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L’électrification intelligente au service de la transition énergétique

Smart electrification towards energy transition

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Soutenance de thèse de Joseph GLASS

Publié le 18 janvier 2021
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27 janvier 2021

Soutenance de thèse de
Joseph GLASS intitulée
"Modelling and Optimisation of Metal Foam Integrated Heat Sinks for Power Electronics Cooling"


 

Mercredi 27 janvier 2021 à 10h


Amphithéatre
Maison Jean Kuntzmann (MJK)
110 rue de la Chimie
38400 Saint-Martin-d’Hères

Mercredi 27 janvier 2021

diplome

diplome

Le jury sera composé de :

M. Frédéric TOPIN, Maître de conférences HdR, Aix-Marseille Université, Rapporteur
M. Frédéric LEFEVRE Professeur, INSA Lyon, Rapporteur
M. Remy DENDIEVEL Professeur, Grenoble INP, Examinateur
M. Paul-Etienne VIDAL Maître de conférences HdR, Ecole Nationale des Ingénieur de Tarbes, Examinateur
M. Didier BOUVARD Professeur, Grenoble INP, Directeur de thèse
M. Yvan AVENAS Maître de conférences HdR, Grenoble INP, Co-directeur de thèse, Invité
M. Sébastien FERROUILLAT

Link: My defense will be mainly online and will be broadcasted live on YouTube. I do not yet have the link.

Summaries:

Several decades ago, power electronics (PE) emerged as an important discipline in the world of electrical engineering. Thanks to regular technological advancements, namely the use of "wide band gap" materials for semiconductors, PE devices have become more compact and efficient, but this has unfortunately resulted in a less efficient thermal management. Thus, as a collaborated effort between the G2Elab, LEGI and SIMAP laboratories of Univ. Grenoble Alpes, this work has studied the use of metal foam as a novel heat sink used in a forced-convection cooling system that can be integrated into PE modules for superior cooling. Metal foams are lightweight, have low densities, high specific surface areas, an open-celled structure and good thermal properties. They are typically categorised by their porosity (ε), their pore density (PPI, pores per inch) and by the diameter of the solid fibres ( ). The advantages to heat transfer arise from the possibility of an increased specific surface area over other heat sinks, such as microchannels, and from the tortuous structure of metal foam that generates flow turbulence and improves convective transfers within the coolant. Thermal performances of metal foam based heat sinks were modelled by developing an analytical model that considered them as a network of resistances in series. This was achieved by simplifying the LTNE equations that govern energy transfer through the solid and fluid phases. The model was initially compared with numerical simulations and experimental results from the scientific literature, where it performed well. As an additional level of validation, a thermo-hydraulic test bench, as well as a test section, were designed and assembled in-house. After a validation of the experimental means on a microchannel heat sink, the characterization of thermo-hydraulic performances of a novel heat sink integrating metal foams was carried out. Analytical and experimental results agreed well with each other, with an average deviation of the thermal resistance of less than 10%. The model was then used to optimise the foams physical properties in order to produce a heat sink that maximises thermal performances whilst minimising the required hydraulic power. The results show that for a pressure drop of 50kPa, the thermal resistance of a metal foam heat sink is 0.127 K/W. Metal foams are thus a viable heat sink material and the model proposed in this work can be used as a quick and inexpensive means of optimisation.


Il y a plusieurs décennies, l'électronique de puissance (PE) est devenue une discipline importante dans le monde de l'électrotechnique. Grâce aux progrès technologiques réguliers, à savoir l'utilisation de matériaux à "wide band gap" pour les semi-conducteurs, les dispositifs PE sont devenus plus compacts et efficaces, mais cela a malheureusement entraîné une gestion thermique réduite.  Ainsi, dans le cadre d’un effort collaboratif entre G2Elab, LEGI et SIMAP, ce travail a étudié l’utilisation de la mousse métallique comme nouvel échangeur de chaleur utilisé dans un système de refroidissement à convection forcée qui peut être intégré dans des modules PE pour un refroidissement supérieur.  Les mousses métalliques sont légères, ont de faibles densités, des surfaces spécifiques élevées, une structure à cellules ouvertes et de bonnes propriétés thermiques.  Ils sont typiquement classés par leur porosité (ε), leur densité de pores (PPI, pores par pouce) et par le diamètre des fibres solides (dg). Les avantages du transfert de chaleur proviennent delà possibilité d'une surface spécifique accrue par rapport à d’autres échangeurs de chaleur, tels que des micro canaux, et de la microstructure tortueuse qui génère des turbulences d’écoulement et améliore les transferts de convection dans le fluide de refroidissement.  Les performances thermiques ont été modélisées en développant un modèle analytique qui considérait les échangeurs de chaleur comme un réseau de résistances en série.  Ceci a été réalisé en simplifiant les équations LTNE qui régissent le transfert d’énergie à travers les phases solide et fluide.  Le modèle a été initialement comparé aux simulations numériques et aux résultats expérimentaux de la littérature scientifique, où il a bien fonctionné. Comme niveau supplémentaire de validation, un banc d'essai expérimental a été conçu et assemblé in-house. Les performances thermiques ont été vérifiées en utilisant des thermocouples pour mesurer le profil de température des phases solide et fluide, et les propriétés hydrauliques ont été trouvées en mesurant la chute de pression à travers les échangeurs de chaleur. Les résultats analytiques et expérimentaux concordaient bien les uns avec les autres, s’écartant en moyenne de moins de 10%.  Le modèle a ensuite été utilisé pour optimiser les propriétés physiques des mousses afin de produire un échangeur de chaleur qui maximise les performances thermiques tout en minimisant la puissance hydraulique requise. Les résultats montrent que pour une perte de charge de 50 kPa, la résistance thermique d’un échangeur de chaleur en mousse métallique est de 0,127 K/W.  Les mousses métalliques sont donc un matériau d'échangeur de chaleur viable et le modèle proposé dans ce travail peut être utilisé comme un moyen rapide et peu coûteux d'optimisation des performances.
 
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mise à jour le 18 janvier 2021

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