Étude de l’évaporation du CO2 dans des micro-canaux intégrés dans des détecteurs en silicium : approches numérique et expérimentale

En raison de ses bonnes propriétés thermo-physiques, et de son faible pouvoir de réchauffement (GWP), pour certaines applications scientifiques, le CO2 est considéré comme un fluide frigorigène pertinent pour le refroidissement des appareils électroniques. La prochaine génération de détecteurs de traces au LHC (CERN) dont l’installation est prévue en 2027, sera refroidie à des températures comprises entre +10°C et -40°C, en évaporant du CO2 liquide circulant dans des mini-canaux en titane attachés aux capteurs PIXEL en silicium de 4cm². Pour la génération suivante qui sera installée sur le Future Circular Collider (FCC) d’ici 2040, une nouvelle option explorée par le CERN est étudiée par l’équipe LEGI-LAPP. Cette solution innovante consiste à faire circuler le CO2 dans des micro-canaux intégrés dans le substrat de silicium directement à l’arrière des capteurs, réduisant au minimum les interfaces thermiques. Pour cela, il est nécessaire d’évaluer les performances thermiques de cette solution afin de valider ce choix technologique. Dans le cadre de cette thèse, plusieurs échantillons de multicanaux en silicium/pyrex ont été réalisés en salle blanche. Ces échantillons sont constitués d’une zone de détente (capillaires) reliée à une zone d’évaporation (microcanaux en parallèle). Pour des températures de saturation comprises entre -30°C et -40°C, des vitesses massiques allant de 250 kg/(m²s) et 1400 kg/(m²s), et des titres en vapeur entre 4% et 18%, le coefficient de transfert de chaleur entre la paroi en silicium et le CO2 a été évalué pour des flux de chaleur allant de 12 kW/m² jusqu’à 161 kW/m². Il en ressort que le coefficient de transfert de chaleur est fortement dégradé par l’augmentation de la vitesse massique, mais reste relativement indépendant de la densité de flux thermique. Des simulations numériques 2D d’écoulements réalisées avec l’approche Volume Of Fluid confirment cette tendance.