Refroidissement par pulvérisation et paramètres hydrodynamiques 

Refroidissement par spray La capacité d’évacuation de chaleur varie en fonction des technologies de refroidissement, qui sont résumées dans la figure II.1 (a). Concernant le refroidissement à faible flux de chaleur, le refroidissement par air, qui élimine la chaleur de la surface chaude par circulation d’air, est largement utilisé. Les performances de refroidissement peuvent être améliorées en augmentant la surface ou en augmentant le débit d’air sur la surface. La première approche est connue sous le nom de convection naturel, tandis que la seconde est la convection forcée. En comparaison avec la convection libre, le mouvement du fluide en convection forcée est généré par une source externe, afin d’améliorer la convection locale. Dans les ordinateurs, des ailettes de refroidissement sont ajoutées au dissipateur thermique pour élargir la surface, tandis qu’un ventilateur est fixé aux ailettes de refroidissement pour améliorer la convection de l’air. Le flux de chaleur par convection forcée peut atteindre ~ 35 W / cm2 alors que seulement ~ 15 W / cm2 par convection à air libre (Fig. II.1 (a)). En raison de l’augmentation de la densité de puissance, de nombreux dispositifs microélectroniques et électroniques de puissance se situent maintenant dans la gamme des flux thermiques allant au-delà de la capacité de refroidissement de l’air [43]. Des solutions efficaces de refroidissement par liquide sont nécessaires pour la gestion thermique des dispositifs à flux de chaleur élevé [2]. Le refroidissement par pulvérisation est une solution efficace qui présente un potentiel énorme pour la gestion des flux de chaleur élevés dans les composants électroniques de grande puissance tels que les superordinateurs, les lasers et les radars et d’autres applications industrielles. Le refroidissement par pulvérisation présente plusieurs avantages par rapport aux autres techniques de refroidissement. Par comparaison au refroidissement par air et au refroidissement par impact de jet, le refroidissement par pulvérisation possède une capacité élevée d’élimination du flux de chaleur. Le refroidissement par pulvérisation peut transférer une chaleur supérieure à 100 W / cm2 en utilisant des fluides fluorés et à plus de 1000 W / cm2 en utilisant de l’eau (Fig. II.1 (a)). En raison de sa grande capacité d’élimination du flux thermique, le refroidissement par pulvérisation permet un contrôle précis de la température avec un faible débit de fluide. En outre, le refroidissement par pulvérisation offre une distribution de température uniforme sur toute la surface couverte par le spray. En effet, toute la zone refroidie par pulvérisation reçoit des gouttelettes fraîches de liquide de refroidissement. Pour le refroidissement par impact de jet, le liquide de refroidissement s’écoule radialement vers l’extérieur depuis le point Chapitre II Refroidissement par pulvérisation et paramètres hydrodynamiques Page | 61 d’impact. A l’issue du flux radial la température est non uniforme, le plus important sousrefroidissement et le refroidissement local optimal se produisent au point de stagnation. Le refroidissement non uniforme se traduit par une température non uniforme de la surface dans la zone de refroidissement, ce qui peut être significatif pour les flux de chaleur élevés. Cependant, concernant l’application du refroidissement par pulvérisation des difficultés peuvent être rencontrées. Une importante puissance de pompage est nécessaire afin d’obtenir une différence de pression considérable via une buse de pulvérisation ; dans le but d’avoir une pulvérisation fine. Le facteur économie (faible coût) reste primordial dans l’application commerciale des technologies de refroidissement. En outre, la conception et la fabrication de la buse de pulvérisation ne suivent pas les mêmes normes industrielles, ce qui rend imprévisible la caractérisation de la pulvérisation. Par conséquent, il est difficile d’obtenir une corrélation universelle entre la caractérisation de la pulvérisation et les performances de refroidissement, ces difficultés limitent la mise en œuvre du refroidissement par pulvérisation. De plus, l’encrassement des buses à petits orifices engendre l’apparition d’une zone de séchage sur la surface chauffée. Malgré toutes ces contraintes, le refroidissement par pulvérisation reste une technologie de refroidissement appréciée et de nombreuses applications ont été réalisé : pour le supercalculateur (CRAY X-1), les réseaux de diodes laser, les composants de source hyperfréquence et les avions à gravité réduite de la NASA…

Mécanismes de transfert de chaleur

Les mécanismes de base par lesquels la chaleur est évacuée lors du refroidissement par pulvérisation sont très peu définis, car il s’agit d’une technologie combinant plusieurs processus fondamentalement complexes de dynamique thermo/fluide. De plus, le transfert de chaleur dépend fortement de la quantité de liquide à la surface. Dans une extrémité, le débit de liquide est suffisant pour créer un film liquide continu [48]. Ce film est exposé au mélange provoqué par les gouttelettes entrantes, l’entraînement de gaz, l’ébullition et l’évaporation (Fig. II.2). À l’extrémité opposé, une surface relativement sèche peut résulter à cause d’une pulvérisation dispersée (faible débit volumétrique) et / ou d’une température de surface élevée. Sur une surface sèche, l’ébullition au sens traditionnel peut avoir moins d’importance que l’évaporation goutte à goutte et que l’impact de gouttelettes. Dans ce cas, la distribution des tailles et des vitesses des gouttelettes due à la méthode d’atomisation affecte fortement le taux de transfert de chaleur. Ces gouttelettes peuvent éclabousser, rebondir et fusionner à la surface. Les gouttelettes individuelles et les flaques de gouttelettes sont alors libres de s’évaporer car elles sont poussées hors de la surface chauffée par la quantité de mouvement radial du liquide .