est ´evidemment non-exhaustive

Evaporateur Condenseur Vapeur Liquide R´eservoir Pr=cst _L c La Le 0 y d P

Figure1.10. – Sch´ema d’un dispositif de PHP monobranche, destin´e `a l’´etude des ph´enom`enes physiques gouvernant le fonctionnement global du PHP.

est ´evidemment non-exhaustive.

1.3.3.1. ´Etat thermodynamique de la vapeur

Une premi`ere ´etude de Bonnet, Gully et al. [19,20,47] sur un PHP monobranche donne acc`es `a

l’´etat thermodynamique de la vapeur. L’exp´erience est r´ealis´ee dans un environnement cryog´enique.

L’emploi de la cryog´enie n´ecessite une enceinte `a vide, m´etallique, qui empˆeche la visualisation

directe du canal, contrairement aux autres exp´eriences sur PHP monobranche. Le fluide, pur, est

de l’oxyg`ene. L’introduction dans la bulle d’un micro-thermocouple avec un faible temps de r´eponse

(30 ms) en regard de la p´eriode d’oscillation (1−2 Hz) [98] permet de suivre l’´evolution de la

temp´erature de vapeur avec pr´ecision. Les vitesses de d´eplacement des mol´ecules de gaz sont plutˆot

faibles, et par cons´equent, la conduction et la convection sont plutˆot mauvaises dans la vapeur. `A

temp´erature ambiante, l’´echange radiatif entre la paroi int´erieure du tube et le micro-thermocouple

serait pr´epond´erant : l’utilisation de la cryog´enie permet de s’en affranchir. La mesure d´elivr´ee par

le micro-thermocouple r´ev`ele que la temp´erature de vapeur exc`ede la temp´erature de saturation. La

vapeur est donc surchauff´ee. Elle agit comme un ressort et sa compressibilit´e d´etermine la fr´equence

des oscillations. Si la vapeur reste `a saturation, chaque compression-dilatation de volume de la bulle

r´esulte en une ´evaporation-condensation.

L’hypoth`ese de la surchauffe de vapeur avait ´et´e avanc´ee par Faghri [125], et ces travaux en

apportent la preuve exp´erimentale. La cryog´enie permet ´egalement de r´ealiser des bilans thermiques

pr´ecis, en supprimant les pertes parasites vers l’ext´erieur, et par conduction le long des parois du

tube. L’int´egralit´e de la puissance de chauffe est transmise au fluide par convection ou changement

de phase, puis restitu´ee au condenseur de la mˆeme mani`ere. La mˆeme exp´erience a donc permis de

v´erifier que la majeure partie de la puissance est transf´er´ee par chaleur sensible.

1.3.3.2. Impact des chaleurs latente et sensible

Dans les autres types de caloducs, par exemple les thermosiphons ou les boucles `a pompage

capillaire, l’´echange par changement de phase est le vecteur de transfert de l’´energie [67]. Dans un

14 1. INTRODUCTION

Pressure sensor

Evaporator _Condenser

µ TC

Reservoir 2 mm ID stainless steel tube

Cold plate µTC T 3 E T 2 E T TE5 1 E T TE4 R P E Qɺ 8 0 K Liquid ox ygen R Qɺ R T H C T Vapor bubble Liquid slug mm 52 mm 310 Vacuum chamber v P

Figure1.11. – Sch´ema du PHP monobranche utilis´e par Gully et al.[47]. Le micro-thermocouple (µT C, `a gauche sur le sch´ema) a ´et´e utilis´e pour mesurer la temp´erature de vapeur.

caloduc oscillant, du moins lorsqu’il fonctionne avec un ´ecoulement en bouchons (figure1.5(b)-(d)),

c’est l’´echange sensible qui est le mode de transfert majoritaire. Lorsqu’il fonctionne en ´ecoulement

annulaire (figure1.5(f)-(h)), le comportement du dispositif est semblable `a celui d’un thermosiphon,

et l’´echange est effectu´e par chaleur latente.

Kato et al. [66] proposent une exp´erience int´eressante pour discriminer le vecteur du transfert

de chaleur. Leur dispositif est un PHP monobranche. Le condenseur est un bain de liquide froid

dans lequel d´ebouche le canal. Sur ce type de configuration, les trois facteurs pouvant permettre

le transfert de chaleur sont (I) la chaleur latente lib´er´ee lors de l’´evaporation-condensation, (II)

l’´echange sensible entre le bouchon et la paroi, et (III) l’´echange sensible r´esultant de l’´echange

de liquide avec le bain thermostat´e. Il faut reconnaˆıtre, toutefois, que l’usage d’un bain comme

condenseur est rarement employ´e en pratique. Trois exp´eriences sont r´ealis´ees en vue de discriminer

le facteur le plus important. Dans la premi`ere exp´erience, le PHP fonctionne normalement,

c’est-`

a-dire qu’une oscillation auto-entretenue du bouchon de liquide est g´en´er´ee thermiquement. Dans

ce cas, les trois facteurs sont r´eunis. Dans la seconde exp´erience, le tube est compl`etement rempli

de liquide, et le bouchon est mis en mouvement par un syst`eme bielle-piston. Les facteurs (II)

et (III) sont donc pr´esents, mais le facteur (I) est ´elimin´e. Enfin, dans la troisi`eme exp´erience, le

canal ne d´ebouche pas dans le bain thermostat´e, mais le traverse simplement. Le refroidissement

au condenseur est alors effectu´e par une circulation de liquide autour du canal, et non plus par un

´echange direct de masse. Seul le facteur (II) est ainsi retenu. Les r´esultats r´ev`elent que la puissance

est principalement ´echang´ee par la voie (III), et que le transfert par chaleur latente est n´egligeable.

N´eanmoins, la chaleur latente est suppos´ee ˆetre `a l’origine de l’entretien des oscillations. Son

rˆole est donc absolument n´ecessaire au bon fonctionnement du dispositif, et directement li´e `a la

performance.

1.4 Ph´enom`enes li´es au mouvement des interfaces 15

1.3.3.3. Visualisation de l’oscillation

Les travaux exp´erimentaux de Das et al. [29], et plus tard ceux de Rao et al. [105] sont aussi

bas´es sur un tel dispositif monobranche. L’installation exp´erimentale utilis´ee dans le second cas

(figure1.12) est compos´ee d’un tube capillaire vertical en verre, contenant un bouchon de liquide et

une bulle de vapeur. Deux ´echangeurs, ´egalement en verre, sont install´es autour du canal de fa¸con `a

servir d’´evaporateur (au-dessus), et de condenseur (en dessous), dans lesquels les temp´eratures sont

respectivement r´egul´ees. Premi`ere constatation int´eressante : le maintien d’un gradient de

temp´era-ture le long du capillaire permet d’assurer une oscillation auto-entretenue du m´enisque pendant des

heures. Ces oscillations sont semblables `a celles qui ont lieu dans les dispositifs multibranches [105].

La transparence du tube capillaire permet le suivi du d´eplacement du m´enisque s´eparant liquide et

vapeur au cours des oscillations. Rao et al. remarquent ainsi que l’amplitude des oscillations

pro-duites est fonction de la diff´erence de temp´erature entre le condenseur et l’´evaporateur, et ´egalement

du niveau de ces temp´eratures [103,104].

Le dispositif permet ´egalement la mesure de pression au sein de la vapeur, de mani`ere

synchroni-s´ee avec la visualisation de position, ce qui apporte de notables r´esultats concernant les transferts

de chaleur et de masse au sein d’un PHP en fonctionnement. Il est constat´e, pour des oscillations

stables et p´eriodiques, que le maximum de pression de vapeur n’est pas obtenu lorsque le m´enisque

est en position haute dans l’´evaporateur, mais lorsque il se trouve au niveau de la longueur

adiaba-tique, dans le sens descente. Cet effet r´esulte de la pr´esence d’un film liquide sur les parois du canal,

d´epos´e au passage du m´enisque. Nous le discuterons plus longuement au paragraphe1.4.

Recklin et al. [107] ont r´ealis´e une exp´erience quasiment identique, et arrivent `a des conclusions

semblables et compl´ementaires. Dans leur cas, le fluide utilis´e est du FC-72. De la mˆeme mani`ere que

dans l’exp´erience de Raoet al., une diff´erence de temp´erature trop importante entre ´evaporateur et

condenseur conduit `a des oscillations en deux temps : pour une oscillation sur deux, le m´enisque ne

parvient pas `a remonter dans l’´evaporateur. Lorsqu’il y parvient, la descente s’accompagne d’un pic

de pression, comme le constatent Rao et al. (apparition d’une harmonique de second ordre sur le

signal de pression), qui est attribu´e `a l’´evaporation du film liquide d´epos´e. Par ailleurs, l’abaissement

de la pression dans le r´eservoir implique une diminution de l’amplitude des oscillations. En effet,

abaisser la pression dans le r´eservoir revient, pour un PHP monobranche, `a diminuer la pression

moyenne dans la bulle de vapeur, ce qui contribue `a diminuer son effet ressort. En dessous d’une

pression minimum, les oscillations sont stopp´ees.

1.4. Ph´enom`enes li´es au mouvement des interfaces

1.4.1. ´Ecoulement de bulles de Taylor

L’´ecoulement en bouchons, pr´esent´e sur la figure 1.5, survient lorsque le PHP est en

fonction-nement oscillant. Cet ´ecoulement peut s’apparenter `a celui de bulles de Taylor (figure 1.13), dans

lequel les bulles sont s´epar´ees de la paroi par un film liquide, dont l’´epaisseur d´epend de la vitesse de

d´eplacement de la bulle. Selon la puissance inject´ee, le train de bulles peut ˆetre continu ou oscillant

(voir paragraphe 1.2.2.3). Le coefficient de transfert thermique est bien meilleur (environ 1,2 `a 2

fois) que dans celui d’un ´ecoulement simple phase [83]. Il est suppos´e que les films dans les PHP ont

16 1. INTRODUCTION

Figure1.12. – Sch´ema du PHP monobranche transparent utilis´e par Raoet al.[105].