Influence de la gravit´ e

a 50%. Si cette valeur n’est pas n´ecessairement optimale, elle n’en demeure pas moins tr`es voisine, et figure en tous cas syst´ematiquement dans la litt´erature dans la plage de fonc-tionnement du PHP. T R = 50% est donc souvent utilis´ee comme valeur de r´ef´erence.

3.2.5 Influence de la gravit´e

Le paragraphe consacr´e aux crit`eres g´eom´etriques que le caloduc oscillant doit res-pecter pour ˆetre en mesure de fonctionner, indiquait la n´ecessit´e de dimensionner son diam`etre interne de fa¸con `a minimiser les effets de la gravit´e, au regard des forces capil-laires. Cette capacit´e `a fonctionner ind´ependamment de son orientation constitue d’ailleurs un atout majeur du PHP par rapport aux caloducs conventionnels. N´eanmoins, cela ne le dispense pas d’ˆetre soumis aux effets de la gravit´e, et l’on peut s’attendre `a des perfor-mances diff´erentes selon son inclinaison par rapport au vecteur gravit´e : verticale favorable

(´evaporateur en bas), verticale d´efavorable (´evaporateur en haut) ou horizontale.

Figure 3.17 – R´esistance thermique d’un PHP boucl´e en fonction de la puissance impos´ee et du taux de remplissage (Ethanol, D = 2 mm, vertical favorable) [34]

Figure 3.18 – Influence de l’orientation d’un PHP sur sa r´esistance thermique en fonction de la puissance impos´ee pour 2 fluides (T R = 50%, D=2,5 mm, T_cryo = 40˚C) [32]

Comme pour les autres param`etres, l’inclinaison du PHP aura plus ou moins d’in-fluence sur ses performances, suivant les conditions op´eratoires. Ainsi, la figure 3.18 illustre, pour deux fluides, ´ethanol et ac´etone (´egalement test´es dans le cadre de cette th`ese), l’´evolution de la r´esistance thermique en fonction de la puissance impos´ee `a l’´evaporateur. On s’aper¸coit que la configuration verticale favorable am´eliore de mani`ere notoire les performances du syst`eme pour de faibles puissances. A partir d’un certain

seuil, ce param`etre n’a plus d’effet.

Cette influence est ´egalement mise en ´evidence dans les travaux de Yang et al. [31] o`u l’on peut voir, sur la figure 3.19, que la configuration verticale favorable (bottom 90˚) offre, d’une part, les meilleures performances, mais permet ´egalement d’atteindre une limite de fonctionnement plus ´elev´ee (sup´erieure `a 500 W dans le cas pr´esent). Les r´esistances sont `

a l’inverse plus ´elev´ees en verticale d´efavorable (top 90˚), la configuration horizontale se situant `a un niveau interm´ediaire en terme de performances.

Figure 3.19 – Performances thermiques d’un PHP boucl´e en fonction de son orientation (R123, T R = 50%, D = 2 mm) [31]

Des ´etudes ont permis de justifier la raison pour laquelle la gravit´e affecte la dynamique du PHP mˆeme si les conditions satisfaisant le crit`ere li´e au nombre de Bond critique sont respect´ees [33]. En effet, il est admis que les tensions de surface sont pr´edominantes dans les applications exp´erimentales satisfaisant Bo ≤ 2 (voir paragraphe plus haut). Dans ce cas, la forme des bulles et bouchons liquides ne devrait pas changer entre les positions horizontale et verticale, au regard notamment de la sym´etrie du film liquide autour de la bulle. La figure 3.20, montrant des bulles et bouchons d’´ethanol statiques, dans des tubes de 1 mm et 2 mm de diam`etre interne (respectant donc le crit`ere du nombre de Bond), indique au contraire que la gravit´e a un effet ´evident, de part la dissym´etrie de la forme des bulles.

Enfin, si la gravit´e a effectivement un impact sur les performances d’un PHP selon son orientation, et mˆeme si le syst`eme consid´er´e dans cette th`ese est destin´e `a des applications terrestres, on peut l´egitimement se demander ce qu’il advient de ces performances sous des champs de gravit´e variables. Des exp´eriences effectu´ees en vol parabolique par Gu et

al. [40] ont permis d’apporter un ´el´ement de r´eponse. Les tests effectu´es sur un PHP en aluminium (comportant 48 boucles, des canaux carr´es de 1,1 mm de cˆot´es, et utilisant du R114 comme fluide caloporteur), ont montr´e que les performances semblaient accrues en phases de microgravit´e, compar´ees `a celles obtenues en gravit´e normale (1g) ou en hypergravit´e (2,5g), et ce quelle que soit l’orientation du caloduc. Les exp´eriences de ce type demeurent encore tr`es rares, mais le secteur spatial voue un int´erˆet grandissant `a cette technologie. Du reste, de nouveaux essais en vol parabolique, en partenariat avec le CNES, sont en cours [41].

Figure 3.20 – Images de bulles et bouchons liquides dans un tube en verre en conditions statique et isotherme (Ethanol) [33]

3.3 Conclusion

L’ensemble des aspects d´evelopp´es dans ce chapitre ´eclaire, d’une part, sur les principes fondamentaux r´egissant le fonctionnement du caloducs oscillant, mais passe ´egalement en revue les principaux param`etres influents. Le sch´ema de la figure 3.21 r´esume les diff´erentes conditions permettant au PHP de fonctionner.

N´eanmoins, comme nous l’avons vu, le fonctionnement d’un caloduc oscillant rel`eve d’une combinaison complexe entre ces diff´erents param`etres, d`es lors qu’aucun d’eux n’est indissociable de l’autre. Par cons´equent, de nombreuses interrogations demeurent encore difficiles `a ´elucider :

– Quelle est la part exacte d’´echanges par chaleur sensible et par chaleur latente ? – Peut-on pr´edire, si ils existent, les multiples r´egimes stables ?

– Comment pr´edire la distribution de bulles de vapeur et leurs effets sur les transferts de chaleur ?

– Peut-on identifier des nombres adimensionnels caract´eristiques ?

– Existe-t-il un ou des nombres de m´erite li´e au mode de fonctionnement ?

Figure 3.21 – Param`etres thermo-m´ecaniques d´eterminants pour le fonctionnement du PHP [42]

Bien que le niveau de connaissances actuel n’autorise pas encore `a r´epondre de mani`ere absolue `a ces questions, les diverses ´etudes exp´erimentales, cit´ees dans cette partie, mon-trent quelques tendances semblant se d´etacher (orientations favorables, plage de taux de remplissage, ...). On veillera donc autant que possible `a comparer les r´esultats obtenus dans la suite (sous des conditions plus ou moins analogues) avec ces diff´erents constats. Avant cela, on se propose, dans la partie suivante, de d´etailler les diff´erents choix et les diff´erentes ´etapes qui ont men´e `a l’´elaboration du syst`eme d´evelopp´e dans le cadre de ce projet, et sur lequel s’est d´eroul´e l’ensemble des campagnes exp´erimentales.

Etude exp´erimentale d’un PHP pour

le refroidissement d’un stator de

Dispositif exp´erimental

4.1 Introduction

Ce chapitre d´etaille les diff´erentes ´etapes et les diverses consid´erations ayant men´ees au d´eveloppement du prototype destin´e `a reproduire le plus fid`element possible la ma-chine r´eelle. Les ´etudes bibliographiques et ´etats de l’art r´ealis´es ont montr´e l’existence de plusieurs solutions envisageables, concernant le refroidissement du stator d’une machine de ce type. Le choix de cette solution s’´etant rapidement port´e sur le caloduc oscillant, les diff´erentes questions soulev´ees dans le processus de dimensionnement et de ce tube seront d´evelopp´ees, de mˆeme que la r´ealisation du banc exp´erimental et des ´el´ements qui le composent.

On pr´esentera finalement les r´esultats de quelques essais caract´eristiques, permettant de mettre en avant le fonctionnement oscillatoire du syst`eme et de d´egager des premi`eres tendances. Un aper¸cu des performances que ce caloduc oscillant est en mesure d’offrir sera en outre pr´esent´e, ouvrant ainsi la voie `a l’´etude param´etrique dont le chapitre suivant fera l’objet.