Etude théorique et expérimentale du refroidissement diphasique à pompage capillaire de convertisseurs de puissance à haute densité de flux de chaleur pour la traction ferroviaire

Theoritical and experimental studies of a loop heat pipe for cooling of high power electronic converters for railway transport

• Auteur / Autrice : David Lossouarn
• Direction : Yves Bertin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie, thermique, combustion
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et aéronautique (Poitiers1992-2008)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Électronique de puissance

Transfert de chaleur

Capillarité

Changement d'état (physique)

Résumé

L'électronique de puissance embarquée assure des fonctions indispensables à la traction électrique. La forte miniaturisation des semi-conducteurs utilisés se manifeste par des densités de flux dissipées en constante augmentation. D’autre part, la fiabilité des systèmes de refroidissement existants est encore perfectible et justifie l’utilisation d’un dispositif à pompage capillaire. Ce mémoire se consacre donc à la caractérisation d'un refroidissement diphasique à pompage capillaire innovant, adapté à de fortes densités de flux et offrant une fiabilité accrue. L’accent est mis sur les transferts de chaleur et de masse pour un fluide diphasique immergé en milieu poreux et soumis à de fortes densités de flux de chaleur. Cette étude expérimentale débouche sur une analyse des données collectées à l’aide d’un modèle nodal doublé de techniques inverses. Cela afin de remonter aux paramètres nécessaires pour associer la surchauffe créée à une densité de flux de chaleur et d’en analyser les variations en fonction des caractéristiques du milieu poreux. La méthode a permis de remonter à des concentrations de l’ordre de 100 W. Cm-2 appliquées sur le milieu poreux. Dans un second temps, la présentation détaillée de la boucle diphasique, utilisant cette configuration d’écoulement, se focalise sur l’originalité de l’architecture utilisée par rapport aux boucles diphasiques usuelles. Des essais sont réalisés en balayant toute une variété de paramètres tels que la densité de flux de chaleur injectée à l’évaporateur ou les pertes de charge générées par la boucle. Les premiers développements apportés à un modèle comportemental permettent d’en analyser quelques régimes transitoires et stationnaires à même de transférer jusqu’à 5,5 kW par évaporateur.

Onboard power electronics provides essential functions to the electric traction. The strong miniaturization of semiconductors implies ever growing heat flux densities. In addition, the reliability of existing cooling systems is still imperfect and justifies the use of a capillary device pumping. This thesis is therefore dedicated to characterization of an innovative capillary pumped cooling loop, tailored to high flux densities and offering greater reliability. Emphasis is placed on the transfer of heat and mass for a fluid phase immersed in porous media and subjected to high heat densities. This experimental study leads to an analysis of data collected through a nodal model coupled to inverse techniques. This is made in order to retrieve the parameters used to associate overheating to corresponding heat flux density and finally analyze the variations depending on the characteristics of the porous medium. The method made it possible to trace concentrations in the range of 100 W. Cm-2 applied to the porous medium. Secondly, a detailed presentation of the loop phase, using this kind of flow, is focused on the originality of the architecture used in relation to the usual two phase loops. Tests are performed by scanning a variety of parameters such as heat density injected to the evaporator or pressure drop generated by the loop. The early developments brought to a behavioral model helps to analyze some transitory and stationary phases, able to transfer up to 5. 5 kW per evaporator.