ionisée [21, 22] et le méthanol comme
fluide de fonctionnement.
Récemment, Wu et Cheng [23] ont effectué des
recherches expérimentales sur le transfert thermique convectif et sur la
chute de pression de l'eau dé-ionisée dans plusieurs micro-canaux
de forme trapézoïdale en silicium ayant différents
paramètres géométriques, rugosité de surface et des
propriétés hydrophiles de paroi. Ils ont montré que le
nombre de Nusselt et le coefficient de frottement dépendent
considérablement des différents paramètres
géométriques : ils augmentent avec la rugosité de la paroi
et ils
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diminuent corrélativement les propriétés
hydrophiles de la paroi. De ce fait, le nombre de Nusselt et le coefficient de
frottement, dans des micro-canaux ayant des parois hydrophiles dures (parois en
oxyde thermique) sont plus importants que ceux des micro-canaux ayant des
parois fragiles (parois en silicium). Wu et Cheng ont montré aussi que
le nombre de Nusselt augmente quasi- linéairement pour de faibles
valeurs du nombre de Reynolds (Re<100) et augmente plus lentement avec des
valeurs du nombre de Reynolds comprises entre 100 et 1000.
Fig. I-3 : Différentes géométries
des micro-canaux [23]
Par ailleurs, plusieurs chercheurs se sont
intéressés aux analyses numériques. Parmi eux, nous citons
Morini [24]. Il a étudié numériquement le rôle du
transfert visqueux d'un écoulement liquide dans des micro-canaux. Un
modèle basé sur la théorie conventionnelle est
développé pour prédire l'effet de la dissipation visqueuse
dans les micro-canaux avec le changement de la section de ces derniers.
Particulièrement Morini a analysé le rôle des
propriétés thermo-physiques et de la géométrie des
micro-canaux sur la dissipation visqueuse.
Qu et Mudawar [27] se sont intéressés aussi aux
écoulements liquides à travers les
micro-tubes. Ils ont analysé numériquement un
écoulement
tridimensionnel et les performances liées au transfert
thermique dans un micro-
échangeur rectangulaire formé par des
couches de 1 cm2 de silicium et utilisant l'eau comme fluide de
fonctionnement. Les micro-canaux utilisés ont une largeur de 57 um et
une hauteur de 180 um et sont séparés par une paroi de 43 um
d'épaisseur. Le code numérique basé sur la méthode
des différences finies est validé en comparant les
résultats trouvés avec les solutions analytiques et les
données expérimentales disponibles dans la littérature.
Pour les micro-échangeurs étudiés, ils ont constaté
que l'élévation de la température dans le sens de
l'écoulement à l'interface fluide-solide peut être
supposée linéaire.
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Les auteurs ont montré que l'augmentation de la
conductivité thermique dans le matériau réduit la
température à la surface de la base de l'échangeur,
particulièrement à la sortie du canal. Il a été
noté que la méthode des différences finies classique a
apporté des simplifications pour modéliser le transfert thermique
à l'intérieur des micro-échangeurs.
