5.4 Reproductibilité et stabilité du fonctionnement
5.4.2 Reproductibilité des mesures
La reproductibilité du fonctionnement des deux dispositifs expérimentaux développés a été testée. Les différents essais ont été réalisés avec un taux de remplissage fixe de 50 % et en position horizontale. Le graphique de la figure 5.20 regroupe plusieurs courbes présentant l’évolution de la résistance thermique globale du premier caloduc oscillant en fonction du flux thermique appliqué à son évaporateur pour une température de source froide de 80 ˚C.
Sur ce graphique, on distingue deux groupes de courbes, un premier groupe composé des essais réalisés sur une période de deux mois entre le 22.03.2006 et 23.05.2006 qui ont été ob- tenues avec le même remplissage c’est-à-dire sans procéder à une mise au vide du dispositif entre les différentes campagnes d’essais. Les courbes restantes correspondent à trois opérations de remplissage distinctes.
FIG. 5.20 – Evolution de la résistance thermique globale en fonction de la puissance thermique appliquée (Caloduc oscillant n˚ 1)
La différence majeure observée dans le cas des trois tests réalisés avec le même remplis- sage est la dégradation des performances du premier caloduc oscillant au cours du temps. Cela proviendrait probablement de l’apparition de gaz incondensables au sein du système après plusieurs semaines d’utilisation notamment en raison de défauts d’étanchéité engendrés par des dilatations différentielles des matériaux de certains raccords. En effet, une augmentation de la pression régnant à l’intérieur du caloduc oscillant dont la température est uniforme a été mesurée (P80˚C passe de 0,5 bar à 0,6 bar).
Dans le cas de faibles puissances thermiques, les résultats issus de nouveaux remplissages du caloduc oscillant présentent des niveaux de résistance thermique inférieurs à ceux des pre- miers essais. En revanche, lorsque la puissance thermique augmente la valeur de Rth se rap- proche progressivement des valeurs enregistrées pour les autres essais. On note également que le comportement obtenu lors de ces trois derniers tests est très sensiblement reproductible.
Cette évolution dans le temps des performances du premier caloduc oscillant, qui semble favoriser les échanges thermiques au sein de ce dernier, pourrait être expliquée par un éventuel changement de l’état de surface interne du tube capillaire dû à des interactions entre cette paroi en cuivre et le fluide caloporteur utilisé (l’eau). En effet, l’oxydation du cuivre peut entraîner l’amélioration de sa capacité à être mouillé par l’eau et par conséquent augmenter localement les échanges thermiques. En revanche, ce changement de l’état de surface du tube capillaire pénalise l’écoulement du fluide caloporteur en augmentant le frottement sur cette paroi.
Dans le cas du second caloduc oscillant, trois tests de reproductibilité ont aussi été réali- sés pour un même remplissage de 50 % et avec une température de source froide de 40 ˚C. Les résultats issus de ces essais sont présentés sur la figure 5.21. Les trois courbes présentent la variation de la résistance thermique globale du dispositif testé en fonction de la puissance thermique appliquée à l’évaporateur. Les niveaux de résistances thermiques ainsi que les flux de chaleur transférés sont globalement identiques et le fonctionnement est reproductible.
FIG. 5.21 – Evolution de la résistance thermique globale en fonction de la puissance thermique appliquée (Caloduc oscillant n˚ 2)
5.5 Conclusion
L’investigation du fonctionnement du caloduc oscillant à travers une étude expérimentale peut s’avérer une tâche très longue à réaliser en raison du nombre important de paramètres influents et leurs effets respectifs qui sont souvent couplés. Lors de l’étude menée dans le cadre de cette thèse dont le bilan est présenté dans ce chapitre, un choix de variables de contrôle a été réalisé conduisant au développement de deux bancs d’essais différents.
Les diverses campagnes d’essais effectuées sur ces deux dispositifs expérimentaux ont per- mis d’explorer plusieurs aspects du fonctionnement du caloduc oscillant. Une première phase de cette étude a été consacrée à une analyse fréquentielle de signaux de pression mesurés loca- lement au niveau des trois boucles centrales du premier caloduc oscillant. Les résultats obtenus n’ont pas permis d’identifier de fréquences d’oscillations caractéristiques de l’écoulement du fluide de travail au sein de ce système. Afin de vérifier ce résultat, le traitement des signaux de pression réalisé pourrait être complété par une analyse similaire de mesures de température au niveau de la zone adiabatique.
La seconde phase de cette étude expérimentale a été dédiée à l’exploitation des nombreuses mesures de température issues des essais destinés à la caractérisation des performances des deux systèmes développés en mettant en évidence l’influence de trois paramètres principaux identifiés, la température de la source froide prise comme température de référence, le taux de remplissage T R et les forces de gravité.
Le choix de la température de source froide permettant d’obtenir le fonctionnement le plus performant dépend du fluide caloporteur utilisé et de la contrainte de sécurité imposée. Cette dernière pourrait correspondre dans une application industrielle potentielle à la température maximale autorisée au niveau du composant à refroidir.
Les résultats des essais relatifs à l’influence du taux de remplissage ont conduit à la même conclusion à savoir un taux de remplissage de 50 % semble correspondre au point de fonction- nement optimal pour les deux caloducs oscillants étudiés.
L’exploration des effets des forces de gravité a permis de montrer que le fonctionnement du caloduc oscillant est nettement moins sensible à ce paramètre comparé à un caloduc conven- tionnel muni d’une structure capillaire assurant le retour du liquide vers l’évaporateur. Néan- moins, les performances des deux dispositifs considérés ont été affectées par le changement de leur orientation dans l’espace. Ces performances se sont dégradées en particulier en position verticale défavorable. Les effets des forces de gravité se sont également manifestés lors d’essais consacrés au second caloduc oscillant fonctionnant à l’acétone en engendrant des fluctuations de la température de l’évaporateur à faible flux thermique entrant en position verticale. L’aug- mentation de la puissance thermique semble atténuer ces variations.
I
L y a tout juste cinquante ans le premier satellite artificiel Spoutnik 1 donnait le signal de départ de l’une des plus formidables aventures humaines et technologiques : la conquête spatiale. Gâce à elle, notre compréhension de l’Univers à radicalement changé et l’homme a réussi à apprivoiser l’espace pour en faire un outil à son service. Les bénéfices retirés au quo- tidien des flottes de stellites en orbite autour de la Terre sont innombrables : la navigation, la météorologie, les télécommunications, la surveillance de l’environnement, ...Les informations venues de l’espace nous changent la vie de manière irreversible et cer- taines technologies liées aux applications spatiales (localisation et navigation par satellite, ima- gerie spatiale, ...) se diffusent de plus en plus dans les produits de consommation et rencontrent un grand succès auprés du public (GPS, Google Earth, ...). Afin de mieux exploiter les appli- cations que permettent tous les engins spatiaux, les acteurs de ce secteur, industriels et cheur- cheurs doivent innover sans cesse. Ce progrés technologique s’opère de plus en plus dans un contexte de forte miniaturisation conduisant à la réduction de la taille des composants em- barqués et à la concentration des flux de chaleur dissipés. Ainsi, le contrôle thermique de ces composants s’impose comme un défi majeur à relever dans un avenir proche.
Comme nous l’avons vu dans le premier chapitre de ce mémoire, des solutions perfor- mantes existent, notamment les technologies de refroidissement diphasique passif. Les capaci- tés de transfert de chaleur des caloducs conventionnels et des boucles diphasiques à pompage capillaire sont aujourd’hui exploitées dans la gestion thermique des engins spatiaux. Cepen- dant, la diversité et la spécificté des besoins de contrôle thermique nécessite le développement de multiples solutions adaptées. L’apparition du caloduc oscillant a permis d’élargir la gamme de technologies de transfert de chaleur diphasique passif. Toutefois, malgré son fort potentiel, l’exploitation de ce nouveau système se trouve confrontée au manque d’outils de dimension- nement et d’optimisation. Comme évoqué dans le chapitre 3, les tentatives de modélisation du
fonctionnement du caloduc oscillant sont nombreuses et les voies empruntées sont diverses mais la complexité de son comportement thermohydraulique reste un obstacle. Le développe- ment réalisé au cours de cette thèse sur un volume élémentaire de fluide composé d’une seule bulle de vapeur et d’un seul bouchon de liquide révèle, d’une part, un fort couplage entre les aspects associés aux échanges thermiques et ceux relatifs aux écoulements hydrodynamiques et, d’autre part, l’existence de conditions initiales et aux limites favorables à l’apparition et l’en- tretien des oscillations de la position de l’interface liquide-vapeur.
La multiplication des investigations expérimentales est plus que jamais la voie priviligiée pour appréhender les phénomènes et les mécanismes physiques mis en jeu à la fois locale- ment à l’échelle d’une branche et globalement à l’échelle du système. C’est cette dernière ap- proche qui a été adoptée dans ce travail de thèse. A la lumière des résultats acquis à travers les nombreuses études expérimentales réalisées, de par le monde, et présentées en chapitre 2, deux dispositifs expérimentaux ont été développés. Le chapitre 4 présente de manière détaillée la réalisation et l’instrumentation des ces deux prototypes. Le chapitre 5 aborde ensuite les campagnes d’essais menées afin de caractériser leurs fonctionnements respectifs sous diverses conditions opératoires.
Les résultats issus de cette étude expérimentale ont permis de mettre en évidence d’im- portantes capacités de transfert de chaleur des deux systèmes testés (jusqu’à 1,9 kW pour le caloduc oscillant n˚1 et 4,4 kW pour le caloduc oscillant n˚2). Les résistances thermiques glo- bales caractéristiques du fonctionnement de ces deux dispositifs mesurées sont relativement faibles. Ces performances dépendent naturellement de leurs caractéristiques géométriques et de leur orientation dans l’espace ainsi que des propriétés thermophysiques des fluides calo- porteurs utilisés. Dans les deux cas de figure, un fonctionnement optimal a été mesuré pour un taux de remplissage de 50 %.
L’avantage majeur du caloduc oscillant révélé à travers les données expérimentales obte- nues est sa faible sensibilité aux effets des forces de gravité, même en position verticale défa- vorable les deux systèmes ont fonctionné. Contrairement au caloduc classique, cette caractéris- tique confère au caloduc oscillant un potentiel d’exploitation dans des applications terrestres.
Outre ces performances, les tests réalisés ont également mis en évidence deux régimes de fonctionnement du second caloduc oscillant dont le diamètre intérieur est plus proche du dia- mètre critique de son fluide de travail, à savoir l’acétone. Des instabilités de fonctionnement caractérisées par d’importantes fluctuations de la température de l’évaporateur ont également été mises en évidence sur ce deuxième système. Ces variations de température enregistrées uniquement à faible puissance thermique et en position verticale (favorable et défavorable) semblent provenir des conséquences des forces de gravité sur l’écoulement diphasique engen- dré sous ces conditions.
Au vu des résultats expérimentaux obtenus, le caloduc oscillant est un système diphasique passif très intéressant alliant une géométrie simple et des performances importantes. Des in- vestigations futures sont nécessaires afin d’apporter des éléments d’analyse supplémentaires concernant les mécanismes physiques responsables de son fonctionnement et l’importance de leurs effets respectifs dans les échanges thermiques. Ces travaux pourraient consister dans un premier temps en une exploitation plus approfondie des deux bancs d’essais développés. Des dispositifs dédiés à la visualisation des écoulements diphasiques se produisant au sein d’un
caloduc oscillant, à l’étude des effets associés aux longueurs des différentes zones (évapora- teur, condenseur et adiabatique), ... doivent être envisagés afin de continuer à améliorer notre connaissance de ces systèmes originaux que sont les caloducs oscillants.
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1.1 Exemples de longueurs de transport de caloducs conventionnels, de boucles fluides LHP et de caloducs oscillants . . . 21 1.2 Exemples de résistances thermiques globales et de densités de flux caractéris-
tiques de caloducs conventionnels, de boucles fluides LHP et de caloducs oscil- lants . . . 23 2.1 Classifications des conduites selon leur diamètre hydraulique . . . 33 2.2 Données expérimentales concernant l’effet du diamètre intérieur . . . 43 2.3 Données expérimentales de la campagne d’essais de Charoensawan et Terdtoon
[37] . . . 46 2.4 Dimensions du caloduc oscillant étudié [10] . . . 52 3.1 Conditions initiales du modèle de Wong et al. [41] . . . 67 3.2 Caractéristiques du banc d’essais associé au modèle analyse mathématique et
chaos . . . 69 3.3 Caractéristiques du banc d’essais associé au modèle réseau de neurones artificiels 76 3.4 Données initiales et conditions aux limites . . . 82 3.5 Système d’équations et variables associées . . . 89 4.1 Dimensions carcatéristiques du caloduc oscillant n˚1 . . . 102 4.2 Dimensions carcatéristiques du caloduc oscillant n˚2 . . . 102 4.3 Equations de pertes thermiques . . . 108 4.4 Mesures de tension et d’intensité . . . 118 5.1 Ecart de température moyen entre l’évaporateur et le condenseur du second ca-
loduc oscillant pour différentes températures de référence (T R = 50 %) . . . 131 C.1 Evaluation des pertes thermique du premier dispositif expérimental . . . 185 C.2 Evaluation des pertes thermiques du second dispositif expérimental . . . 186
1.1 Caloduc oscillant . . . 9 1.2 Le canard buveur [10] . . . 12 1.3 Schéma du dispositif breveté par Smyrnov et Savchenkov [10] . . . 13 1.4 Les différentes configurations d’un caloduc oscillant . . . 13 1.5 Différents modèles de caloduc oscillant brevetés par Akachi en 1990 [10] . . . 14 1.6 Modèles du caloduc oscillant proposés par Akachi en 1993-1996 [10] . . . 15 1.7 Vue partielle de la plaque «Heat lane» . . . 15