Thermal diodes based on phase-change materials

par Suraju Olawale Kasali

Thèse de doctorat en Fluides Compression Thermique

Sous la direction de Karl Joulain et de José Ordonez.

Le président du jury était Franck Enguehard.

Le jury était composé de Karl Joulain, José Ordonez, F. Xavier Alvarez.

Les rapporteurs étaient Sebastian Volz, Konstantinos Termentzidis.

  • Titre traduit

    Diodes thermiques à base de matériaux à changement de phase


  • Résumé

    Nous étudions dans cette thèse la rectification thermique de diodes thermiques radiatives ou conductive constituées de matériaux à changement de phase.Cette thèse est divisée en trois parties. Dans les premières parties, nous modélisons comparativement les performances d’une diode thermique conductive sphérique et cylindrique constitués de VO2 présentant un transition de phase et des matériaux n’en présentant pas. Des expressions analytiques aux bornes des diodes sont dérivées. Des flux thermiques, des facteurs de rectifications ainsi que les profils de température à l’intérieur de la diode sont obtenus. Nos résul-tats montrent que les différentes géométries de diodes ont un impact significatif sur les profils de température et les flux thermiques, mais moins un sur les facteurs de rectification. Dans ce travail, nous avons obtenu des facteurs de rectification maximaux allant jusqu’à 20.8% et 20.7%, qui sont supérieurs à celui prédit pour une diode plane constituée de VO2. Nous montrons également que des facteurs de rectification similaires à ceux obtenus avec le VO2 dans les géométries sphériques et cylindriques peuvent être atteints avec des matériaux à changement de phase dont le contraste de conductivité est plus important que dans le cas du VO2. Dans la deuxième partie, nous étudions la rectification de diodes thermiques constituées de deux matériaux à changement de phase. Avec, l’idée de générer un facteur de redressement plus élevé que dans le cas d’une diode thermique conductive ne comprenant qu’un matériau à changement de phase unique. Là encore, le travail a conduit à l’établissement d’expressions explicites pour les profils de température, les flux thermiques et le facteur de rectification. Nous avons obtenu un facteur de rectification optimal de 60% avec une variation de température de 250 K couvrant les transitions métal-isolant des deux matériaux. Dans la troisième partie de notre travail, nous avons modélisé et optimisé la rectification thermique de diodes thermiques planes, cylindriques et sphériques radiatives à base de deux matériaux à changement de phase. Nous savons calculer et analyser les facteurs de rectification de ces trois diodes et obtenu les facteurs de rectification optimaux respectifs pour les trois géométries 82%, 86% et 90.5%. Nos résultats montrent que la géométrie sphérique est la meilleure pour optimiser la rectification des courants thermiques radiatifs. De plus, des facteurs de rectification potentiellement supérieurs à ceux prédits ici peuvent être réalisés en utilisant deux matériaux à changement de phase avec des contrastes d’émissivités plus élevés que ceux proposés ici. Ces résultats analytiques et graphiques fournissent un guide utile pour optimiser les facteurs de rectification des diodes thermiques conductives et radiatifs basées sur des matériaux à changement de phase de géométries différentes.


  • Résumé

    The thermal rectification of conductive and radiative thermal diodes based on phase-change materials, whose thermal conductivities and effective emissivities significant change within a narrow range of temperatures, is theoretically studied and optimized in different geometries. This thesis is divided into three parts. In the first part, we comparatively model the performance of a spherical and cylindrical conductive thermal diodes operating with vanadium dioxide (VO2) and non-phase-change materials, and derive analytical expressions for the heat flows, temperature profiles and optimal rectification factors for both diodes. Our results show that different diode geometries have a significant impact on the temperature profiles and heat flows, but less one on the rectification factors. We obtain maximum rectification factors of up to 20.8% and 20.7%, which are higher than the one predicted for a plane diode based on VO2. In addition, it is shown that higher rectification factors could be generated by using materials whose thermal conductivity contrast is higher than that of VO2. In the second part, on the other hand, we theoretically study the thermal rectification of a conductive thermal diode based on the combined effect of two phase-change materials. Herein, the idea is to generate rectification factors higher than that of a conductive thermal diode operating with a single phase-change material. This is achieved by deriving explicit expressions for the temperature profiles, heat fluxes and rectification factor. We obtain an optimal rectification factor of 60% with a temperature variation of 250 K spanning the metal-insulator transitions of VO2 and polyethylene. This enhancement of the rectification factor leads us to the third part of our work, where we model and optimize the thermal rectification of a plane, cylindrical and spherical radiative thermal diodes based on the utilization of two phase-change materials. We analyze the rectification factors of these three diodes and obtain the following optimal rectification factors of 82%, 86% and 90.5%, respectively. The spherical geometry is thus the best shape to optimize the rectification of radiative heat currents. In addition, potential rectification factors greater than the one predicted here can be realized by utilizing two phase-change materials with higher emissivities contrasts than the one proposed here. Our analytical and graphical results provide a useful guide for optimizing the rectification factors of conductive and radiative thermal diodes based on phase-change materials with different geometries.


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