Transfert de chaleur par évaporation ultra élevé mesuré localement dans des films d'eau submicroniques

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 22353 (2022) Citer cet article

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L'évaporation en couche mince est une solution de gestion thermique largement utilisée pour les micro/nano-dispositifs à haute densité énergétique. Les mesures locales du taux d’évaporation à l’interface liquide-vapeur sont cependant limitées. Nous présentons un profil continu du coefficient de transfert de chaleur par évaporation (\(h_{\text {evap}}\)) dans la région de la couche mince submicronique d'un ménisque d'eau obtenu grâce à des mesures locales interprétées par un substitut appris par machine du système physique. La thermoréflectance dans le domaine fréquentiel (FDTR), une méthode laser sans contact avec une résolution latérale micrométrique, est utilisée pour induire et mesurer l'évaporation du ménisque. Un réseau de neurones est ensuite entraîné à l'aide de simulations par éléments finis pour extraire le profil \(h_{\text {evap}}\) des données FDTR. Pour une surchauffe du substrat de 20 K, le maximum \(h_{\text {evap}}\) est de \(1.0_{-0.3}^{+0.5}\) MW/\(\text {m}^2\ )-K à une épaisseur de film de \(15_{-3}^{+29}\) nm. Cette valeur ultra-élevée \(h_{\text {evap}}\) est deux ordres de grandeur supérieure au coefficient de transfert de chaleur pour la convection forcée monophasée ou l'évaporation d'un liquide en vrac. Dans l'hypothèse d'une température de paroi constante, nos profils de \(h_{\text {evap}}\) et d'épaisseur du ménisque suggèrent que 62 % du transfert de chaleur provient de la région située à 0,1-1 μm du bord du ménisque, alors que seulement 29 % proviennent des 100 μm suivants.

La résolution spatiale des taux d’évaporation amplifiés dans des films liquides d’épaisseur nanométrique et micrométrique, comme on en trouve dans les ménisques, constitue un défi de longue date1,2,3,4. Des mesures précises nécessitent une précision latérale submicronique et un cadre de modélisation pour interpréter les résultats. Des mesures expérimentales ont sondé l'évaporation dans le ménisque étendu macroscopique, où le coefficient de transfert de chaleur par évaporation prend sa valeur globale de 0,001 à 0,1 MW/\(\text {m}^2\)-K5,6,7. La théorie suggère curieusement une augmentation allant jusqu'à trois ordres de grandeur du taux d'évaporation, et donc du taux de transfert de chaleur, dans la région du film mince du ménisque, mais ces prédictions n'ont pas encore été validées8,9,10,11,12. ,13.

Le taux d'évaporation d'un film liquide mince est contrôlé par une compétition entre la résistance thermique du film et une pression de liquide supprimée. Cette dernière résulte de la pression de disjonction \(P_d\), qui mesure la force d'interaction entre le substrat solide et le film liquide. Une épaisseur de film plus petite : (i) diminue la résistance thermique, conduisant à une surchauffe plus élevée à l'interface liquide-vapeur, ce qui améliore l'évaporation, et (ii) augmente \(P_d\), ce qui supprime l'évaporation8,9,10,14. Ces effets concurrents aboutissent à un profil non monotone du taux de transfert de chaleur par évaporation, comme le montre schématiquement la figure 1a. La quantification de ce profil révélera des voies permettant d'amplifier le transfert de chaleur dans les solutions thermiques à micro/nanostructure utilisées pour gérer l'électronique à haute densité de puissance, où le refroidissement air/liquide monophasé ne peut pas répondre à la demande15,16,17,18,19,20,21. L’efficacité de la production solaire thermique22,23,24 et des processus de dessalement25,26 sera également améliorée grâce à l’évaporation technique dans des films liquides minces pour obtenir des flux de masse élevés.

Des études expérimentales d’évaporation sur film liquide mince sont souvent menées en extrayant le profil de température le long d’un ménisque sur une surface chauffée. Des caméras infrarouges11,12,13 et des thermocouples8,9,10,27 avec une résolution spatiale de 6 μm à 2 mm ont été utilisés pour mesurer les températures locales. Les profils de flux thermique et/ou de température signalés démontrent un transfert de chaleur amélioré près du bord du ménisque (c'est-à-dire la ligne de contact triphasée). Comme alternative, Höhmann et al.28 ont utilisé des cristaux liquides thermochromiques (CCM) avec une résolution spatiale de 1 μm. Les TLC souffrent cependant d’une durée de vie limitée et d’une incertitude de mesure élevée12,29. Des méthodes laser sans contact ont également été utilisées pour étudier le changement de phase liquide-vapeur. Parc et coll. utilisé la spectroscopie pompe-sonde ultrarapide pour étudier l’évaporation d’un mince film liquide. Ils ont obtenu la réponse de l’épaisseur du film en fonction du temps à une impulsion optique de pompe picoseconde, mais n’ont pas signalé de profil de taux d’évaporation. La thermoréflectance dans le domaine temporel a été utilisée par Mehrvand et Putnam pour étudier l'évaporation des microcouches dans des bulles uniques lors de l'ébullition de l'eau.4 Plus récemment, Che et al. a combiné la thermoréflectance dans le domaine temporel et l'analyse numérique pour étudier l'évaporation d'un film liquide d'octane31. Ils rapportent la variation du coefficient global de transfert de chaleur le long du ménisque, obtenant une valeur maximale de 0,44 MW/\(\text {m}^2\)-K. Cette valeur inclut la résistance thermique conductrice du liquide. Parce que Che et al. moyenne sur un diamètre de spot laser de 10 μm, leur profil global de coefficient de transfert de chaleur ne peut pas résoudre des valeurs inférieures à 2 μm du bord du ménisque. Malgré ces progrès, l’isolation du coefficient de transfert de chaleur par évaporation avec une résolution à l’échelle microscopique sur l’ensemble du ménisque n’a pas été obtenue expérimentalement.