Thermal and Visual Operationnal Characteristics of multi-microchannel evaporators using refrigerants

Résumé :
La présente étude expérimentale concerne la stabilité des écoulements biphasiques des réfrigérants R245fa, R236fa et R1234ze(E) dans des micro-canaux multiples de dimensions 100 x 100 μm² pour le refroidissement “inter-couche” des futurs processeurs 3D de hautes performances.

Si aucune restriction n’est placée à l’entrée des micro-canaux composant les micro-évaporateurs, des instabilités ainsi que des inversions de sens et des mauvaises distributions de l’écoulement peuvent mener à des oscillations à haute fréquence et de grande amplitude des champs de pression et température. De tels phénomènes ont été inhibés en plaçant des restrictions rectangulaires (micro-orifices) à l’entrée de chaque canal.

Ceci permet d’assurer un écoulement biphasique stable pour une large gamme de conditions expérimentales. Les performances des micro-évaporateurs sont étudiées en fonction du rapport d’expansion dans les orifices et du type de fluide. La visualisation simultanée par caméra rapide et par caméra infrarouge permet l’identification de différents régimes d’opération et conduit à la création de carte opératoire d’écoulements biphasiques.

Les conditions opératoires optimales ont été obtenues pour un écoulement biphasique créé par “flashing” (chute soudaine de pression) au niveau des micro-orifices. Ces conditions ont permis d’évacuer de larges flux de chaleur en conservant la température du pseudo-processeur en dessous de température typique d’opération de CPU. Dans la présente étude, une nouvelle technique in-situ, pixel par pixel, a été développée pour calibrer les images infrarouges, permettant ainsi d’obtenir un champ de température de 10’000 pixels sur la section d’essai. L’analyse de ces champs de température supportée par la visualisation des écoulements confirme que le type d’écoulement a une grande influence sur les coefficients de transfert thermique (déterminés en prenant en compte la conduction en 3 dimensions dans l’évaporateur).

Les pertes de charge à l’entrée et à la sortie des canaux ont été quantifiées de façon à décrire précisément les performances hydrauliques des micro-évaporateurs et de fournir des données de transferts thermiques fiables. Les coefficients de transfert thermiques ont donc été obtenues avec une grande résolution ce qui permet de décrire au mieux la transition entre le régime de bulles coalescentes et le régime annulaire.

Il est montré que le coefficient de transfert thermique ne change pas de façon abrupte lors de la transition mais plutôt de façon continue. La forme en U caractéristique a été observée, la partie descendante correspondant au régime de bulles coalescentes, tandis que la partie ascendante représente le régime annulaire. Une bonne comparaison entre les données obtenues expérimentalement et une méthode de prédiction basée sur une carte d’écoulement a été obtenue.

Enfin, un nouvel effet du titre en vapeur a été ajouté à cette méthode de prédiction pour améliorer sa précision.