Refroidissement direct par écoulement microfluidique électro-calorique modulé // DIRECT COOLING USING MULTI-PHASE MICROFLUIDIC MODULATED AND ELECTRO-CALORIC FLOWS

La fiabilité et la sécurité des batteries des véhicules électriques (VE) représentent à ce jour un frein non négligeable au développementdurable de ces véhicules. Ces propriétés sont fortement liées à la température en fonctionnement des batteries, rendant ainsi leurgestion thermique un enjeu sociétal majeur. Le caractère non diélectrique intrinsèque de fluides à base d'eau est un inconvénientimportant pour leur utilisation dans des boucles de réfrigération en contact direct avec des composants électriques. Les fluides à base d'huiles sont diélectriques mais possèdent de mauvaises propriétés thermiques et/ou fluidiques, ce qui limite leur utilisation pour de telles applications. L'inclusion de microgouttelettes d'eau dans l'huile, plus conductrices de la chaleur, est intéressante car elle permettrait d'augmenter le transfert thermique par une augmentation de la conductivité thermique équivalente du fluide multiphasique et une diminution de la viscosité équivalente. Une autre amplification de la réfrigération consisterait à utiliser des matériaux électro-caloriques (ou magnéto-caloriques) qui présentent une variation d'entropie sous l'effet d'un champ externe électrique (ou magnétique). L'inclusion de ces matériaux dans un fluide diélectrique peut permettre d'améliorer les transferts thermiques, par l'amélioration de la conductivité thermique et/ou la mise en jeu de la chaleur latente associée aux transitions de phase. Ce projet de thèse vise à développer une nouvelle approche microfluidique multiphasique permettant une meilleure gestion de la température en fonctionnement des composants électriques et électroniques de puissance de manière générale. Il repose sur l'utilisation d'une boucle microfluidique diphasique composée d'une huile organique ou minérale (diélectrique) chargée en microgouttelettes à base d'eau et de (micro)particules d'un polymère électro-calorique tel que le PVDF. L'étude de ce type de système multiphysique (fluidique, tension desurface, interface particule-fluide, électrodynamique) est relativement complexe. Une approche expérimentale et théorique est déterminante pour étudier ces phénomènes et c'est dans ce cadre que s'inscrit ce projet. Nous proposons en particulier d'étudier les propriétés du transfert thermique de boucles multiphasiques constituées de microgouttelettes et de suspensions des particules caloriques. Des microgouttelettes d'eau de taille monodisperse seront produites et utilisées directement pour optimiser la conductivité thermique du fluide caloporteur et pour encapsuler un nombre contrôlé de nanoparticules caloriques. Des modules microfluidiques seront réaliséspour contrôler de manière précise la taille et la composition des microgouttelettes. Ils seront couplés avec un système de détection optofluidique développé à LUMIN et permettant de caractériser en temps réel la production, la taille et la forme des microgouttes en flux avec des cadences de l'ordre de 1kHz. Cette étude comprendra aussi une partie expérimentale importante qui constitue le coeur du sujet de thèse. Il s'agira en particulier de concevoir et de mettre en place un banc d'essais permettant le contrôle de la génération et de la charge eau/huile/particules ainsi que la quantification des améliorations des échanges thermiques.
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Reliability and safety of batteries remain up to date significant barriers to the sustainable development of electric vehicle (EV) market. These properties are closely linked to battery operating temperature, making thermal management a major societal concern. The intrinsic non-dielectric nature of water-based fluids is a significant drawback for their use in refrigeration loops, in direct contact with electrical components. Oil-based fluids are dielectric but have poor thermal and/or fluidic properties, limiting their use for such applications. The inclusion of water microdroplets in oil, which have a better heat conductivity, is interesting as it could increase heat transfer by enhancing the equivalent thermal conductivity of the multiphase fluid and reducing equivalent viscosity. Another enhancement in refrigeration could involve electro-caloric (or magneto-caloric) materials that exhibit entropy variation under the influence of an external electric (or magnetic) field. Incorporating these materials into a dielectric fluid may improve thermal transfers by enhancing thermal conductivity and/or utilising latent heat associated with phase transitions.
This thesis project aims to develop a new multiphase microfluidic approach enabling better temperature management of electrical and electronic power components in general. It relies on the use of a diphasic microfluidic loop composed of an organic or mineral oil (dielectric) loaded with water-based microdroplets and (micro)particles of an electro-caloric polymer such as PVDF. Studying such a multiphysical system (fluidics, surface tension, particle-fluid interface, electrodynamics) is relatively complex. An experimental and theoretical approach is crucial for studying these phenomena, and this project falls within that framework. In particular, we propose to study the thermal transfer properties of multiphase loops consisting of microdroplets and suspensions of calorific particles. This project builds upon extensive expertise in microfluidics developed by LuMIn researchers, combined with the expertise of LMPS laboratory researchers in the field of heat transfer in bulk materials. Monodisperse water microdroplets will be produced and used directly to optimise the thermal conductivity of the heat transfer fluid and to encapsulate a controlled number of calorific nanoparticles. Microfluidic modules will be fabricated to precisely control the size and composition of the microdroplets. They will be coupled with an optofluidic detection system developed at LuMIn, allowing real-time characterisation of microdroplet production, size, and shape at kHz flow rates. This study will also include a significant experimental component, which forms the core of the thesis subject. In particular, it will involve designing and setting up a test bench to control the generation and water/oil/particle charge as well as quantify improvements in thermal exchanges.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Programme LPDP-UPSaclay

Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes

575 Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering

Physicien
Physicist