{"id":22110,"date":"2025-05-13T10:17:22","date_gmt":"2025-05-13T08:17:22","guid":{"rendered":"https:\/\/greth.fr\/?p=22110"},"modified":"2025-10-27T17:10:20","modified_gmt":"2025-10-27T16:10:20","slug":"etude-de-levaporation-du-co2-dans-des-micro-canaux-integres-dans-des-detecteurs-en-silicium-approches-numerique-et-experimentale","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/greth.fr\/en\/etude-de-levaporation-du-co2-dans-des-micro-canaux-integres-dans-des-detecteurs-en-silicium-approches-numerique-et-experimentale\/","title":{"rendered":"Study of CO2 evaporation in micro-channels for next-generation silicon detectors : experimental and numerical approaches"},"content":{"rendered":"<strong><span style=\"text-decoration: underline;\">Summary:<\/span><\/strong><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Because of its good thermo-physical properties and low global warming power (GWP), for certain scientific applications, CO2 is considered a suitable refrigerant for cooling electronic devices. The next generation of trace detectors at the LHC (CERN), scheduled for installation in 2027, will be cooled to temperatures between +10\u00b0C and -40\u00b0C, by evaporating liquid CO2 circulating in titanium mini-channels attached to 4cm\u00b2 silicon PIXEL sensors. For the next generation, to be installed on the Future Circular Collider (FCC) by 2040, a new option explored by CERN is being studied by the LEGI-LAPP team. This innovative solution involves circulating CO2 through microchannels integrated into the silicon substrate directly behind the sensors, minimizing thermal interfaces. To achieve this, it is necessary to evaluate the thermal performance of this solution in order to validate this technological choice. As part of this thesis, several silicon\/pyrex multichannel samples were produced in a cleanroom environment. These samples consist of an expansion zone (capillaries) connected to an evaporation zone (parallel microchannels). For saturation temperatures between -30\u00b0C and -40\u00b0C, mass velocities ranging from 250 kg\/(m\u00b2s) to 1400 kg\/(m\u00b2s), and vapor contents between 4% and 18%, the heat transfer coefficient between the silicon wall and the CO2 was evaluated for heat fluxes ranging from 12 kW\/m\u00b2 to 161 kW\/m\u00b2. The results show that the heat transfer coefficient is strongly degraded by increasing mass velocity, but remains relatively independent of heat flux density. Numerical 2D flow simulations using the Volume Of Fluid approach confirm this trend.<\/p>\n<table border=\"1\" width=\"100%\">\n<tbody>\n<tr>\n<td><strong>Author<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Maxime VACHER<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><strong>Date of presentation<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>2024, october 1st<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><strong>Keywords<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Heat transfer, Microfluidics, Numerical simulation, Two phase flows<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n\n\n\n<div class=\"eds-animate edsanimate-sis-hidden\" data-eds-entry-animation=\"bounceIn\" data-eds-entry-delay=\"0\" data-eds-entry-duration=\"1\" data-eds-entry-timing=\"linear\" data-eds-exit-animation=\"\" data-eds-exit-delay=\"\" data-eds-exit-duration=\"\" data-eds-exit-timing=\"\" data-eds-repeat-count=\"1\" data-eds-keep=\"yes\" data-eds-animate-on=\"load\" data-eds-scroll-offset=\"\">\n\t\t<div class=\"box info\">\n\t\t\t<div class=\"box-inner-block\">\n\t\t\t\t<span class=\"fa tie-shortcode-boxicon\"><\/span>\n<p style=\"text-align: justify;\"><strong>&#x2666; The full version is only available for subscribers <a style=\"text-decoration: none;\" href=\"\/en\/offre-du-greth\/\"><span style=\"background-color: #3db2ea; color: #fff;\">\"ESSENTIEL\"<\/span><\/a> or <a style=\"text-decoration: none;\" href=\"\/en\/offre-du-greth\/\"><span style=\"background-color: #c6002c; color: #fff;\">\"PREMIUM\"<\/span><\/a> of GRETh!<\/strong><\/p>\n<p>&#x2666; If you are already a member \/ subscriber, you must identify yourself by <a href=\"\/wp-login.php\"><strong>clicking here<\/strong><\/a>.<br \/>\n&#x2666; If you are not a member, you can consult the offer proposed by GRETh by <a href=\"\/en\/offre-du-greth\/\"><strong>clicking here<\/strong><\/a> as well as the conditions of membership by <a href=\"\/en\/conditions-adhesion\/\"><strong>clicking here<\/strong><\/a>.\n\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t<\/div>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>R\u00e9sum\u00e9 : En raison de ses bonnes propri\u00e9t\u00e9s thermo-physiques, et de son faible pouvoir de r\u00e9chauffement (GWP), pour certaines applications scientifiques, le CO2 est consid\u00e9r\u00e9 comme un fluide frigorig\u00e8ne pertinent pour le refroidissement des appareils \u00e9lectroniques. La prochaine g\u00e9n\u00e9ration de d\u00e9tecteurs de traces au LHC (CERN) dont l\u2019installation est pr\u00e9vue en 2027, sera refroidie \u00e0 des temp\u00e9ratures comprises entre +10\u00b0C et -40\u00b0C, en \u00e9vaporant du CO2 liquide circulant dans des mini-canaux en titane attach\u00e9s aux capteurs PIXEL en silicium de 4cm\u00b2. Pour la g\u00e9n\u00e9ration suivante qui sera install\u00e9e sur le Future Circular Collider (FCC) d\u2019ici 2040, une nouvelle option explor\u00e9e par le CERN est \u00e9tudi\u00e9e par l\u2019\u00e9quipe LEGI-LAPP. Cette solution innovante consiste \u00e0 faire circuler le CO2 dans des micro-canaux int\u00e9gr\u00e9s dans le substrat de silicium directement \u00e0 l\u2019arri\u00e8re des capteurs, r\u00e9duisant au minimum les interfaces thermiques. Pour cela, il est n\u00e9cessaire d\u2019\u00e9valuer les performances thermiques de cette solution afin de valider ce choix technologique. Dans le cadre de cette th\u00e8se, plusieurs \u00e9chantillons de multicanaux en silicium\/pyrex ont \u00e9t\u00e9 r\u00e9alis\u00e9s en salle blanche. Ces \u00e9chantillons sont constitu\u00e9s d\u2019une zone de d\u00e9tente (capillaires) reli\u00e9e \u00e0 une zone d\u2019\u00e9vaporation (microcanaux en parall\u00e8le). Pour des temp\u00e9ratures de saturation comprises entre -30\u00b0C et -40\u00b0C, des vitesses massiques allant de 250 kg\/(m\u00b2s) et 1400 kg\/(m\u00b2s), et des titres en vapeur entre 4% et 18%, le coefficient de transfert de chaleur entre la paroi en silicium et le CO2 a \u00e9t\u00e9 \u00e9valu\u00e9 pour des flux de chaleur allant de 12 kW\/m\u00b2 jusqu\u2019\u00e0 161 kW\/m\u00b2. Il en ressort que le coefficient de transfert de chaleur est fortement d\u00e9grad\u00e9 par l\u2019augmentation de la vitesse massique, mais reste relativement ind\u00e9pendant de la densit\u00e9 de flux thermique. Des simulations num\u00e9riques 2D d\u2019\u00e9coulements r\u00e9alis\u00e9es avec l\u2019approche Volume Of Fluid confirment cette tendance.<\/p>","protected":false},"author":1,"featured_media":964,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[20,21],"tags":[6528,6889,6890,6526,6378],"class_list":["post-22110","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-documents","category-memoires-theses","tag-co2","tag-diphasique","tag-microfluidique","tag-simulation-numerique","tag-transfert-de-chaleur"],"yoast_head":"<!-- This site is optimized with the Yoast SEO Premium plugin v23.9 (Yoast SEO v27.3) - https:\/\/yoast.com\/product\/yoast-seo-premium-wordpress\/ -->\n<title>\u00c9tude de l\u2019\u00e9vaporation du CO2 dans des micro-canaux int\u00e9gr\u00e9s dans des d\u00e9tecteurs en silicium : approches num\u00e9rique et exp\u00e9rimentale - GRETh<\/title>\n<meta name=\"robots\" content=\"index, follow, max-snippet:-1, max-image-preview:large, max-video-preview:-1\" \/>\n<link rel=\"canonical\" href=\"https:\/\/greth.fr\/en\/etude-de-levaporation-du-co2-dans-des-micro-canaux-integres-dans-des-detecteurs-en-silicium-approches-numerique-et-experimentale\/\" \/>\n<meta property=\"og:locale\" content=\"en_US\" \/>\n<meta property=\"og:type\" content=\"article\" \/>\n<meta property=\"og:title\" content=\"\u00c9tude de l\u2019\u00e9vaporation du CO2 dans des micro-canaux int\u00e9gr\u00e9s dans des d\u00e9tecteurs en silicium : approches num\u00e9rique et exp\u00e9rimentale\" \/>\n<meta property=\"og:description\" content=\"R\u00e9sum\u00e9 : En raison de ses bonnes propri\u00e9t\u00e9s thermo-physiques, et de son faible pouvoir de r\u00e9chauffement (GWP), pour certaines applications scientifiques, le CO2 est consid\u00e9r\u00e9 comme un fluide frigorig\u00e8ne pertinent pour le refroidissement des appareils \u00e9lectroniques. 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La prochaine g\u00e9n\u00e9ration de d\u00e9tecteurs de traces au LHC (CERN) dont l\u2019installation est pr\u00e9vue en 2027, sera refroidie \u00e0 des temp\u00e9ratures comprises entre +10\u00b0C et -40\u00b0C, en \u00e9vaporant du CO2 liquide circulant dans des mini-canaux en titane attach\u00e9s aux capteurs PIXEL en silicium de 4cm\u00b2. Pour la g\u00e9n\u00e9ration suivante qui sera install\u00e9e sur le Future Circular Collider (FCC) d\u2019ici 2040, une nouvelle option explor\u00e9e par le CERN est \u00e9tudi\u00e9e par l\u2019\u00e9quipe LEGI-LAPP. Cette solution innovante consiste \u00e0 faire circuler le CO2 dans des micro-canaux int\u00e9gr\u00e9s dans le substrat de silicium directement \u00e0 l\u2019arri\u00e8re des capteurs, r\u00e9duisant au minimum les interfaces thermiques. Pour cela, il est n\u00e9cessaire d\u2019\u00e9valuer les performances thermiques de cette solution afin de valider ce choix technologique. Dans le cadre de cette th\u00e8se, plusieurs \u00e9chantillons de multicanaux en silicium\/pyrex ont \u00e9t\u00e9 r\u00e9alis\u00e9s en salle blanche. Ces \u00e9chantillons sont constitu\u00e9s d\u2019une zone de d\u00e9tente (capillaires) reli\u00e9e \u00e0 une zone d\u2019\u00e9vaporation (microcanaux en parall\u00e8le). Pour des temp\u00e9ratures de saturation comprises entre -30\u00b0C et -40\u00b0C, des vitesses massiques allant de 250 kg\/(m\u00b2s) et 1400 kg\/(m\u00b2s), et des titres en vapeur entre 4% et 18%, le coefficient de transfert de chaleur entre la paroi en silicium et le CO2 a \u00e9t\u00e9 \u00e9valu\u00e9 pour des flux de chaleur allant de 12 kW\/m\u00b2 jusqu\u2019\u00e0 161 kW\/m\u00b2. Il en ressort que le coefficient de transfert de chaleur est fortement d\u00e9grad\u00e9 par l\u2019augmentation de la vitesse massique, mais reste relativement ind\u00e9pendant de la densit\u00e9 de flux thermique. Des simulations num\u00e9riques 2D d\u2019\u00e9coulements r\u00e9alis\u00e9es avec l\u2019approche Volume Of Fluid confirment cette tendance.","og_url":"https:\/\/greth.fr\/en\/etude-de-levaporation-du-co2-dans-des-micro-canaux-integres-dans-des-detecteurs-en-silicium-approches-numerique-et-experimentale\/","og_site_name":"GRETh","article_publisher":"https:\/\/www.facebook.com\/grethfr\/","article_author":"https:\/\/www.facebook.com\/grethfr\/","article_published_time":"2025-05-13T08:17:22+00:00","article_modified_time":"2025-10-27T16:10:20+00:00","og_image":[{"width":424,"height":283,"url":"https:\/\/greth.fr\/wp-content\/uploads\/2015\/08\/theses-8.jpg","type":"image\/jpeg"}],"author":"GRETh","twitter_card":"summary_large_image","twitter_creator":"@grethfr","twitter_site":"@grethfr","twitter_misc":{"Written by":"GRETh","Est. reading time":"5 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