Introduction

Ce Bureau d'Etudes Industriel (BEI), proposé par la société Epsilon et mené à l'ENSEEIHT dans le département Mécanique des Fluides, traite de l'étude du refroidissement de composants électroniques, principalement à l'aide du logiciel libre OpenFOAM.

Cette partie introductive à notre BEI a pour but d'exposer, tout d'abord, le contexte industriel qui lui est rattaché. Dans un second temps, les objectifs de celui-ci seront abordés avec en particulier un bref récapitulatif des moyens industriels utilisés pour refroidir les composants électroniques ainsi que les moyens mis en oeuvre dans ce BEI pour répondre à cette attente. L'entreprise partenaire Epsilon sera ensuite présentée avant de terminer par les aspects plus techniques concernant les logiciels utilisés pour notre étude.

1. Contexte industriel

Grâce aux progrès technologiques réalisés dans le domaine de l'électronique, les composants ont l'avantage de devenir de plus en plus performants tout en étant de plus en plus petits. Dans ce contexte, les densités surfacique et volumique de chaleur à évacuer deviennent plus importantes. Dans de multiples marchés, tels l'Aeronautique, le Spatial, le Naval ou les systèmes informatiques, ces composants électroniques sont très abondants et dégagent une chaleur non négligeable lorsqu'ils sont en fonctionnement, ce qui peut les endommager. En effet, les plages de température des composants ne peuvent excéder un intervalle de -20°C à 40°C en fonctionnement.
 
 
De plus, en ce qui concerne les composants dans les satellites, il y a bien plus de contraintes par rapport aux variations de température à cause de l'exposition de ceux-ci soit à l'ombre, soit en plein soleil. La figure ci-contre, par exemple, illustre le fort contraste de températures qu'il peut exister sur un satellite en orbite. En conséquence, il est nécessaire de refroidir ces composants soumis à une forte chaleur pour un fonctionnement optimal et durable, de même qu'il faut les protéger contre les températures trop froides : c'est le contrôle thermique des satellites.
 
Exemple d'une carte des températures d'un satellite en orbite

 

2. Pr├ęsentation

Comment chauffe un composant électronique?

Lorsqu'un composant électronique est parcouru par un courant électrique créé par des porteurs de charges, ces derniers interagissent avec les atomes du composant, ce qui induit une résistance au déplacement. Ainsi, pour contrer cette résistance, il faut fournir une puissance suffisante qui est ensuite dissipée sous forme de chaleur lors des interactions entre atomes : c'est l'effet Joule. Cette chaleur doit être évacuée par des méthodes industrielles telles que présentées dans la prochaine section, sous peine de fonte du composant.

Loi de Joule pour un conducteur ohmique

 

Quelles sont les différentes façons de refroidir un composant électronique?

On trouve dans l'industrie trois façons de refroidir les composants électroniques : le refroidissement par liquide, par air ou par convection naturelle.

 

1. Refroidissement par liquide

  • le caloduc

Un caloduc (heat pipe) est un conducteur thermique, bien plus efficace que les métaux, servant à transporter la chaleur d'une source chaude vers une source froide, par le principe de changement de phase d'un fluide caloporteur.

Le principe du caloduc est basé sur la circulation d'un liquide en équilibre avec sa vapeur entre une région chauffée, l'évaporateur, et une région refroidie, le condenseur, le tout en l'absence d'air. Alors que la vapeur se déplace grâce à la différence de pression entre l'évaporateur et le condenseur, le condensat retourne alors vers l'évaporateur sous l'effet de forces. La circulation de ce liquide est induite soit par effet de la gravitation, soit par effet capillaire. Ainsi, selon ces effets, on distingue deux types de caloducs : les thermosiphons diphasiques et les caloducs capillaires.

Le caloduc est un dispositif statique permettant le transfert de flux thermiques très élevés avec un faible gradient thermique. Dès lors, il peut être très utilisé pour le refroidisssement de microprocesseurs d'ordinateurs ou dans le domaine spatial, où existent d'importants flux thermiques à évacuer pour éviter l'altération du satellite. En effet, le contrôle thermique des composants dans ce domaine a été une des premières applications des caloducs qui sont très efficaces et souples dans la gestion thermique.

 

Principe de fonctionnement d'un caloduc
  • la boucle fluide diphasique à pompage mécanique

Ce système est composé d'un ou plusieurs évaporateurs et condenseurs ainsi que d'une pompe permettant la circulation du liquide. Les composants électroniques à refroidir sont placés à proximité de l'évaporateur de la boucle puis le liquide saturé issu de la pompe soutire de la chaleur aux composants. Le liquide devient donc vapeur à partir de la température de saturation, ce qui augmente d'autant plus l'efficacité des transferts thermiques. La vapeur arrive ensuite au condenseur par le biais de la pompe, ce qui permet la liquéfaction de celle-ci.

 

  • la boucle fluide monophasique à pompage mécanique

La boucle fluide monophasique utilise la chaleur du fluide caloporteur. Ce dernier absorbe la puissance dissipée par les équipements puis la rejette en se refroidissant dans un radiateur sans changer de phase. Le fluide est mis en mouvement par un système de pompage mécanique mais qui peut présenter l'inconvénient d'une durée de vie courte, peu souhaitable lors d'une mission satellitaire.

 

  • la boucle fluide diphasique à pompage capillaire

Tel le caloduc, ce type passif de boucle fluide utilise les propriétés de changement de phase d'un fluide caloporteur, mais permet le transport de chaleur sur une plus grande distance pouvant aller jusqu'à une dizaine de mètres. Le fluide est mis en mouvement grâce aux forces capillaires s'exerçant au sein d'un milieu poreux. Il existe deux catégories de boucles fluides diphasiques à pompage capillaire : les CPL (Capillary Pumped Loop) et les LHP (Loop Heat Pipe).

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Le comparatif des technologies de transport de chaleur ci-dessous permet de voir les performances des caloducs par rapport aux boucles fluides.

Classical fluid loops : boucles fluides classiques

Macro heat pipes : macro-caloducs

Known mini fluid loops : boucles fluides miniatures

Mini-heat pipes : caloducs miniatures

 

Comparatif des performances des boucles fluides par rapport aux caloducs - source EADS Astrium

 

2. Refroidissement par air

L'avantage du refroidissement de composants par un débit d'air incident par rapport aux caloducs est sa facilité de mise en place, sa fiabilité ainsi que son faible coût. En effet, le refroidissement par liquide peut endommager les composants si une fuite venait à se déclarer dans le système. De plus, une installation en plus pour contrôler et faire circuler le fluide de refroidissement est nécessaire, ce qui pose des problèmes d'encombrement. Le refroidissement par air est généralement mis en place avec un ventilateur.

 

3. Refroidissement par convection naturelle

L'étude du refroidissement par air, c'est-à-dire par convection forcée, étant déjà un cas référencé, Epsilon nous a plutôt proposé de traiter le refroidissement des composants par convection naturelle, beaucoup plus difficile à mettre en oeuvre. La convection naturelle est bien moins efficace que la convection forcée mais un avantage réside dans l'économie de moyens de refroidissement.

3. Objectifs

L'objet de ce Bureau d'Etudes Industriel (BEI), proposé par la société Epsilon-Alcen, est de procéder à l'étude du refroidissement de composants électroniques par convection naturelle en vue d'abaisser la température de ceux-ci pour éviter leur endommagement. Ce BEI est à la fois une mise en application des connaissances théoriques de transferts thermiques ainsi que des méthodes numériques de Dynamique des Fluides Numérique (CFD - Computational Fluid Dynamics); en effet, il y a un couplage entre Mécanique des Fluides et Thermique. Cette étude sera effectuée avec deux logiciels de CFD : tout d'abord le logiciel libre OpenFOAM puis une comparaison de ces résultats avec le logiciel commercial StarCCM+.

 

En quoi ce BEI peut répondre à ces objectifs?

Afin de satisfaire la demande d'Epsilon, le présent BEI s'appuira le programme suivant :

  • validation du logiciel OpenFOAM sur un cas simple, par exemple une plaque plane chauffée soumise à un débit d'air constant : couplage entre dynamique des fluides et transferts thermiques avec codage de l'équation de la chaleur dans le solveur incompresible icoFoam
  • simulations sur le premier cas-test proposé par Epsilon : la convection naturelle autour d'un câble électrique modélisé par un cylindre
  • simulation sur le deuxième cas-test proposé par Epsilon : la convection naturelle sur un composant électronique monté sur un PCB (Printed Circuit Board)
  • comparaison des deux cas précédents avec StarCCM+
  • synthèse des méthodes numériques utilisées
  • étude de la performance et de la précision du code OpenFOAM

 

Tout au long de ce BEI, les simulations seront effectuées avec OpenFOAM 2.1.0 et StarCCM+ v7.

4. L'entreprise partenaire : Epsilon-Alcen

 

Epsilon

Ce BEI est effectué en partenariat avec la société Epsilon, filiale du Groupe Alcen, fondée en 1992, spécialisée en ingénierie thermique. Il est à noter qu'Epsilon est la seule société privée européenne de recherche dont l'expertise est mise en valeur dans les hautes technologies civiles et militaires. Elle dispose de compétences dans les domaines de la simulation et la modélisation en électrothermique, thermofluidique et thermomécanique.

 

Source image

La société Epsilon collabore avec les équipementiers et les fournisseurs de composants des domaines de l'Aeronautique, du Spatial, des Systèmes Embarqués et de l'Energie. L’objectif principal d’Epsilon est d’optimiser le comportement thermique d'équipements et de systèmes complexes en tenant compte des phénomènes physiques associés à la thermique.

                                                        Source image

La société est référencée RANG 1 auprès des principaux représentants de ces secteurs d’activité. Ses docteurs et ingénieurs spécialisés en thermique et phénomènes physiques associés apportent une réponse innovante et fiable aux intégrateurs de systèmes, aux équipementiers et aux fournisseurs de composants.

Epsilon-Alcen

 

 

 

 

5. Les logiciels de CFD utilis├ęs : OpenFOAM et StarCCM+

En vue d'accomplir les objectifs du BEI, les études thermiques seront effectuées sur deux logiciels, à la demande d'Epsilon.

 

Le logiciel libre OpenFOAM

Présentation

OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) est un logiciel libre, open source, multiplateforme et multiphysique spécialement destiné à la Dynamique des Fluides Numérique (CFD) et développé par la société britannique OpenCFD Ltd mais initialement conçu à l'Imperial College de Londres dans les années 1980 par Henry Weller. OpenFOAM est codé en C++, utilise une approche orientée objet et est principalement dédié à la résolution des équations aux dérivées partielles par la méthode Volumes Finis. Ses principaux avantages sont qu'il est gratuit, performant, parallélisable et personnalisable, c'est-à-dire que des modules complémentaires peuvent être développés car sa source est accessible[2].

 

Solveurs

OpenFOAM, entre autres capable de résoudre des problèmes multiphysiques, comporte de nombreux solveurs :

  • écoulements incompressibles
  • écoulements compressibles
  • écoulements multiphasiques
  • transferts thermiques
  • écoulements particulaires
  • combustion
  • finance...

 

Modèles de turbulence

Outre sa performance en écoulement laminaire, OpenFOAM permet aussi de traiter des écoulements turbulents avec plusieurs modèles de turbulence :

  • Large Eddy Simulation (LES) : résout les grandes échelles de l'écoulement
  • Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) : résout les équations de Navier-Stokes moyennées
  • Detached Eddy Simulation (DES) : modèle hybride entre la LES et le RANS
  • Direct Numerical Simulation (DNS) : résout d'équation de Navier-Stokes directement sans modèle de turbulence

Exemple de simulation OpenFOAM d'un champ de contraintes sur une plaque percée

 

Première prise en main d'OpenFOAM

La structure générale du logiciel OpenFOAM est présentée ci-dessous :

Chaque cas de calcul dans OpenFOAM est organisé selon une certaine structure. L'utilisateur donne un nom à son cas de calcul, par exemple "Validation". Ce nom devient alors le nom du dossier dans lequel tous les fichiers relatifs à ce cas de calcul seront stockés. Peu importe l'endroit où ce dossier est placé, mais il est préférable qu'il le soit dans le dossier run du dossier du projet de l'utilisateur $HOME/OpenFOAM/${USER}-2.1.0.

Capture du dossier {USER}-2.1.0, ici, login-2.1.0

 

Contenu du dossier "run" et du cas de calcul "Validation" avant simulation

 

Structure du dossier contenant le cas de calcul

 

Le logiciel commercial StarCCM+

Présentation

Le logiciel StarCCM+ (Simulation of Turbulent flow in Arbitrary Regions Computational Continuum Mechanics) est un outil commercial de CFD développé par la société CD-adapco. Il résout les équations de la Mécanique des Fluides grâce à la méthode Volumes Finis, tout comme le logiciel OpenFOAM présenté précédemment. StarCCM+ permet de simuler les écoulements diphasiques, incompressibles, compressibles ou encore la combustion dans différents domaines tels l'Aerospatial, l'Automobile ou l'Environnement. StarCCM+ comprend un outil de modélisation 3D de CAD (Computer-aided Design), une technologie de maillage automatique, des modélisations de la turbulence (RANS, Reynolds Stress Model, k-$\epsilon$, k-$\omega$, v2f, LES, Spalart Allmaras...) ainsi que des outils de post-traitement.

 

Exemple de simulation CFD sur StarCCM+ autour d'un navire de combat