Study and development of fluidic micro-oscillators for the cooling of embedded electronic systems - LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

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

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

Georges Saliba

Résumé

In the aeronautical field, the constraints on cooling are multiple. The efficiency of a cooling system is no longer limited to the simple rate of heat dissipation, but includes other factors such as compactness, weight, robustness, maintenance cost and durability. A cooling system design that incorporates these aspects could reduce operating costs, including kerosene consumption, and thus reduce the environmental impact of flight. The multiplication of embedded systems in aeronautics brings additional constraints for their cooling. In this context, fluidic actuators have a strong potential. This work focuses more specifically on the use of pulsed jets produced by fluidic oscillators to cool a heated surface. Several works on impact jets have shown that it is possible to improve the thermal dissipation by introducing pulsations in the flow. However, there is a lack of consensus in the literature on the set of operating conditions that are conducive to improved performance. Hence the need to study the flow produced by these fluidic devices and the resulting cooling. Prior to this, it is necessary to investigate the effect of certain parameters related to the geometry of the oscillator on its operation, starting with the characterization of the pulsed flow produced by the oscillator. To this end, a prototype oscillator is produced in additive manufacturing and then characterized via a 2D and 3D spatial reconstruction of the velocity field using a single hot-wire and a pressure probe placed at the level of the return channels. This measurement method allows us to highlight coherent structures and to follow their evolution. In addition to this study, a deep artificial neural network, with atypical sinusoidal activation functions, is used to create an implicit representation of the velocity field. The oscillator thus characterized was then used to cool a heated glass plate. Tests are performed on stationary and pulsed jets of the same average mass flow rate. A considerable improvement in performance is observed for small impact distances and high pulsation frequencies. Numerical simulations are then performed using one-point statistical methods (so-called RANS) and hybrid LES/RANS models. In order to design a compact cooling system capable of targeting sub-millimeter size components, micrometer versions of these same oscillators have been designed and fabricated as well as electronic instrumentation to characterize them. Few studies have been carried out on impact microjets, while no studies have been carried out to date on pulsed impact microjets or on gaseous fluidic micro-oscillators. The challenge is therefore twofold: to show that gas micro-oscillators can work at this scale and to use them to cool heat dissipating components. In addition to this, there is the equally ambitious problem of instrumenting the oscillator and the heated impact surface. Since the oscillation frequency at this scale is measured in kilohertz and the temperature fluctuations are relatively small, thermal sensors based on heavily doped polysilicon layers were produced. Although their high thermal sensitivity has already been demonstrated, the aim here is to improve their response time. For this purpose, the sensors were partially uncoupled from the silicon substrate. This improvement of the sensor dynamics was obtained at the cost of a weakened structure that had to be taken into account. This improvement of the sensor dynamics was obtained at the cost of a weakened structure that had to be taken into account in the following technological steps.
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 dissipa! tion 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. A 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 artificiel! s 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 fal! lu prendre en compte dans les étapes technologiques suivantes.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-04055838 , version 1 (03-04-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04055838 , version 1

Citer

Georges Saliba. Study and development of fluidic micro-oscillators for the cooling of embedded electronic systems. Micro and nanotechnologies/Microelectronics. UT3 : Université Toulouse 3 Paul Sabatier, 2022. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04055838⟩
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