Transports non linéaires de masse et de chaleur par effets thermo-acoustiques dans les micro-systèmes : applications à la réfrigération. – MicroThermAc

1 Objectifs et contexte : - - De nombreux circuits et capteurs industriels bénéficient d'un accroissement de performances lorsqu'on abaisse leur température. Le premier exemple est celui des microprocesseurs pour lesquels un fonctionnement à basse température fournit un gain de vitesse très significatif et augmente la fiabilité des circuits. Un deuxième exemple est fourni par le refroidissement des détecteurs photoélectriques infrarouges utilisés dans l'industrie spatiale (satellites d'observation) ou dans le domaine des spectromètres infrarouges peu coûteux et rudimentaires employés dans les applications industrielles (contrôle d'environnement, industries agroalimentaires,.). - - Par delà l'amélioration du fonctionnement des microcircuits, le verrou de l'insuffisance de l'évacuation de la chaleur, qui bloque la poursuite de la miniaturisation des circuits, reste à faire sauter. C'est un enjeu de première importance pour le développement de systèmes où la quantité de chaleur à évacuer croît de façon exponentielle vis à vis des réductions dimensionnelles : à titre d'exemple 1 watt pour la téléphonie mobile, 40 watts pour l'ordinateur portable, de 100 à 150 watts pour les microprocesseurs de PC et serveurs. - - En termes d'applications dans le domaine de l'évacuation de la chaleur des composants électroniques (notamment) et de la régulation en température sur des composants optoélectroniques, le procédé thermoacoustique, objet du présent dossier, interviendrait a priori en complément de ceux en usage ou en cours d'étude (microéchangeurs à microcanaux, microcaloducs,...) pour accélérer le transfert thermique entre le composant à refroidir et le microéchangeur, et conduire finalement à un microéchangeur thermoacoustique. - - L'intérêt des machines thermoacoustiques réside dans la simplicité de leur architecture, dans leur fiabilité (cavité acoustique, haut-parleur, empilement de plaques, échangeurs de chaleur), et dans leur faible consommation énergétique, puisque leur efficacité relative raisonnablement espérée est deux fois plus élevée que celle des cellules à effet Peltier (technologie concurrente). De surcroît, elles restent opérationnelles sur une gamme de température très significative, elles sont potentiellement de faible coût, et elles utilisent des fluides ne présentant pas de risque pour l'environnement (en particulier elles sont sans effet destructeur sur la couche d'ozone). - - L'idée de l'intégration de telles machines à effet thermoacoustique sous forme de microsystèmes exploitant les technologies utilisées pour les MEMS vient facilement à l'esprit mais reste aujourd'hui un domaine presque vierge. Bien que les phénomènes thermoacoustiques soient connus dans leurs principes depuis deux à trois décennies, ce n'est que depuis une dizaine d'années que des applications industrielles ont été envisagées. Aux Etats-Unis, une activité intense s'est développée depuis près de 10 ans dans les universités : Post Graduate School of Monterey, Los Alamos National Laboratory, University of Texas, Pennstate University, Purdue University, Utah University. Une activité croissante existe également en Chine et au Japon. En Europe il convient de citer les travaux conduits à Eindhoven sur des systèmes de grandes dimensions. - - En France, les équipes qui ont marqué leur intérêt pour l'étude et l'utilisation du processus thermoacoustique sont localisées au LIMSI (applications cryogéniques, systèmes de grandes dimensions), au LAUM et au LMFA. - - Ces deux derniers laboratoires ont développé une collaboration sur la base de leur complémentarité, soutenus par trois contrats DGA successifs et six thèses sur financement DGA, CNRS et Ministère de la Recherche. Les travaux menés portent sur la modélisation analytique, la simulation numérique directe (à partir des équations de Stokes-Navier compressible), et l'étude expérimentale de systèmes particuliers (générateur d'onde ou réfrigérateur). Ces recherches portent en particulier sur