EP2474216A1 - Dispositif de refroidissement pour système électronique de puissance dans un véhicule - Google Patents
Dispositif de refroidissement pour système électronique de puissance dans un véhiculeInfo
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- EP2474216A1 EP2474216A1 EP10763745A EP10763745A EP2474216A1 EP 2474216 A1 EP2474216 A1 EP 2474216A1 EP 10763745 A EP10763745 A EP 10763745A EP 10763745 A EP10763745 A EP 10763745A EP 2474216 A1 EP2474216 A1 EP 2474216A1
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- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
- H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
- H05K7/20845—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for automotive electronic casings
- H05K7/20881—Liquid coolant with phase change
Definitions
- the boundary 3 schematically shows in the form of meniscus the limit at which the fluid pumped by capillarity in the evaporator 12 in the liquid phase 1, reaches the saturation temperature T 3 from which it boils in a two-phase state.
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Abstract
Pour refroidir un composant de système électronique de puissance dans un véhicule, le dispositif comprend : un réservoir (11) contenant un fluide en phase liquide; un évaporateur (12) comprenant des sphères qui constituent un milieu poreux pour pomper le fluide en phase liquide du réservoir (11) par capillarité et pour amener le fluide en phase vapeur en absorbant une charge thermique (2) générée par le composant; un condenseur (16) connecté en sortie de l' évaporateur (12) pour recevoir le fluide en phase, à une source froide pour amener le fluide de la phase vapeur à la phase liquide vapeur et en entrée du réservoir (11) pour y faire retourner le fluide en phase liquide.
Description
« Dispositif de refroidissement pour système électronique de puissance dans un véhicule »
L'invention concerne un dispositif de refroidissement pour système électronique de puissance dans un véhicule, notamment dans un véhicule automobile.
Un système électronique de puissance est particulièrement utile dans un véhicule hybride ou tout électrique pour assurer l'alimentation et la récupération en énergie électrique utilisée pour entraîner et ralentir le véhicule. Un tel système comprend généralement de nombreux composants parmi lesquels on peut citer à titre purement illustratif et non exhaustif, une batterie, des super condensateurs, des thyristors ou transistors de puissance.
Les dispositifs de refroidissement connus ne sont pas satisfaisants.
Les panneaux ou radiateurs à ailettes sont mal adaptés aux nouveaux composants dont la puissance dissipée entraîne un encombrement considérable qui résulte de la surface d'échange nécessaire.
Les refroidisseurs monophasiques de type cylindrique ou plaques à eau, posent un problème d'intégration pour des grandes puissances à dissiper.
Le refroidissement diphasique immergé des composants est basé sur un phénomène d'ébullition qui implique des contraintes de mise en œuvre et de maintenance trop élevées pour le secteur automobile.
Les systèmes diphasiques gravitaires, tels que par exemple les caloducs, ne peuvent fonctionner qu'à la verticale, source de difficultés d'intégration. Leurs capacités de transfert restent limitées au regard d'autres technologies diphasiques.
Les dispositifs de refroidissement connus (ailettes, boucle d'air, boucle de fluide...) présentent un autre inconvénient, celui de ne pas absorber des pics de puissances en sollicitations sévères avec pour
conséquence de rendre difficile la régulation thermique de l'électronique de puissance. Or une élévation brutale de la température peut provoquer des dommages irréversibles des composants électriques. Pour éviter cela, les systèmes classiques de refroidissement sont généralement surdimensionnés, ce qui implique des contraintes supplémentaires d'encombrement et de poids.
Pour remédier aux problèmes posés par l'état antérieur de la technique, l'invention a pour objet un dispositif de refroidissement d'au moins un composant de système électronique de puissance dans un véhicule comprenant :
un réservoir contenant un fluide en phase liquide ;
- un évaporateur agencé pour pomper le fluide en phase liquide du réservoir par capillarité et pour amener le fluide en phase vapeur en absorbant une charge thermique générée par le composant ;
- un condenseur connecté en sortie de l' évaporateur pour recevoir le fluide en phase vapeur, à une source froide pour amener le fluide de la phase vapeur à la phase liquide et en entrée du réservoir pour y faire retourner le fluide en phase liquide.
De manière remarquable, l' évaporateur comprend un milieu poreux comprenant des sphères de façon à pomper le fluide par capillarité.
Avantageusement, le réservoir comprend un élément chauffant pour augmenter la température du fluide en phase liquide.
De préférence, le dispositif comprend un module de régulation pour agir sur l'élément chauffant de façon à homogénéiser une température de l' évaporateur à une température de saturation à laquelle le fluide passe de la phase liquide à la phase vapeur.
L'invention a aussi pour objet un véhicule automobile comprenant au moins un composant
d'électronique de puissance, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif selon l'invention.
La description explicative qui va suivre fait référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple, illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels :
la figure 1 est un schéma de principe de fonctionnement du dispositif ;
la figure 2 représente plus en détail un absorbeur du dispositif.
En référence à la figure 1, le dispositif selon l'invention utilise une boucle fluide diphasique à pompage thermo capillaire (BFDPT) accolée aux boîtiers d'électronique de puissance présents en grande quantité sur les véhicules hybrides et électriques.
Parmi les éléments principaux du dispositif, on distingue un ou plusieurs évaporateur (s) 12 pour absorber une charge thermique 2 générée par des composants électroniques de puissance (non représentés) , un condenseur 16 pour évacuer la charge thermique sous forme d'un flux de chaleur 6 vers une source froide et un réservoir 11 alimenté par un fluide sous forme d'un liquide 1.
L' évaporateur 12 est agencé pour pomper naturellement par capillarité le fluide sous forme liquide à partir du réservoir 11 au moyen de tubes capillaires ou de préférence d'un milieu poreux tel que celui expliqué ci-après en référence à la figure 2.
Sous l'effet de la charge thermique 2 appliquée sur le milieu poreux compris dans l' évaporateur 12, le liquide 1 se vaporise et la vapeur 5 s'échappe dans un collecteur 14.
La frontière 3 représente schématiquement sous forme de ménisque la limite à laquelle le fluide pompé par capillarité dans l' évaporateur 12 en phase liquide 1, atteint la température de saturation T3 à partir de laquelle il entre en ébullition dans un état diphasique.
Considérant un débit massique MF de liquide 1 de capacité thermique massique Cpi qui pénètre dans l' évaporateur 12 à une température Tn en sortie du réservoir 11, le flux thermique absorbé Φ1-3 est donné par une formule du type :
i) Φt_3 =MF xCpl(T8-T11)
La frontière 4 représente schématiquement la limite en deçà de laquelle le fluide est encore à l'état diphasique dans l' évaporateur 12 sous forme de vapeur humide à la température de saturation T3. Considérant le débit massique MF de fluide diphasique d' enthalpie massique d' évaporation Hiv qui s'évapore dans 1' évaporateur 12 à la température T3, le flux thermique absorbé Φ3-4 est donné par une formule du type :
ii) Φ3-4=MFXHIV
Considérant que la charge thermique 2 génère un flux thermique Φ2 vers l' évaporateur 12, le dispositif est dimensionné de façon à obtenir un débit massique MF de fluide optimal qui satisfait la relation :
Hi) Φ2 =0^+03^ =MFx[Cpl(Ts-Tu) + Hlv] La capillarité et l' évaporation permettent de mettre le fluide en mouvement de manière complètement passive, de sorte que le débit massique MF est obtenu sans qu' il soit nécessaire de faire intervenir aucune pompe mécanique pour assurer la circulation du fluide. Il en résulte un gain de maintenance considérable par rapport aux circuits de refroidissement classiques.
Le collecteur 14 de l' évaporateur est relié au condenseur 16 par une conduite 15 dans laquelle circule le fluide en phase vapeur 5 à une température de vapeur T5 proche de la température de saturation T3.
La conduite 15 se prolonge sous forme de tube coudé 17 dans le condenseur jusqu'à déboucher dans une seconde conduite 18 qui relie le condenseur 16 au réservoir 11.
La condenseur 16 est en contact avec une source froide 6 à une température T6 inférieure à la température de saturation T3 de sorte que la vapeur 5 se condense dans le tube 17 entre deux points 7 et 8 de température T3.
Considérant le débit massique MF de fluide diphasique d' enthalpie massique de condensation Hvi qui se liquéfie dans le condenseur 16 à la température T3, le flux thermique exhumé Φ7-s est donné par une formule du type :
iv) Φ7_8=MFxHvl
Le fluide liquéfié continue à se refroidir au-delà du point 8 jusqu'à la sortie du tube 17 de sorte qu'on obtient le liquide 1 en sortie du condenseur 16 à une température de sous refroidissement Ti comprise entre la température de saturation T3 et la température de source froide T6. Considérant le débit massique MF de liquide 1 de capacité thermique massique Cpi qui pénètre en régime établi dans le réservoir 11 à la température Ti en sortie du condenseur 16, le flux thermique exhumé Φs-n est donné par une formule du type :
v) O8-11=MpXCp1(T8-T1)
Finalement, la source froide 6 résorbe un flux thermique Φ6 du condenseur 16, selon la relation :
On constate que le flux thermique Φ6 évacue le flux thermique Φ2 à la source froide, indépendamment de la température T2 de la charge thermique 2 qui se stabilise à une valeur proche de la température de saturation T3 et de la température T6 de la source froide 6. L'expression du flux thermique Φ6 en fonction de la différence de température (T6 - T2) et d'une conductance thermique Kth, est de la forme :
vil) O6=KJT6-T2)
Ce constat revient à considérer la conductance thermique Kth comme une conductance variable qui s'adapte naturellement à la différence de température pour véhiculer le flux thermique. Ce phénomène s'explique par la longueur de condensation entre les points 7 et 8 qui augmente naturellement lorsque la température T2 ou le flux thermique Φ6 augmente et réciproquement.
En résumé, la vapeur générée dans l' évaporateur 12 par la charge thermique 2, circule ensuite jusqu'au
condenseur 16 où la puissance de la charge thermique est dissipée. Le liquide sous-refroidi sort ensuite du condenseur 16 pour revenir vers l' évaporateur 12 et assurer le cycle. L'adaptation de la longueur de condensation permet au dispositif de présenter une conductance variable de sorte que la température de source froide a peu d' influence sur le maintien du niveau de température à l' évaporateur au contact des composants électroniques de puissance, pour autant bien entendu que la température de source froide est inférieure à la température de saturation.
L' évaporateur 12 est représenté de manière plus détaillée sur la figure 2 où on distingue un corps 19 de 1' évaporateur en contact avec un composant électronique de puissance 20. L' évaporateur est rempli de sphères 13 qui réalisent un milieu poreux qui aspire le liquide 1 par capillarité.
La face supérieure des sphères 13 les plus élevées de l' évaporateur 12 sont en contact soit d'une partie pleine du corps 19 qui transmet la charge thermique 2 générée par le composant électronique de puissance 20 aux sphères par conduction thermique, soit d'une ouverture dans le corps 19 agencée pour constituer le collecteur 14 qui évacue la vapeur 5 vers la sortie de l' évaporateur 12.
Le réservoir 11 est positionné sous la partie inférieure de l' évaporateur de façon à assurer un rôle de réserve de fluide et de contrôle du cycle. Une régulation thermique du réservoir 11 est accessoirement prévue pour stabiliser la température de saturation dans le dispositif et plus particulièrement dans l' évaporateur .
Dans le réservoir 11, un élément chauffant 21 tel qu'une résistance électrique, un thermo élément ou autre, est connecté à une unité électronique 22 qui régule la température de fonctionnement du dispositif de manière à maintenir homogène la température T2 à une valeur optimale au niveau de l'interface du boîtier électronique. Par
ailleurs, la conductance naturellement variable Kth du dispositif permet de maintenir cette température quelle que soit la puissance dissipée, bien entendu dans la mesure où le dispositif est suffisamment dimensionné.
La régulation est paramétrée pour agir sur le comportement de la relation Hi) que nous reprenons ici :
Hi) Φ2=MFx[Cpl(Ts-Tu)+ Hlv]
En absence d'élément chauffant 21, la température Tn dans le réservoir 11, est sensiblement égale à la température Ti sous refroidie en sortie du condenseur 16.
Le tableau ci-après permet de comparer l'enthalpie de vaporisation Hiv et la capacité thermique massique Cpi à l'état liquide de différents fluides sélectionnés lors d'essais de mise au point du dispositif :
On remarque que la quantité de chaleur absorbée par l'enthalpie de vaporisation est de 150 pour l'hexane à 250 pour l'ammoniac fois plus élevée que la quantité de chaleur absorbée par capacité thermique pour élever la température du liquide de 1 Kelvin.
Or le chemin parcouru par le fluide dans 1' évaporateur pour atteindre la température de saturation est alors autant de longueur perdue pour procéder à 1' évaporation qui procure les meilleurs rendements d'échange thermique. D'autre part, une longueur minimale de mouillage du liquide dans l' évaporateur est nécessaire pour obtenir l'effet de mouillage par capillarité. La
régulation est paramétrée pour obtenir le meilleur compromis entre ces deux contraintes.
Plusieurs variantes de réalisation du dispositif sont possibles.
Dans une architecture de type CPL (« Capillary Pumped Loop ») , le réservoir 11 est sur la conduite 18 alors que dans une architecture de type LHP (« Loop Heat Pipe ») , le réservoir est accolé à l' évaporateur .
La conception du réservoir 11 peut elle aussi varier en termes de formes et de volumes. Différentes conceptions de l' évaporateur sont envisageables. D'autres fluides que ceux mentionnés ci-dessus peuvent aussi être utilisés dans le dispositif, notamment en fonction de la température de fonctionnement que l'on veut atteindre.
Parmi les nombreux avantages de l'utilisation d'un dispositif à boucle fluide diphasique à pompage thermocapillaire, notamment avec régulation thermique du réservoir pour le refroidissement de l'électronique de puissance, on peut citer un gain de maintenance lié à l'absence de pompe mécanique, une capacité de transfert élevée (jusqu'à 1OkW pour Im de conduite) liée à la chaleur latente du fluide utilisé, un maintien et une régulation de la température de l'électronique pour différentes puissances à dissiper notamment grâce à la conductance variable, une possibilité de régulation de la température de l'électronique de puissance par l'intermédiaire du réservoir et une facilité d'intégration résultant d'une absence de contrainte sur la position de la source froide par rapport à la zone de dissipation.
Claims
1. Dispositif de refroidissement d'au moins un composant (20) de système électronique de puissance dans un véhicule comprenant :
- un réservoir (11) contenant un fluide en phase liquide ;
- un évaporateur (12) agencé pour pomper le fluide en phase liquide du réservoir (11) par capillarité et pour amener le fluide en phase vapeur en absorbant une charge thermique (2) générée par le composant (20) ;
un condenseur (16) connecté en sortie de 1' évaporateur (12) pour recevoir le fluide en phase vapeur, à une source froide pour amener le fluide de la phase vapeur à la phase liquide et en entrée du réservoir (11) pour y faire retourner le fluide en phase liquide, caractérisé en ce que l' évaporateur (12) comprend un milieu poreux comprenant des sphères (13) de façon à pomper le fluide par capillarité.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réservoir (11) comprend un élément chauffant (21) pour augmenter la température du fluide en phase liquide.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu' il comprend un module de régulation (22) pour agir sur l'élément chauffant (21) de façon à homogénéiser une température de l' évaporateur (12) à une température de saturation à laquelle le fluide passe de la phase liquide à la phase vapeur.
4. Véhicule automobile comprenant au moins un composant (20) d'électronique de puissance, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 pour refroidir ledit composant (20).
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