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CNRS - PROGRAME ÉNERGIE
Thème 8 THERMIQUE PROJET DE RECHERCHE INTÉGRÉ
PRI 8.3 Microéchangeurs
Centre de Thermique de Lyon (Unité Mixte de
Recherche CNRS, INSA, Université Claude Bernard
Lyon1)
Directeur Pr. Jean-François SACADURA
3 équipes de recherche
- Énergétique et thermique Pr. André
LALLEMAND - Thermique du bâtiment Pr.
Jean-Jacques ROUX - Transfert aux interfaces et
dans les matériaux Pr. Martin RAYNAUD
7 partenaires CETHIL (Lyon), CRTBT (Grenoble),
IUSTI (Marseille), Lab Thermocinétique (Nantes),
LEGI (Grenoble), LEMTA (Nancy), CEA-GRETH
(Grenoble)
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CNRS - PROGRAMME ÉNERGIE PRI 8.3 Microéchangeurs
Centre de Thermique de Lyon (Unité Mixte de
Recherche CNRS, INSA, Université Claude Bernard
Lyon1)
Directeur Pr. Jean-François SACADURA
3 équipes de recherche
- Énergétique et thermique Pr. André
LALLEMAND - Thermique du bâtiment Pr.
Jean-Jacques ROUX - Transfert aux interfaces et
dans les matériaux Pr. Martin RAYNAUD
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CNRS - PROGRAMME ÉNERGIE PRI 8.3 Microéchangeurs
Centre de Thermique de Lyon (Unité Mixte de
Recherche CNRS, INSA, Université Claude Bernard
Lyon1)
Directeur Pr. Jean-François SACADURA
3 équipes de recherche
- Énergétique et thermique Pr. André
LALLEMAND - Thermique du bâtiment Pr.
Jean-Jacques ROUX - Transfert aux interfaces et
dans les matériaux Pr. Martin RAYNAUD
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CNRS - PROGRAMME ÉNERGIE PRI 8.3 Microéchangeurs
EFFECTIFS

• Equivalent temps plein 11,3 personnes
• 17 chercheurs
• 5 Ingénieurs détudes ou techniciens
• 6 doctorants, 1 DRT

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CNRS - PROGRAMME ÉNERGIE PRI 8.3 Microéchangeurs
CONTEXTE DU PROJET - Nécessité de limiter les
encombrements ? diminution du volume des
échangeurs et des fluides (amélioration sûreté et
impact environnemental) - Evacuation de densités
de flux sans cesse croissantes - Extraction
locale de la chaleur ? élimination des points
chauds ou pics de température pour certaines
applications - Utilisation à hautes pressions et
températures - Augmentation des efficacités
énergétiques grâce à la réduction de la taille
des canaux, à la diminution des pertes
thermiques, au changement de phases - Nécessité
de dynamique rapide ? contrôle précis des
températures
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CNRS - PROGRAMME ÉNERGIE PRI 8.3 Microéchangeurs
Objectif des études Etudes actuelles micro et
miniéchangeurs monophasique et évaporateur
Centre de Thermique de Lyon (Unité Mixte de
Recherche CNRS, INSA, Université Claude Bernard
Lyon1)

• Comportement thermohydraulique en canaux aux
  petites échelles
• validité des lois macroscopiques usuelles du
  coefficient de frottement et du coefficient
  d échange
• influence de la rugosité de paroi, de la nature
  du fluide
• Détermination des mécanismes débullition
• rôle de la tension de surface,
• contrôle des instabilités
• limites dassèchement
• Développement dune métrologie adaptée aux
  petites échelles(capteurs, implantation,
  procédures expérimentales) ? études locales
• Fabrication de microéchangeurs usinage,
  connectique, choix du matériau

Directeur Pr. Jean-François SACADURA
3 équipes de recherche
- Énergétique et thermique Pr. André
LALLEMAND - Thermique du bâtiment Pr.
Jean-Jacques ROUX - Transfert aux interfaces et
dans les matériaux Pr. Martin RAYNAUD
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CNRS - PROGRAMME ÉNERGIE PRI 8.3 Microéchangeurs
Stratégie des recherches

• Approche à caractère expérimental
• écoulements mono- et diphasiques
• savoir-faire propre
• méthodes de mesures spécifiques à chaque équipe
• Configurations simples (canal rectangulaire
  étroit 10 mm à 2 - 3 mm)? découplage des
  phénomènes? maîtrise des conditions aux limites
• Segmentation du bloc de chauffe ? étude locale
• Sélection de couples fluide-matériau
• Approche système abordée par le GRETH

Centre de Thermique de Lyon (Unité Mixte de
Recherche CNRS, INSA, Université Claude Bernard
Lyon1)
Directeur Pr. Jean-François SACADURA
3 équipes de recherche
- Énergétique et thermique Pr. André
LALLEMAND - Thermique du bâtiment Pr.
Jean-Jacques ROUX - Transfert aux interfaces et
dans les matériaux Pr. Martin RAYNAUD
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CNRS - PROGRAMME ÉNERGIE PRI 8.3 Microéchangeurs
Etudes en cours
Centre de Thermique de Lyon (Unité Mixte de
Recherche CNRS, INSA, Université Claude Bernard
Lyon1)

• Echanges en canal avec convection en simple
  phase
• ? Pertes de charge
• ? Transferts thermiques
• Echanges en canal avec changement de phase
  liquide-vapeur
• ? Ebullition libre
• ? Ebullition en convection forcée
• Développement de capteurs de mesures
• Microéchangeurs

Directeur Pr. Jean-François SACADURA
3 équipes de recherche
- Énergétique et thermique Pr. André
LALLEMAND - Thermique du bâtiment Pr.
Jean-Jacques ROUX - Transfert aux interfaces et
dans les matériaux Pr. Martin RAYNAUD
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CNRS - PROGRAMME ÉNERGIE PRI 8.3
Microéchangeurs Convection monophasique
Contribution du LEGI
Thermocouples
Cartouche chauffante
Capteur de pression amont
Capteur de pression aval
Chambre de mélange aval
Chambre de mélange amont
82
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- Énergétique et thermique Pr. André
LALLEMAND - Thermique du bâtiment Pr.
Jean-Jacques ROUX - Transfert aux interfaces et
dans les matériaux Pr. Martin RAYNAUD
0,1lt e lt1,0 mm

• Etude d'un canal à parois lisses et à parois
  rugueuses par électrodéposition de particules de
  carbure de silicium de 1 à 5 µm
• Modélisation numérique par Fluent de
  l'hydrodynamique

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CNRS - PROGRAMME ÉNERGIE PRI 8.3
Microéchangeurs Convection monophasique
Résultats LEGI Hydrodynamique d'un réseau de
microcanaux
- Énergétique et thermique Pr. André
LALLEMAND - Thermique du bâtiment Pr.
Jean-Jacques ROUX - Transfert aux interfaces et
dans les matériaux Pr. Martin RAYNAUD
Comparaisons calculs-expérience
Calculs fluent

• Sensibilité des mesures de pertes de charge aux
  singularités dans le distributeur et dans le
  collecteur décollements, mélange des jets, ...
• Il ne semble pas y avoir deffets déchelle pour
  Dh ? 110 mm

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CNRS - PROGRAMME ÉNERGIE PRI 8.3
Microéchangeurs Convection monophasique
Contribution du LEMTA
? Ecoulement isotherme monophasique (eau) ou
diphasique (eau/azote) Sondes électrochimiques
? évolution longitudinale des contraintes
pariétales ? direction de lécoulement Caméra
video ? régimes découlement
y
y
CC0
Sous-couche visqueuse
- Énergétique et thermique Pr. André
LALLEMAND - Thermique du bâtiment Pr.
Jean-Jacques ROUX - Transfert aux interfaces et
dans les matériaux Pr. Martin RAYNAUD
x
C0
C0
V
C
Réaction oxydo-réduction Mesure du courant
Electrode
Electrode

• ? Chauffage Thermographie infrarouge rapide
  thermocouples ? méthodes inverses champ de
  températures

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CNRS - PROGRAMME ÉNERGIE PRI 8.3
Microéchangeurs Convection monophasique
Contribution du Laboratoire de Thermocinétique
Résistances chauffantes
Joints détanchéité
Microthermocouples
- Énergétique et thermique Pr. André
LALLEMAND - Thermique du bâtiment Pr.
Jean-Jacques ROUX - Transfert aux interfaces et
dans les matériaux Pr. Martin RAYNAUD
Microcanal

• Détermination des coefficients de transferts
  locaux en régime découlement monophasique
  laminaire

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CNRS - PROGRAMME ÉNERGIE PRI 8.3
Microéchangeurs Convection monophasique
Résultats Laboratoire de Thermocinétique
Résultats en accord avec la corrélation de
Churchill et Ozoe (1973) aucune modification
significative des transferts thermiques nest
remarquée Dh 500 ?m.
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CNRS - PROGRAMME ÉNERGIE PRI 8.3
Microéchangeurs Convection monophasique
Contribution de lIUSTI
ZOOM
- Énergétique et thermique Pr. André
LALLEMAND - Thermique du bâtiment Pr.
Jean-Jacques ROUX - Transfert aux interfaces et
dans les matériaux Pr. Martin RAYNAUD
Détermination des coefficients de pertes de
charge à laide dune méthode expérimentale pour
un écoulement en régime laminaire transitoire
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CNRS - PROGRAMME ÉNERGIE PRI 8.3
Microéchangeurs Convection diphasique
Résultats de lIUSTI
- Propriétés diélectriques eau/SiO2 ? - Essais
avec de lhuile de même viscosité que leau
- Énergétique et thermique Pr. André
LALLEMAND - Thermique du bâtiment Pr.
Jean-Jacques ROUX - Transfert aux interfaces et
dans les matériaux Pr. Martin RAYNAUD
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CNRS - PROGRAMME ÉNERGIE PRI 8.3
Microéchangeurs Convection diphasique
Contribution du CETHIL
Ebullition confinée en convection naturelle

• Bloc segmenté (flux imposé constant sur la
  surface de chauffe)
• Mesures par cristaux liquides
• Mesure des coefficients de transfert locaux
• Mesures des instabilités

- Énergétique et thermique Pr. André
LALLEMAND - Thermique du bâtiment Pr.
Jean-Jacques ROUX - Transfert aux interfaces et
dans les matériaux Pr. Martin RAYNAUD
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CNRS - PROGRAMME ÉNERGIE PRI 8.3
Microéchangeurs Convection diphasique
Résultats du CETHIL
35000
0,1 mm
0,8 mm
0,2 mm
1,5 mm
30000
éb libre
0,4 mm
25000
h (W/m².K)
20000
15000
10000
5000
- Énergétique et thermique Pr. André
LALLEMAND - Thermique du bâtiment Pr.
Jean-Jacques ROUX - Transfert aux interfaces et
dans les matériaux Pr. Martin RAYNAUD
0
0
2
4
6
8
10
12
14
F
(W/cm²)

• Transferts thermiques maximum en partie haute du
  canal
• Apparition du flux critique sur la partie haute
  du canal
• Epaisseur de confinement optimale

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CNRS - PROGRAMME ÉNERGIE PRI 8.3
Microéchangeurs Convection diphasique
Contribution de lIUSTI
Transferts de chaleur en ébullition convective
L 5 cm, ? 8 mm)
résistance chauffante
- Énergétique et thermique Pr. André
LALLEMAND - Thermique du bâtiment Pr.
Jean-Jacques ROUX - Transfert aux interfaces et
dans les matériaux Pr. Martin RAYNAUD
Zone non chauffée
PT
T
T
PT
P
P
P

• Mesure des coefficients de transfert locaux
• Mesures des pressions instationnaires

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CNRS - PROGRAMME ÉNERGIE PRI 8.3
Microéchangeurs Convection diphasique
Résultats de lIUSTI
Observed instabilities
Cartographie des instabilités de pression
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CNRS - PROGRAMME ÉNERGIE PRI 8.3
Microéchangeurs Convection diphasique
Contribution du LEGI
Transferts de chaleur en ébullition convective
Refroidissement de piles à combustible en
collaboration avec un constructeur
automobile Banc dessais en cours de conception
- Énergétique et thermique Pr. André
LALLEMAND - Thermique du bâtiment Pr.
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dans les matériaux Pr. Martin RAYNAUD
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CNRS - PROGRAMME ÉNERGIE PRI 8.3
Microéchangeurs Capteurs
Contribution du CRTBT
- Réalisation de microcanaux Si différentes
rugosités différents diamètres
hydrauliques - Mesures locales de paramètres
thermodynamiques (P, T) - Instrumentation
intégrée sur microcanaux lt 100 mm - Diffusion aux
différents acteurs du PRI
- Énergétique et thermique Pr. André
LALLEMAND - Thermique du bâtiment Pr.
Jean-Jacques ROUX - Transfert aux interfaces et
dans les matériaux Pr. Martin RAYNAUD
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CNRS - PROGRAMME ÉNERGIE PRI 8.3
Microéchangeurs Capteurs
Contribution du CRTBT
- Mesures locales de pression par jauges de
contraintes en Cu-Ni déposées sur une membrane
nitrurée bonne sensibilité, absence
dhystérésis - Mesures locales de températures
par dépôt de platine
Largeur 500 µm
Épaisseur 12 µm
Rugosité 0,6 µm
- Énergétique et thermique Pr. André
LALLEMAND - Thermique du bâtiment Pr.
Jean-Jacques ROUX - Transfert aux interfaces et
dans les matériaux Pr. Martin RAYNAUD
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CNRS - PROGRAMME ÉNERGIE PRI 8.3
Microéchangeurs Microéchangeurs
Contribution du GRETH
CAPOT SUPERIEUR
PIECE INFERIEURE
Centre de Thermique de Lyon (Unité Mixte de
Recherche CNRS, INSA, Université Claude Bernard
Lyon1)
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• Définition des applications potentielles
• Fabrication et étude dun prototype de
  microéchangeur en polycarbonate

Directeur Pr. Jean-François SACADURA
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SONDES PLATINE
3 équipes de recherche
- Énergétique et thermique Pr. André
LALLEMAND - Thermique du bâtiment Pr.
Jean-Jacques ROUX - Transfert aux interfaces et
dans les matériaux Pr. Martin RAYNAUD
? Réflexions sur les méthodes de fabrication
industrielle ? Mise au point de méthodes de
visualisation ? Validation de calculs
thermohydrauliques
Collage
TUBES DE CONNECTION
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CNRS - PROGRAMME ÉNERGIE PRI 8.3 Microéchangeurs
APPLICATIONS DES MICROECHANGEURS
? Refroidissement de systèmes miniaturisés
dissipant de fortes densités de flux ? Industrie
électronique composants de puissance,
composants 3 D, microélectronique ? Industrie
automobile ? Secteur aéronautique, spatial ?
Industrie chimique ? Piles à combustibles ?
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CNRS - PROGRAMME ÉNERGIE PRI 8.3 Microéchangeurs
PERSPECTIVES
? Identifier lorigine de la dispersion des
résultats de la littérature ? Déterminer les
limites de validité des lois usuelles ?
Développement de capteurs non intrusifs et
précis ? Identification des verrous
technologiques ? méthodes de fabrication
industrialisables ? choix des matériaux
(LSGC) ? distribution des fluides ? Choix des
géométries ? structures à canaux parallèles ?
échangeurs  3 D  à mélange interne