Etude et développement de micro-oscillateurs fluidiques pour le refroidissement de systèmes électroniques embarqués

Study and development of fluidic micro-oscillators for cooling electronic systems

• Auteur / Autrice : Georges Saliba
• Direction : Lucien Baldas, Vincent Raimbault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 31/05/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Aéronautique-Astronautique (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Mazellier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christine Barrot Lattes, Sandrine Bernardini, Thierry Camps
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gian Luca Morini, Laurent Keirsbulck

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique des fluides

Systèmes embarqués (informatique)

Mots clés libres

Oscillateur fluidique

Dynamique des fluides

Transferts thermiques

Microfabrication

Microcapteurs

Refroidissement

Fluidic oscillators

Fluid dynamics

Heat transfer

Microfabrication

Microsensors

Cooling

Résumé

Dans le domaine aéronautique, les contraintes sur le refroidissement sont multiples. L'efficacité d'un système de refroidissement ne se résume plus au simple taux de chaleur dissipée, mais englobe d'autres facteurs comme la compacité, le poids, la robustesse, le coût de maintenance ainsi que la durabilité. Une conception du système de refroidissement qui intègre ces aspects pourrait diminuer les coûts de fonctionnement, notamment la consommation de kérosène, et donc réduire l'impact environnemental du vol. La multiplication de systèmes embarqués dans l'aéronautique amène des contraintes supplémentaires pour leur refroidissement. Dans ce contexte, les actionneurs fluidiques présentent un fort potentiel. Ces travaux portent plus précisément, sur l'utilisation de jets pulsés produits par des oscillateurs fluidiques pour refroidir une surface chauffée. Plusieurs travaux sur les jets d'impact ont montré qu'il était possible d'améliorer la dissipation thermique en introduisant des pulsations dans l'écoulement. Il manque cependant un consensus dans la littérature autour de l'ensemble des conditions opératoires propices à l'amélioration des performances. D'où la nécessité de mener une étude sur l'écoulement produit par ces dispositifs fluidiques et le refroidissement qui en résulte. En amont de cela, il est nécessaire de se pencher sur l'effet de certains paramètres liés à la géométrie du l'oscillateur sur son mode de fonctionnement, en commençant par la caractérisation de l'écoulement pulsé produit par l'oscillateur. AK cette fin, un prototype d'oscillateur est réalisé en fabrication additive puis caractérisé via une reconstruction spatiale 2D et 3D du champ de vitesse à l'aide d'un seul fil-chaud et d'une sonde de pression placée au niveau des canaux de retours. Cette méthode de mesure nous permet de mettre en évidence des structures cohérentes et suivre leur évolution. En marge de cette étude, un réseau de neurones artificiels profond, ayant des fonctions d'activations sinusoïdales atypiques, est utilisé pour créer une représentation implicite du champ de vitesse. L'oscillateur ainsi caractérisé a alors été utilisé pour refroidir une plaque en verre chauffé. Des tests sont pratiqués sur des jets stationnaires et des jets pulsés de même débit massique moyen. Une amélioration considérable des performances est observée pour des faibles distances d'impact et des hautes fréquences de pulsation. Des simulations numériques sont ensuite réalisées en utilisant des méthodes statistiques en un point (dites RANS) et des modèles hybrides LES/RANS. En vue de concevoir un système de refroidissement compact et capable de cibler des composants de tailles submillimétriques, des versions micrométriques de ces mêmes oscillateurs ont été conçues et fabriquées ainsi qu'une instrumentation électronique à même de les caractériser. Rares sont les études menées sur les microjets d'impact alors qu'aucune étude n'a pu être recensée à ce jour sur les microjets d'impact pulsés ni sur les micro-oscillateurs fluidiques gazeux. Le défi est donc double : de montrer que les micro-oscillateurs à gaz peuvent fonctionner à cette échelle et de les utiliser pour refroidir des composants dissipateurs de chaleur. À cela vient s'ajouter un problème non moins ambitieux, celui d'instrumenter l'oscillateur ainsi que la surface d'impact chauffée. Étant donné que la fréquence d'oscillation à cette échelle-là se mesure en kilohertz et que les fluctuations de température sont relativement faibles, des capteurs thermiques à base de couches de polysilicium fortement dopé ont donc été produits. Bien que leur haute sensibilité thermique ait été déjà démontrée, il est question ici d'améliorer leur temps de réponse. Pour ce faire, les capteurs ont été partiellement désolidarisés du substrat en silicium. Cette amélioration de la dynamique du capteur a été obtenue au prix d'une structure fragilisée qu'il a fallu prendre en compte dans les étapes technologiques suivantes.

Thermal management in the aerospace industry is subject to a number of constraints. The suitability of a cooling system does not only depend on the heat flux that it can evacuate, but also includes such aspects as compactness, weight, sturdiness, cost of maintenance and durability. Taking these factors into consideration contributes to reducing fuel consumption, thus reducing the carbon footprint of the airplane. With this in mind, fluidic actuators were developed for electronics cooling applications on-board airplanes. In other words, the aim is to cool heated surfaces using the periodic unsteady flow produced by no-moving-parts fluidic oscillators. Previous studies had shown the possibility of enhancing jet impingement heat transfer by introducing a periodic perturbation in the flow. Nevertheless, the exact experimental conditions that lead to this improvement remain somewhat inconsistent across different studies. For this reason, this study tackles both the flow features of the pulsed impinging jet as well as their effects on heat transfer. In preparation, the oscillator is characterized by assessing its response to changes in design parameters and experimental conditions. This was followed by a two- and three-dimensional reconstructions of the velocity field outside the device using a hot-wire and a pressure transducer mounted onto one of the feedback loops. Using this technique, it was possible to deduce certain flow characteristics as well as detect and track the evolution of large coherent vortices produced by the pulsed jet. The data from these exhaustive measurements was then used to train a deep neural network that uses sinusoidal activation functions. The result is an implicit representation of the flow that could be useful to designers when the oscillator is only part of a larger system. The oscillators were then used to cool a heated plate whose temperature was measured using an infrared camera. Both steady and pulsed jets were studied for a large range of frequencies, impact distances and flow rates. Remarkable enhancement was observed for small impact distances and high frequencies. Simulations where then performed using both RANS and hybrid LES/RANS approaches. In the second part of this work, a miniaturized version of the oscillator was produced that can efficiently target small electronic components. Impinging microjets have rarely been studied, while little to no works could be found on pulsed microjets of air or no-moving-parts microfluidic oscillators. The goal of the present study is then twofold, to prove that functional microfluidic oscillators with air as working fluid can be produced and that they can efficiently cool a heated surface. From an experimental standpoint, this requires proper instrumentation capable of acquiring measurements at the spatial and temporal scales of the system. For this end, high-sensitivity thermal sensors were implemented inside the microfluidic device as well as on the heated target surface. The current iteration of these sensing elements involves partially suspending them over the substrate on which they were built in order to reduce their thermal inertia. The carefully suspended structures were shown to withstand the subsequent fabrication steps despite undergoing high temperatures and pressures.