EP3811746A1 - System for converting energy - Google Patents

System for converting energy

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Publication number
EP3811746A1
EP3811746A1 EP19731301.8A EP19731301A EP3811746A1 EP 3811746 A1 EP3811746 A1 EP 3811746A1 EP 19731301 A EP19731301 A EP 19731301A EP 3811746 A1 EP3811746 A1 EP 3811746A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
inverter
change material
phase change
load
transistors
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19731301.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Taoufik BENSALAH
Joël LALLIER
Maxime MIGNEAU
Damien PEYRAT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP3811746A1 publication Critical patent/EP3811746A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/209Heat transfer by conduction from internal heat source to heat radiating structure
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/60Controlling or determining the temperature of the motor or of the drive
    • H02P29/68Controlling or determining the temperature of the motor or of the drive based on the temperature of a drive component or a semiconductor component
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64DEQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D13/00Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space, or structural parts of the aircraft
    • B64D13/06Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space, or structural parts of the aircraft the air being conditioned
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64DEQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D31/00Power plant control systems; Arrangement of power plant control systems in aircraft
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64DEQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D41/00Power installations for auxiliary purposes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
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    • B64D13/00Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space, or structural parts of the aircraft
    • B64D13/06Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space, or structural parts of the aircraft the air being conditioned
    • B64D2013/0603Environmental Control Systems
    • B64D2013/0648Environmental Control Systems with energy recovery means, e.g. using turbines
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64DEQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D2221/00Electric power distribution systems onboard aircraft
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    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05K7/20Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor

Definitions

  • the invention lies in the field of energy conversion for engine control applications. These applications target in particular the aeronautical field and applications requiring the electrical supply of electrical machines or more generally of loads in nominal and transient states.
  • the invention relates to an energy conversion system of the type comprising a plurality of loads which can comprise at least one electric machine and an inverter intended to convert an electrical energy received at its input from the converter into an electrical energy intended to supply alternately the different loads.
  • An electric machine can be mechanically coupled to a main jet engine of the aircraft, so that the mechanical energy generated by the electric machine, for example the mechanical torque generated by the electric machine, is able to start the turbine.
  • Another electric machine can be connected at the output of the inverter and mechanically coupled to a turbine engine of an auxiliary power unit or APU group with reference to the English expression "Auxiliary Power Unit".
  • the electric machine is able to ensure the starting of the turbine engine.
  • the turbine engine operates an air compressor to provide all the pneumatic power necessary for the aircraft.
  • the inverter During the DHW supply phase from the inverter, the inverter operates in nominal mode.
  • the DHW takes a substantially fixed power from the inverter.
  • the starting phases of the main turbojet engine and the APU turboshaft engine are momentary phases, that is to say transient phases, which are of short duration typically less than 60 seconds or 120 seconds or 150 seconds, during which the inverter works in transitional regime. These transient phases can be repetitive. Turbines or turboshaft engines can undergo several successive starts. During these transient phases, the power taken from the inverter is greater than the power taken from the inverter at nominal speed. The inverter is overloaded.
  • the energy conversion system can include several inverters, connected to an electric machine or to a load, each outputting a voltage intended to supply the load.
  • the inverters are able to supply the load simultaneously.
  • a step of operating the inverter at nominal speed can be a step during which the load is supplied by all the inverters.
  • a transient state phase can be a stage during which at least one of the inverters does not supply the load, for example in the event of a failure of the inverter. In other words, only a subset of the inverters supplies the load.
  • the inverter is of the type comprising power transistors based on Silicon Carbide or Silicon for example, of the insulated gate field effect transistor type more commonly called MOSFET (acronym acronym for Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) or type insulated gate bipolar transistor more commonly called IGBT, from the English “Insulated Gâte Bipolar Transistor”.
  • MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • Such energy conversion systems usually have a cooling system to prevent temperature rises which could damage the power transistors of the inverter or accelerate their aging.
  • the inverters are usually sized to operate in the 2 types of regime (transient and permanent).
  • the (transient) overload regime causes the inverter cooling system to be oversized, which results in greater mass and volume.
  • This solution is bulky and cumbersome, which is very unfavorable in environments governed by problems of reduction in mass and size such as electric traction vehicles such as motor vehicles, railway vehicles or aircraft.
  • cooling systems comprising coolers in the form of aluminum fins supports.
  • Such supports allow, because of their thermal capacity, to store the thermal energy released by the electronic components of the converter.
  • a dissipator can be associated with an air convection system, of the type comprising for example a fan, ensuring forced circulation of the air in contact with the dissipator to cool the latter.
  • transient mode the power drawn from the inverter being greater than in nominal mode and the efficiency of the inverter identical, the energy released by the power transistors in the form of heat is greater.
  • one solution consists in oversizing the cooler.
  • the thermal capacity of a support made of a given material depends on its mass.
  • the thermal capacity is expressed in Jkg 1 K 1 .
  • the problem of storing the excess thermal energy dissipated by transistors in electronic transistors is therefore generally resolved by increasing the mass and therefore the volume of the support to increase the heat capacity (i.e. its capacity thermal).
  • Another solution for cooling the transistors is to provide a hydraulic cooling system for the dissipator, using a water loop, or heat pipes.
  • Water loop solutions pose a problem of mass and cost. They involve the installation of expensive assemblies to avoid water leaks and frequent operations or maintenance or sophisticated maintenance systems, in particular to ensure purges.
  • An object of the invention is to limit at least one of the above problems.
  • the subject of the invention is an energy conversion system comprising a set of at least one load and an inverter comprising transistors, the inverter being intended to convert a DC voltage into an AC voltage intended to supply electrically the set of at least one load, the inverter being able to be in a set of states comprising a nominal speed and a transient speed in which the set of at least one load draws, at the output of the inverter, a power greater than a predetermined maximum power taken, at the output of the inverter, when the inverter is in nominal mode, the energy conversion system comprising means for cooling the transistors comprising a support integral with a set of at least one of the transistors of the inverter, the support comprising a phase change material capable of melting , the energy conversion system being configured so that, at a predetermined ambient temperature, a fusion of the phase change material is caused when the inverter is in the transient state and so that, at the predetermined ambient temperature, there is no triggering of the melting of the phase change material
  • the assembly of at least one load draws, at the output of the inverter, a power greater than a predetermined maximum power.
  • the assembly of at least one load draws a power less than or equal to the predetermined maximum power at the output of the inverter.
  • the phase change material has a melting temperature above 70 ° C.
  • the phase change material has a melting temperature below 100 ° C or 120 ° C.
  • the ambient temperature is greater than or equal to 30 ° C.
  • the inverter is in the transient state for a maximum duration of 150 seconds.
  • the power taken from the output of the inverter in transient mode is greater than a maximum authorized power, which can be taken from the output of the inverter over a period of more than 5 minutes without damaging the transistors.
  • the support comprises a housing enclosing the phase change material in a sealed manner.
  • the housing is interposed between the assembly of at least one of the transistors of the inverter and a radiator comprising fins in direct physical contact with the surrounding air.
  • the assembly of at least one of the transistors of the inverter and the housing are stacked along a stacking axis, the assembly of at least one of the transistors of the inverter is delimited by a first face and a second face in the stacking direction, the first face facing the housing and the second face being free.
  • the system includes heat exchange means to promote heat exchange between the phase change material and the housing.
  • the invention also relates to a system according to the invention.
  • the set of at least one load comprises several loads comprising a set of at least one electric machine coupled to a turbomachine so as to allow the turobmachine to be started, the energy conversion system being configured so that, at the predetermined ambient temperature, a fusion of the phase change material is caused when at least one electric machine of the set of at least one electric machine starts the turbomachine to which it is coupled. This is the transitional regime.
  • the system comprises the turbomachine.
  • the set of at least one load comprises a set of at least one electric machine coupled to a main turbojet of an aircraft so that the electric machine is able to start the main turbojet to which it is coupled, and an assembly of at least one electric machine, called an auxiliary machine, coupled to a turbine engine of an auxiliary power unit so that the auxiliary electric machine is able to start the turbine engine to which it is coupled, the assembly of at least one charge also includes an environmental control system.
  • the energy conversion system being configured so that, at the predetermined ambient temperature, a fusion of the phase change material is caused when at least one electric machine of the set of at least one electric machine starts the turbojet main to which it is coupled and / or when at least one auxiliary electric machine of the set of at least one auxiliary electric machine starts the turbine engine to which it is coupled. It is a transitional regime.
  • the energy conversion system is configured so that, at the predetermined room temperature, the phase change material remains in the liquid state when the inverter feeds only the environment control system. This is the diet
  • the system comprises each main turbojet engine connected to an electrical machine of the system as well as each turboshaft engine of the auxiliary group coupled to an electrical machine auxiliary of the system, and optionally the auxiliary power unit, as well as the environmental control system.
  • the system comprises a set of inverters capable of supplying a set of at least one load, the energy conversion system being configured so that, at a predetermined ambient temperature, a melting of the material phase change is caused when at least one inverter in the set of inverters does not supply the set of at least one load while each load of the set of at least one load powered by the set of inverters. This is the transitional regime.
  • the system is also configured so that, at the predetermined ambient temperature, the phase change material remains in the liquid state when all of the inverters in the inverter set supply the set with at least one load. This is the nominal speed.
  • the invention also relates to a use of the system according to the invention.
  • the use includes the phase during which the inverter is in nominal mode and a phase during which the inverter is in transient mode, a melting of the phase change material being triggered when the phase change material is in the transitional regime.
  • FIG. 1 represents an electrical diagram of an example of an energy conversion system according to the invention
  • FIG. 2 schematically represents a section of an energy conversion device comprising an inverter and a cooler
  • the invention relates to an energy conversion system 1 or inverter system, of the type comprising, as visible in FIG. 1, an inverter 3 connected to an electrical power source 4.
  • the inverter 3 supplied, input E, by a direct voltage and delivers at its output S, a single-phase or polyphase alternating voltage (in the example of figure 1).
  • the energy conversion system comprises an EC assembly of one or more loads connected at the output of the inverter and intended to be supplied by the inverter 3.
  • the inverter 3 is, for example, intended to supply the different electrical loads simultaneously or, preferably, alternately.
  • the inverter is connected to four loads.
  • the system comprises two electrical machines 2a and 2b, connected at the output of the inverter so that they can be supplied electrically by the inverter.
  • Each of these two electric machines 2a, 2b is mechanically coupled to one of the main jet engines Ra, Rb of the aircraft so that each of these two electric machines is capable of starting the turbojet engine Ra or Rb to which it is coupled, for example the mechanical torque generated by the electric machine.
  • the system also includes another electrical machine 20 connected at the output of the inverter so as to be able to be supplied by the inverter and mechanically coupled to an Rc turboshaft engine of an auxiliary power unit or APU, 300.
  • the electrical machine 20 is suitable for start the Rc turboshaft engine.
  • the system also includes an environment control system or DHW, 200 connected at the output of the inverter so that it can be supplied electrically by the inverter.
  • the different loads are connected to the inverter by means of a switching device 400 making it possible to connect alternately and / or simultaneously different loads to the inverter.
  • the inverter operates in nominal mode.
  • the DHW takes a substantially fixed power from the inverter.
  • the starting phases of the main turbojet engine and the APU turboshaft engine are momentary phases, that is to say transient phases, which are of short duration typically less than 60 seconds or 120 seconds or 150 seconds, during which the the inverter operates in transient mode. These transient phases can be repetitive. Turbines or turboshaft engines can undergo several successive starts. During these transient phases, the power taken from the inverter is greater than the power taken from the inverter when the latter is in nominal mode. The inverter is overloaded, that is to say in transient mode.
  • the electric machines 2a, 2b and 20 operate in motor mode transiently. Indeed, these electric machines are used only to start turbines during starting phases of duration typically less than or equal to 60 seconds.
  • the DHW represents a nominal load for the inverter. It is intended to take a power included in a predetermined power interval or a predetermined substantially fixed power. Electric machines are intended to draw a power greater than the powers of the interval or the predetermined power.
  • the system comprises, for example, a single load connected at the output of the inverter and which can for example be intended to operate in transient mode.
  • the inverter 3 of the energy conversion system is able to be in a set of states.
  • This set of states comprises at least one nominal regime in which a nominal power less than or equal to a predetermined maximum nominal power is taken by the set of at least one EC load.
  • This set of states also includes a transient regime in which the set of at least one load draws, at the output of the inverter, a transient regime power greater than the predetermined maximum nominal power.
  • the maximum rated power can be zero or non-zero.
  • the duration of a phase of operation of the inverter in transient mode is much less than the duration of a stage during which the inverter is in nominal mode.
  • a transient regime stage typically lasts between 10 seconds and 150 seconds.
  • the maximum power taken from the inverter output in transient mode is, for example, from 20% to 100% higher than the maximum power taken from the inverter output in nominal mode.
  • the set EC of at least one load draws, at the output of the inverter in transient mode, a power greater than a maximum authorized power that can be taken at the output of the inverter over a period of at least 5 minutes without damaging the transistors.
  • a power greater than this maximum authorized power is taken over a long period of at least 5 minutes, at the output of the inverter, the junction temperature of the transistors exceeds a maximum junction temperature admissible by the transistors.
  • the maximum power drawn from the inverter at nominal speed is less than this maximum authorized power.
  • the inverter 3 comprises three arms B1, B2, B3 each comprising two power transistors 30 connected in series between a positive terminal B + and a negative terminal B- of the power bus B carrying the voltage delivered by the power source 4, that is to say a total of six transistors of power 30.
  • the inverter can include other elements than the transistors.
  • the energy conversion system 1 also comprises cooling means capable of cooling the transistors 30 when the inverter 3 converts a direct voltage into an alternating voltage and supplies the assembly with at least one load EC.
  • These cooling means comprise a mechanical support 10 of a conversion device 130 comprising the inverter 3, as visible in FIG. 2 showing, in section, an example of conversion device 130.
  • the inverter 3 is fixed on the mechanical support 10, or more generally, secured to the mechanical support 10.
  • the mechanical support 10 comprises a phase change material 5, or MCP (also called PCM acronym of the Anglo-Saxon expression “Phase Change Material”), as shown in Figure 2.
  • MCP also called PCM acronym of the Anglo-Saxon expression “Phase Change Material”
  • the energy conversion system is configured so that, at a predetermined ambient temperature, a fusion of the phase change material 5 is triggered during at least one transient regime, for example during each transient regime, without being triggered when the inverter is in nominal mode at this ambient temperature.
  • the ambient temperature is the temperature of the air surrounding the inverter.
  • the predetermined ambient temperature is preferably greater than or equal to 30 ° C.
  • system according to the invention is for example intended to be used at ambient temperatures between -40 ° C and 70 ° C. This is the case, for example, with energy conversion systems for aircraft.
  • the predetermined ambient temperature is higher than the maximum ambient temperature in which the inverter will be used. This avoids any untimely merger outside the transitional regime.
  • the invention consists in producing a support 10 comprising a phase change material 5 storing a surplus of heat released by the transistors in transient state.
  • This excess heat is absorbed by a phase change of the MCP phase change material, i.e. using the latent phase change heat of the MCP.
  • the phase change material is in the solid state, at this ambient temperature, as long as the inverter is in nominal mode or before the inverter is powered up and its melting is triggered only when the inverter is in transient regime (at this room temperature).
  • the phase change material fuses at a substantially fixed temperature by accumulating heat. This makes it possible to regulate and control the temperature of the transistors for a predetermined energy dissipated during the transient regime.
  • the energy required to melt a phase change material is significantly greater than the energy required to increase its temperature while remaining in the solid state.
  • the proposed solution makes it possible to dissipate a surplus of heat dissipated in transient mode while limiting the rise in temperature of the transistors and limiting the increase in mass of the support. Furthermore, this solution is simple to implement and not very sensitive to the direction in which the support is arranged (horizontal or vertical). This greatly limits the constraints linked to the cooling architecture.
  • the system is configured so that, when the inverter is in a nominal regime consecutive to a transient regime during which the melting has been initiated, at the predetermined ambient temperature, the temperature of the phase change material decreases which can trigger its solidification if the inverter is long enough in nominal mode for the temperature of the phase change material to drop to its solidification temperature.
  • the melting temperature of the MCP is lower than the maximum operating temperature of the transistors, that is to say at a maximum junction temperature of the transistors above which the transistors are deteriorated.
  • the melting temperature of the MCP is less than 100 ° C. or 120 ° so as to guarantee a junction temperature of transistors below the limit junction temperature of the transistors.
  • the melting temperature of the MCP is higher than the maximum temperature of the support, during the nominal regime at the predetermined ambient temperature, in order to avoid any untimely melting of the MCP in nominal regime at this ambient temperature.
  • the melting temperature of the MCP is greater than 70 ° C or 75 ° C.
  • the choice of this melting temperature makes it possible to propose a device compatible with aeronautical applications, in particular the supply of engines intended to actuate the reactors of an aircraft, in temperate countries where the ambient temperature is below 35 ° C.
  • the phase change material may be based on a material of the organic or inorganic type. It can be based on paraffin, for example solid paraffin, and / or at least one vegetable oil such as coconut oil, rapeseed oil, palm oil or palm kernel oil and / or at least one fat and / or potassium.
  • the phase change material may, for example, be Magnesium chloride hexa hydrate (MgCI2.6H20). Its melting temperature is 1 17 ° C and it can absorb an energy of 165,000 J / Kg. Its density is 1.57 g / cm3 significantly less than aluminum (2.7 g / cm3). The heat capacity of aluminum for a rise of 1 ° C is 897 J / Kg. Aluminum is therefore heavier with a much lower energy absorption capacity than MCP.
  • MgCI2.6H20 Magnesium chloride hexa hydrate
  • the potassium melting temperature is 63.5 ° C.
  • a paraffin has a crude formula of the type C n H2 n + 2 where the value of n is between 18 and 32, that of the molar mass is between 275 and 600 g / mol.
  • the phase change material may, for example, comprise at least one paraffin of which n is between 20 and 40. This type of paraffin has a melting temperature between 50 ° C and 62 ° C.
  • the melting temperature of phase change materials is related to the number of carbon in the hydrocarbon chain. You can choose the material (number of carbons) depending on the desired melting temperature.
  • the material comprises for example a solid paraffin whose CAS number is 8002-74-2 or whose EINECS number is -315-6.
  • the phase change material 5 has a predetermined phase change temperature.
  • this material can be obtained by hydrogenation of a material on the basis of which it is made and / or comprise an antioxidant so as to obtain a desired melting temperature.
  • the phase change material may include an additive so as to obtain the correct melting temperature.
  • the support 10 comprises at least one housing 11 enclosing the phase change material 5 in leaktight manner in order to prevent the material from leaving the housing in the first and in the second state.
  • the housing 1 1 is made of a material in the solid state in nominal and transient conditions. This material advantageously has a melting temperature above the maximum junction of the transistors.
  • the housing 1 1 is, for example, metallic. It is for example made of Aluminum with good thermal and light capacity, or Copper. Alternatively, the housing is made of graphite.
  • the housing 1 1 includes walls 12 13, 14, 15, 16, not all visible in these figures. These walls internally delimit a cavity 20. These walls are made of a first material.
  • the housing 1 1 delimits a cavity 20 substantially parallelepiped. It includes two larger walls 12,
  • the phase change material 5 is inserted into the cavity 20 as shown in section in FIG. 2.
  • phase change materials are their low thermal conductivity.
  • Aluminum has, for example, a thermal conductivity of 160 W-rrf 1 -K _1 while a phase change material has a thermal conductivity of about 0.3 W-rrf 1 -K _1
  • the support 10 comprises heat exchange means 31, or an internal heat exchange structure, to promote heat exchange between the phase change material and the housing 11. This makes it possible to guarantee transmission of heat to the part of the phase change material furthest from the walls of the housing and therefore to maximize the proportion of the phase change material that will actually change phase to limit the rise in temperature as much as possible.
  • These heat exchange means 31 having a higher thermal conductivity than the phase change material 5, are arranged in the cavity 20 and are in direct physical contact with the housing 1 1 in order to promote heat exchanges between housing 1 1 and the phase change material. This makes it possible to increase the contact surface between the housing 1 1 and the phase change material 5.
  • the cavity 20 comprises a part occupied by the heat exchange means 32 and a volume in which the phase change material is placed.
  • the heat exchange means are embedded in the phase change material placed in the cavity.
  • the phase change material 5 is advantageously in physical contact with the heat exchange means 32 so as to promote heat exchanges between the transistors and the phase change material 5.
  • this physical contact is direct.
  • the heat exchange means 31 comprise, in the example of the figures, fins 31 projecting from at least one of the two largest walls 12, 13 of the housing. These fins 31 are arranged in the cavity 20.
  • the housing 1 1 comprises fins 31 projecting into the cavity 20 on at least one of the walls of the housing delimiting the cavity 20.
  • Each fin 31 can be in one piece with the wall on which it projects or else be fixed to this wall.
  • the fins 31 are, of generally parallelepiped shape. These fins are produced in the form of substantially flat plates.
  • the heat exchange means can alternatively or in addition, comprise a sheet folded so as to form fins, the sheet being fixed to the large wall of the housing. .
  • the heat exchange means may comprise a porous structure of material having a higher thermal conductivity than the phase change material comprising pores receiving phase change material and / or a ball of a material having a higher thermal conductivity than the phase change material.
  • ball of material means a winding of a wire of the material.
  • porous structure is meant a porous material comprising pores arranged in a disorderly manner.
  • the pores typically have a size between 2 and 5 mm.
  • the porous material typically has a porosity of between 60 and 70% of the volume of the porous material.
  • the heat exchange means 31 can be made of the same material as the housing 1 1.
  • the heat exchange means 31 comprise at least one other material having a higher thermal conductivity than the phase change material 5 such as, for example, copper or graphite.
  • each of the heat exchange means can be fixed to the housing or integral with the housing.
  • the energy conversion device comprises transistors fixed to the support 10, and more precisely to the housing 11, by fixing means.
  • the housing may comprise, as visible in FIG. 2, protrusions 40 projecting from at least one of the largest faces 12, 13 delimiting a hole receiving the fixing means 140.
  • the support 10 comprises fins, these fins add to the growths 40, when the latter are present.
  • the energy conversion device 130 may include, but is not mandatory, a radiator 50 forming part of the cooling means.
  • the radiator 50 includes fins of the radiator 32 in direct physical contact with the surrounding air 70.
  • the housing 1 1 is interposed between the radiator 50 and the transistors 30 or the inverter 3.
  • the proposed solution makes it possible to limit the size of the radiator and makes it possible to limit the need to resort to a cooling solution with heat pipe or water loop and therefore to overcome their respective disadvantages.
  • the cooling means may include means for ensuring forced circulation of air 70, such as, for example, a fan.
  • the support 11 and the inverter 3 are stacked along a stacking axis z.
  • the support 1 1 is interposed between the inverter 3 and the radiator 32 along the stacking axis z.
  • the inverter 3 at least one transistor of the inverter or at least one arm of the inverter, is delimited by two surfaces S1 and S2 spaced along the x axis.
  • These two surfaces S1 and S2 include a first surface S1 facing the housing 11 and a second free surface S2.
  • This configuration is suitable for conventional inverters and / or transistors of the COTS type with reference to the Anglo-Saxon expression Commercial Off-The-Shelf compatible with a cooling device placed facing only one of the faces delimiting the transistor or the 'inverter along the stacking axis and being conventionally based on Copper or AISiC.
  • the housing 11 extends over the entire first surface S1.
  • This first surface S1 delimits, for example, the inverter 3 or a single arm B1 or B2 of the inverter 3 or a single transistor 30 of the set of transistors of the inverter 3.
  • the inverter 3 is fixed to the mechanical support. More broadly, the energy conversion system comprises at least one conversion device comprising at least one transistor of the inverter and a mechanical support comprising a phase change material as described above.
  • the invention also has the advantage of being modular.
  • the invention also relates to a vehicle, for example an aircraft, comprising an energy conversion system according to the invention.
  • the invention also relates to a method of using the energy conversion system according to the invention.
  • the process includes:
  • the melting of the phase change material is triggered when the phase change material is in the transient state.
  • a transient regime triggering the melting of the phase change material can be a starting phase of an engine, for example a turbine, by means of an electric machine powered by the inverter.

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Abstract

Electrically powered system (1) comprising an assembly with at least one load and one inverter (3) comprising transistors, the inverter being designed to convert a DC voltage into an AC voltage for electrically supplying the assembly with at least one load, the inverter being capable of being in a set of states comprising a nominal operating condition and a transient operating condition, wherein the assembly with at least one load draws, at the output of the inverter, a power greater than a maximum power drawn when the inverter (3) is in a nominal operating condition, the electrical energy conversion system comprising means for cooling the transistors, said means comprising a support (10) rigidly connected to at least one of the transistors of the inverter, the support (10) comprising a phase-change material (5) capable of melting, the electrically powered system being configured such that, at a predetermined ambient temperature, melting of the phase-change material (5) is caused when the inverter is in the transient operating condition and such that, at this ambient temperature, the melting of the phase-change material is not triggered when the inverter (3) is in the nominal operating condition.

Description

Système à conversion d’énergie  Energy conversion system
L’invention se situe dans le domaine de la conversion d’énergie pour des applications de contrôle moteur. Ces applications visent notamment le domaine aéronautique et les applications nécessitant l’alimentation électrique de machine électriques ou plus généralement de charges en régimes nominal et transitoire. The invention lies in the field of energy conversion for engine control applications. These applications target in particular the aeronautical field and applications requiring the electrical supply of electrical machines or more generally of loads in nominal and transient states.
L’invention concerne un système à conversion d’énergie du type comprenant une pluralité de charges pouvant comprendre au moins une machine électrique et un onduleur destiné à convertir une énergie électrique reçue à son entrée du convertisseur en une énergie électrique destinée à alimenter alternativement les différentes charges. Une machine électrique peut être couplée mécaniquement à un turboréacteur principal de l’aéronef, de sorte que l’énergie mécanique générée par la machine électrique, par exemple le couple mécanique généré par la machine électrique, soit apte à démarrer la turbine. Une autre machine électrique peut connectée en sortie de l’onduleur et couplée mécaniquement à un turbomoteur d’un groupe auxiliaire groupe auxiliaire de puissance ou APU en référence à l’expression anglo-saxonne « Auxiliary Power Unit ». La machine électrique est apte à assurer le démarrage du turbomoteur. Le turbomoteur actionne un compresseur d'air pour fournir toute la puissance pneumatique nécessaire à l'avion. Il peut servir à démarrer les réacteurs ou les turbopropulseurs ou à assurer le conditionnement d'air de cabine. Au turbomoteur sont également attelés des génératrices ou plus souvent des alternateurs pour fournir de l'énergie électrique à bord de l'aéronef. Un système de contrôle d’environnement ou ECS en référence à l’expression anglo-saxonne « Environmental control System » peut aussi être relié en sortie de l’onduleur pour être alimenté par l’onduleur pendant le reste de la durée du vol.  The invention relates to an energy conversion system of the type comprising a plurality of loads which can comprise at least one electric machine and an inverter intended to convert an electrical energy received at its input from the converter into an electrical energy intended to supply alternately the different loads. An electric machine can be mechanically coupled to a main jet engine of the aircraft, so that the mechanical energy generated by the electric machine, for example the mechanical torque generated by the electric machine, is able to start the turbine. Another electric machine can be connected at the output of the inverter and mechanically coupled to a turbine engine of an auxiliary power unit or APU group with reference to the English expression "Auxiliary Power Unit". The electric machine is able to ensure the starting of the turbine engine. The turbine engine operates an air compressor to provide all the pneumatic power necessary for the aircraft. It can be used to start reactors or turboprop engines or to provide cabin air conditioning. Generators or more often alternators are also coupled to the turbine engine to supply electrical energy on board the aircraft. An environmental control system or ECS with reference to the English expression "Environmental control System" can also be connected at the output of the inverter to be supplied by the inverter for the remainder of the flight time.
Lors de la phase d’alimentation de l’ECS par l’onduleur, l’onduleur fonctionne en régime nominal. L’ECS prélève une puissance sensiblement fixe sur l’onduleur.  During the DHW supply phase from the inverter, the inverter operates in nominal mode. The DHW takes a substantially fixed power from the inverter.
Les phases de démarrage du turboréacteur principal et du turbomoteur de l’APU sont des phases momentanées, c'est-à-dire des phases transitoires, qui sont de faible durée typiquement inférieure à 60 secondes ou 120 secondes ou 150 secondes, lors desquelles l’onduleur fonctionne en régime transitoire. Ces phases transitoires peuvent être répétitives. Les turbines ou turbomoteurs peuvent subir plusieurs démarrages successifs. Lors de ces phases transitoires, la puissance prélevée sur l’onduleur est supérieure à la puissance prélevée sur l’onduleur en régime nominal. L’onduleur est en surcharge. The starting phases of the main turbojet engine and the APU turboshaft engine are momentary phases, that is to say transient phases, which are of short duration typically less than 60 seconds or 120 seconds or 150 seconds, during which the inverter works in transitional regime. These transient phases can be repetitive. Turbines or turboshaft engines can undergo several successive starts. During these transient phases, the power taken from the inverter is greater than the power taken from the inverter at nominal speed. The inverter is overloaded.
Le système à conversion d’énergie peut comprendre plusieurs onduleurs, reliés à une machine électrique ou à une charge, délivrant chacun en sortie une tension destinée à alimenter la charge. Les onduleurs sont aptes à alimenter simultanément la charge. Une étape de fonctionnement de l’onduleur en régime nominal peut être une étape lors de laquelle la charge est alimentée par l’ensemble des onduleurs. Une phase de régime transitoire peut être une étape lors de laquelle au moins un des onduleurs n’alimente pas la charge, par exemple en cas de panne de l’onduleur. Autrement dit, seulement un sous-ensemble des onduleurs alimente la charge.  The energy conversion system can include several inverters, connected to an electric machine or to a load, each outputting a voltage intended to supply the load. The inverters are able to supply the load simultaneously. A step of operating the inverter at nominal speed can be a step during which the load is supplied by all the inverters. A transient state phase can be a stage during which at least one of the inverters does not supply the load, for example in the event of a failure of the inverter. In other words, only a subset of the inverters supplies the load.
L’onduleur est du type comprenant des transistors de puissance à base de Carbure de Silicium ou de Silicium par exemple, du type transistor à effet de champ à grille isolée plus couramment nommé MOSFET (acronyme anglais de Métal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ou du type transistor bipolaire à grille isolée plus couramment nommé IGBT, de l’anglais « Insulated Gâte Bipolar Transistor ».  The inverter is of the type comprising power transistors based on Silicon Carbide or Silicon for example, of the insulated gate field effect transistor type more commonly called MOSFET (acronym acronym for Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) or type insulated gate bipolar transistor more commonly called IGBT, from the English “Insulated Gâte Bipolar Transistor”.
De tels systèmes à conversion d’énergie habituellement un système de refroidissement pour éviter des montées en température susceptibles de détériorer les transistors de puissance de l’onduleur ou d’accélerer leur vieillissement.  Such energy conversion systems usually have a cooling system to prevent temperature rises which could damage the power transistors of the inverter or accelerate their aging.
Les onduleurs sont habituellement dimensionnés pour fonctionner dans les 2 types de régime (transitoire et permanent). Le régime de surcharge (transitoire) occasionne un surdimensionnement du système de refroidissement de l’onduleur, ce qui se traduit par une masse et un volume plus importants. Cette solution est encombrante et lourde ce qui est très défavorable dans des environnements régis par des problématiques de réduction de masse et d’encombrement comme les véhicules de traction électriques tels que les véhicules automobiles, les véhicules ferroviaires ou les aéronefs.  The inverters are usually sized to operate in the 2 types of regime (transient and permanent). The (transient) overload regime causes the inverter cooling system to be oversized, which results in greater mass and volume. This solution is bulky and cumbersome, which is very unfavorable in environments governed by problems of reduction in mass and size such as electric traction vehicles such as motor vehicles, railway vehicles or aircraft.
En effet, il existe des systèmes de refroidissement comprenant des refroidisseurs sous forme de supports en aluminium à ailettes. De tels supports permettent, du fait de leur capacité thermique, de stocker l’énergie thermique dégagée par les composants électroniques du convertisseur. Un dissipateur peut être associé à un système de convection d’air, du type comprenant par exemple un ventilateur, assurant une circulation forcée de l’air au contact du dissipateur pour refroidir ce dernier. Indeed, there are cooling systems comprising coolers in the form of aluminum fins supports. Such supports allow, because of their thermal capacity, to store the thermal energy released by the electronic components of the converter. A dissipator can be associated with an air convection system, of the type comprising for example a fan, ensuring forced circulation of the air in contact with the dissipator to cool the latter.
En régime transitoire, la puissance prélevée sur l’onduleur étant plus importante qu’en régime nominal et le rendement de l’onduleur identique, l’énergie dégagée par les transistors de puissance sous forme de chaleur est plus importante. Afin de limiter les montées en température en régime transitoire, une solution consiste à surdimensionner le refroidisseur.  In transient mode, the power drawn from the inverter being greater than in nominal mode and the efficiency of the inverter identical, the energy released by the power transistors in the form of heat is greater. In order to limit the temperature rises in transient mode, one solution consists in oversizing the cooler.
La capacité thermique d’un support en un matériau donné dépend de sa masse. La capacité thermique s’exprime en Jkg 1K 1. La problématique du stockage du surplus d’énergie thermique dissipé par les transistors électroniques en régime transitoire est donc généralement résolue par l’augmentation de la masse et donc du volume du support pour augmenter la capacité calorifique (c'est-à-dire sa capacité thermique). The thermal capacity of a support made of a given material depends on its mass. The thermal capacity is expressed in Jkg 1 K 1 . The problem of storing the excess thermal energy dissipated by transistors in electronic transistors is therefore generally resolved by increasing the mass and therefore the volume of the support to increase the heat capacity (i.e. its capacity thermal).
Une autre solution pour assurer le refroidissement des transistors consiste à prévoir un système de refroidissement hydraulique du dissipateur, par une boucle à eau, ou des caloducs. Les solutions à boucle à eau posent un problème de masse et de coût. Elles impliquent la mise en place de montages coûteux pour éviter les fuites d’eau et des opérations ou de maintenance fréquentes ou des systèmes de maintenance sophistiqués, notamment pour assurer des purges.  Another solution for cooling the transistors is to provide a hydraulic cooling system for the dissipator, using a water loop, or heat pipes. Water loop solutions pose a problem of mass and cost. They involve the installation of expensive assemblies to avoid water leaks and frequent operations or maintenance or sophisticated maintenance systems, in particular to ensure purges.
Par ailleurs, ces solutions peuvent être contraignantes du point de vue architectural. Le refroidisseur doit être orienté suivant la gravité pour les caloducs. Une solution consiste à prévoir des systèmes à gravitation ou des microprentes pour s’affranchir des problèmes d’orientation mais ces systèmes posent des problèmes de fiabilité et de maintenance.  In addition, these solutions can be restrictive from an architectural point of view. The cooler must be oriented according to gravity for the heat pipes. One solution is to provide gravitation systems or microprents to overcome orientation problems, but these systems pose reliability and maintenance problems.
Un but de l’invention est de limiter au moins un des problèmes précités.An object of the invention is to limit at least one of the above problems.
A cet effet, l’invention a pour objet un système à conversion d’énergie comprenant un ensemble d’au moins une charge et un onduleur comprenant des transistors, l’onduleur étant destiné à convertir une tension continue en une tension alternative destinée à alimenter électriquement l’ensemble d’au moins une charge, l’onduleur étant apte à être dans un ensemble d’états comprenant un régime nominal et un régime transitoire dans lequel l’ensemble d’au moins une charge prélève, en sortie de l’onduleur, une puissance supérieure à une puissance maximale prédéterminée prélevée, en sortie de l’onduleur, lorsque l’onduleur est en régime nominal, le système à conversion d’énergie comprenant des moyens de refroidissement des transistors comprenant un support solidaire d’un ensemble d’au moins un des transistors de l’onduleur, le support comprenant un matériau à changement de phase apte à fondre, le système à conversion d’énergie étant configuré de sorte que, à une température ambiante prédéterminée, une fusion du matériau à changement de phase est provoquée lorsque l’onduleur est dans le régime transitoire et de sorte que, à la température ambiante prédéterminée, il n’y a pas de déclenchement de la fusion du matériau à changement de phase lorsque l’onduleur est dans le régime nominal. Autrement dit, en régime transitoire, l’ensemble d’au moins une charge prélève, en sortie de l’onduleur, une puissance supérieure à une puissance maximale prédéterminée. En régime nominal, l’ensemble d’au moins une charge, prélève une puissance inférieure ou égale à la puissance maximale prédéterminée en sortie de l’onduleur. To this end, the subject of the invention is an energy conversion system comprising a set of at least one load and an inverter comprising transistors, the inverter being intended to convert a DC voltage into an AC voltage intended to supply electrically the set of at least one load, the inverter being able to be in a set of states comprising a nominal speed and a transient speed in which the set of at least one load draws, at the output of the inverter, a power greater than a predetermined maximum power taken, at the output of the inverter, when the inverter is in nominal mode, the energy conversion system comprising means for cooling the transistors comprising a support integral with a set of at least one of the transistors of the inverter, the support comprising a phase change material capable of melting , the energy conversion system being configured so that, at a predetermined ambient temperature, a fusion of the phase change material is caused when the inverter is in the transient state and so that, at the predetermined ambient temperature, there is no triggering of the melting of the phase change material when the inverter is in the nominal mode. In other words, in transient mode, the assembly of at least one load draws, at the output of the inverter, a power greater than a predetermined maximum power. In nominal mode, the assembly of at least one load, draws a power less than or equal to the predetermined maximum power at the output of the inverter.
Avantageusement, le matériau à changement de phase présente une température de fusion supérieure à 70°C.  Advantageously, the phase change material has a melting temperature above 70 ° C.
Avantageusement, le matériau à changement de phase présente une température de fusion inférieure à 100°C ou à 120°C.  Advantageously, the phase change material has a melting temperature below 100 ° C or 120 ° C.
Avantageusement, la température ambiante est supérieure ou égale à 30°C.  Advantageously, the ambient temperature is greater than or equal to 30 ° C.
Avantageusement, l’onduleur est dans le régime transitoire pendant une durée maximale de 150 secondes.  Advantageously, the inverter is in the transient state for a maximum duration of 150 seconds.
Avantageusement, la puissance prélevée en sortie de l’onduleur en régime transitoire est supérieure à une puissance maximale autorisée, pouvant être prélevée en sortie de l’onduleur sur une durée de plus de 5 minutes sans détériorer les transistors.  Advantageously, the power taken from the output of the inverter in transient mode is greater than a maximum authorized power, which can be taken from the output of the inverter over a period of more than 5 minutes without damaging the transistors.
Avantageusement, le support comprend un boîtier renfermant le matériau à changement de phase de façon étanche.  Advantageously, the support comprises a housing enclosing the phase change material in a sealed manner.
Avantageusement, le boîtier est interposé entre l’ensemble d’au moins un des transistors de l’onduleur et un radiateur comprenant des ailettes en contact physique direct avec l’air environnant. Avantageusement, l’ensemble d’au moins un des transistors de l’onduleur et le boîtier sont empilés selon un axe d’empilement, l’ensemble d’au moins un des transistors de l’onduleur est délimité par une première face et une deuxième face selon la direction d’empilement, la première face étant en regard du boîtier et la deuxième face étant libre. Advantageously, the housing is interposed between the assembly of at least one of the transistors of the inverter and a radiator comprising fins in direct physical contact with the surrounding air. Advantageously, the assembly of at least one of the transistors of the inverter and the housing are stacked along a stacking axis, the assembly of at least one of the transistors of the inverter is delimited by a first face and a second face in the stacking direction, the first face facing the housing and the second face being free.
Avantageusement, le système comprend des moyens d’échange thermique pour favoriser un échange thermique entre le matériau à changement de phase et le boîtier. Advantageously, the system includes heat exchange means to promote heat exchange between the phase change material and the housing.
L’invention se rapporte aussi à un système selon l’invention. The invention also relates to a system according to the invention.
Dans un mode particulier de réalisation, l’ensemble d’au moins une charge comprend plusieurs charges comprenant un ensemble d’au moins une machine électrique couplée à une turbomachine de sorte à permettre de démarrer la turobmachine, le système à conversion d’énergie étant configuré de sorte que, à la température ambiante prédéterminée, une fusion du matériau à changement de phase est provoquée lorsqu’au moins une machine électrique de l’ensemble d’au moins une machine électrique démarre la turbomachine à laquelle elle est couplée. Il s’agit du régime transitoire. In a particular embodiment, the set of at least one load comprises several loads comprising a set of at least one electric machine coupled to a turbomachine so as to allow the turobmachine to be started, the energy conversion system being configured so that, at the predetermined ambient temperature, a fusion of the phase change material is caused when at least one electric machine of the set of at least one electric machine starts the turbomachine to which it is coupled. This is the transitional regime.
Avantageusement, le système comprend la turbomachine.  Advantageously, the system comprises the turbomachine.
Par exemple, l’ensemble d’au moins une charge comprend un ensemble d’au moins une machine électrique couplée à un turboréacteur principal d’un aéronef de sorte que la machine électrique soit apte à démarrer le turboréacteur principal auquel elle est couplée, et un ensemble d’au moins une machine électrique, dite auxiliaire, couplée à un turbomoteur d’un groupe auxiliaire de puissance de sorte que la machine électrique auxiliaire soit apte à démarrer le turbomoteur auquel elle est couplée, l’ensemble d’au moins une charge comprend également un système de contrôle d’environnement. Le système à conversion d’énergie étant configuré de sorte que, à la température ambiante prédéterminée, une fusion du matériau à changement de phase est provoquée lorsqu’au moins une machine électrique de l’ensemble d’au moins une machine électrique démarre le turboréacteur principal auquel elle est couplée et/ou lorsqu’au moins une machine électrique auxiliaire de l’ensemble d’au moins une machine électrique auxiliaire démarre le turbomoteur auquel elle est couplée. Il s’agit d’un régime transitoire. For example, the set of at least one load comprises a set of at least one electric machine coupled to a main turbojet of an aircraft so that the electric machine is able to start the main turbojet to which it is coupled, and an assembly of at least one electric machine, called an auxiliary machine, coupled to a turbine engine of an auxiliary power unit so that the auxiliary electric machine is able to start the turbine engine to which it is coupled, the assembly of at least one charge also includes an environmental control system. The energy conversion system being configured so that, at the predetermined ambient temperature, a fusion of the phase change material is caused when at least one electric machine of the set of at least one electric machine starts the turbojet main to which it is coupled and / or when at least one auxiliary electric machine of the set of at least one auxiliary electric machine starts the turbine engine to which it is coupled. It is a transitional regime.
Le système à conversion d’énergie est configuré de sorte que, à la température ambiante prédéterminée, le matériau à changement de phase reste à l’état liquide lorsque l’onduleur alimente uniquement le système de contrôle d’environnement. Il s’agit du régime The energy conversion system is configured so that, at the predetermined room temperature, the phase change material remains in the liquid state when the inverter feeds only the environment control system. This is the diet
Avantageusement, le système comprend chaque turboréacteur principal relié à une machine électrique du système ainsi que chaque turbomoteur du groupe auxiliaire couplé à une machine électrique auxiliaire du système, et éventuellement le groupe auxiliaire de puissance, ainsi que le système de contrôle de l’environnement.  Advantageously, the system comprises each main turbojet engine connected to an electrical machine of the system as well as each turboshaft engine of the auxiliary group coupled to an electrical machine auxiliary of the system, and optionally the auxiliary power unit, as well as the environmental control system.
Dans un autre mode de réalisation, le système comprend un ensemble d’onduleurs apte à alimenter un ensemble d’au moins une charge, le système à conversion d’énergie étant configuré de sorte que, à une température ambiante prédéterminée, une fusion du matériau à changement de phase est provoquée lorsqu’au moins un onduleur de l’ensemble d’onduleurs n’alimente pas l’ensemble d’au moins une charge alors que chaque charge de l’ensemble d’au moins une charge alimentée par l’ensemble d’onduleurs. Il s’agit du régime transitoire. Le système est également configuré de sorte que, à la température ambiante prédéterminée, le matériau à changement de phase reste à l’état liquide lorsque tous les onduleurs de l’ensemble d’onduleurs alimentent l’ensemble d’au moins une charge. Il s’agit du régime nominal. In another embodiment, the system comprises a set of inverters capable of supplying a set of at least one load, the energy conversion system being configured so that, at a predetermined ambient temperature, a melting of the material phase change is caused when at least one inverter in the set of inverters does not supply the set of at least one load while each load of the set of at least one load powered by the set of inverters. This is the transitional regime. The system is also configured so that, at the predetermined ambient temperature, the phase change material remains in the liquid state when all of the inverters in the inverter set supply the set with at least one load. This is the nominal speed.
L’invention se rapporte aussi à une utilisation du système selon l’invention. L’utilisation comprend la phase lors de laquelle l’onduleur est dans le régime nominal et une phase lors de laquelle l’onduleur est dans le régime transitoire, une fusion du matériau à changement de phase étant déclenchée lorsque le matériau à changement de phase est dans le régime transitoire. The invention also relates to a use of the system according to the invention. The use includes the phase during which the inverter is in nominal mode and a phase during which the inverter is in transient mode, a melting of the phase change material being triggered when the phase change material is in the transitional regime.
L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d’un mode de réalisation donné à titre d’exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : - La figure 1 représente un schéma électrique d’un exemple de système à conversion d’énergie selon l’invention, The invention will be better understood and other advantages will appear on reading the detailed description of an embodiment given by way of example, description illustrated by the attached drawing in which: FIG. 1 represents an electrical diagram of an example of an energy conversion system according to the invention,
- La figure 2 représente, en coupe, schématiquement un dispositif de conversion d’énergie comprenant un onduleur et un refroidisseur,  FIG. 2 schematically represents a section of an energy conversion device comprising an inverter and a cooler,
- La figure 3 représente, en perspective.  - Figure 3 shows, in perspective.
Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. For the sake of clarity, the same elements will have the same references in the different figures.
L’invention se rapporte à un système à conversion d’énergie 1 ou système à onduleur, du type comprenant, comme visible sur la figure 1 , un onduleur 3 relié à une source d’alimentation électrique 4. L’onduleur 3 alimenté, en entrée E, par une tension continue et délivre à sa sortie S, une tension alternative monophasée ou polyphasée (dans l’exemple de la figure 1 ). Le système à conversion d’énergie comprend un ensemble EC d’une ou plusieurs charges reliées en sortie de l’onduleur et destinées à être alimentées par l’onduleur 3. The invention relates to an energy conversion system 1 or inverter system, of the type comprising, as visible in FIG. 1, an inverter 3 connected to an electrical power source 4. The inverter 3 supplied, input E, by a direct voltage and delivers at its output S, a single-phase or polyphase alternating voltage (in the example of figure 1). The energy conversion system comprises an EC assembly of one or more loads connected at the output of the inverter and intended to be supplied by the inverter 3.
L’onduleur 3 est, par exemple, destiné à alimenter les différentes charges électriques simultanément ou, de préférence, alternativement.  The inverter 3 is, for example, intended to supply the different electrical loads simultaneously or, preferably, alternately.
Dans l’exemple non limitatif de la figure 1 , l’onduleur est relié à quatre charges.  In the nonlimiting example of FIG. 1, the inverter is connected to four loads.
Dans cet exemple, le système comprend deux machines électrique 2a et 2b, reliées en sortie de l’onduleur de sorte à pouvoir être alimentées électriquement par l’onduleur. Chacune de ces deux machines électriques 2a, 2b est couplée mécaniquement à un des turboréacteurs Ra, Rb principaux de l’aéronef de façon que chacune de ces deux machine électrique soit apte à démarrer le turboréacteur Ra ou Rb auquel elle est couplée, par exemple le couple mécanique généré par la machine électrique.  In this example, the system comprises two electrical machines 2a and 2b, connected at the output of the inverter so that they can be supplied electrically by the inverter. Each of these two electric machines 2a, 2b is mechanically coupled to one of the main jet engines Ra, Rb of the aircraft so that each of these two electric machines is capable of starting the turbojet engine Ra or Rb to which it is coupled, for example the mechanical torque generated by the electric machine.
Le système comprend également une autre machine électrique 20 reliée en sortie de l’onduleur pour pouvoir être alimentée par l’onduleur et couplée mécaniquement à un turbomoteur Rc d’un groupe auxiliaire de puissance ou APU, 300. La machine électrique 20 est apte à assurer le démarrage du turbomoteur Rc. Le système comprend aussi un système de contrôle d’environnement ou ECS, 200 relié en sortie de l’onduleur de sorte à pouvoir être alimenté électriquement par l’onduleur. The system also includes another electrical machine 20 connected at the output of the inverter so as to be able to be supplied by the inverter and mechanically coupled to an Rc turboshaft engine of an auxiliary power unit or APU, 300. The electrical machine 20 is suitable for start the Rc turboshaft engine. The system also includes an environment control system or DHW, 200 connected at the output of the inverter so that it can be supplied electrically by the inverter.
Les différentes charges sont reliées à l’onduleur par l’intermédiaire d’un dispositif de commutation 400 permettant de relier alternativement et/ou simultanément différentes charges à l’onduleur.  The different loads are connected to the inverter by means of a switching device 400 making it possible to connect alternately and / or simultaneously different loads to the inverter.
Lors de la phase d’alimentation de l’ECS par l’onduleur, 3 l’onduleur fonctionne en régime nominal. L’ECS prélève une puissance sensiblement fixe sur l’onduleur.  During the DHW supply phase from the inverter, 3 the inverter operates in nominal mode. The DHW takes a substantially fixed power from the inverter.
Les phases de démarrage du turboréacteur principal et du turbomoteur de l’APU sont des phases momentanées, c'est-à-dire des phases transitoires, qui sont de faible durée typiquement inférieure à 60 secondes ou 120 secondes ou 150 secondes, lors desquelles l’onduleur fonctionne en régime transitoire. Ces phases transitoires peuvent être répétitives. Les turbines ou turbomoteurs peuvent subir plusieurs démarrages successifs. Lors de ces phases transitoires, la puissance prélevée sur l’onduleur est supérieure à la puissance prélevée sur l’onduleur lorsque ce dernier est en régime nominal. L’onduleur est en surcharge, c'est-à-dire en régime transitoire.  The starting phases of the main turbojet engine and the APU turboshaft engine are momentary phases, that is to say transient phases, which are of short duration typically less than 60 seconds or 120 seconds or 150 seconds, during which the the inverter operates in transient mode. These transient phases can be repetitive. Turbines or turboshaft engines can undergo several successive starts. During these transient phases, the power taken from the inverter is greater than the power taken from the inverter when the latter is in nominal mode. The inverter is overloaded, that is to say in transient mode.
Les machines électriques 2a, 2b et 20 fonctionnent en mode moteur de façon transitoire. En effet, ces machines électriques servent uniquement à démarrer des turbines pendant des phases de démarrage de durée typiquement inférieure ou égale à 60 secondes.  The electric machines 2a, 2b and 20 operate in motor mode transiently. Indeed, these electric machines are used only to start turbines during starting phases of duration typically less than or equal to 60 seconds.
L’ECS représente une charge nominale pour l’onduleur. Il est destiné à prélever une puissance comprise dans un intervalle de puissance prédéterminé ou une puissance prédéterminée sensiblement fixe. Les machines électriques sont destinées à prélever une puissance supérieure aux puissances de l’intervalle ou à la puissance prédéterminée.  The DHW represents a nominal load for the inverter. It is intended to take a power included in a predetermined power interval or a predetermined substantially fixed power. Electric machines are intended to draw a power greater than the powers of the interval or the predetermined power.
En variante, le système comprend, par exemple, une seule charge reliée en sortie de l’onduleur et pouvant par exemple être destinée à fonctionner en régime transitoire.  As a variant, the system comprises, for example, a single load connected at the output of the inverter and which can for example be intended to operate in transient mode.
De façon générale, l’onduleur 3 du système à conversion d’énergie est apte à être dans un ensemble d’états. Cet ensemble d’états comprend au moins un régime nominal dans lequel une puissance nominale inférieure ou égale à une puissance nominale maximale prédéterminée est prélevée par l’ensemble d’au moins une charge EC. Cet ensemble d’états comprend également un régime transitoire dans lequel l’ensemble d’au moins une charge prélève, en sortie de l’onduleur, une puissance de régime transitoire supérieure à la puissance nominale maximale prédéterminée. Generally, the inverter 3 of the energy conversion system is able to be in a set of states. This set of states comprises at least one nominal regime in which a nominal power less than or equal to a predetermined maximum nominal power is taken by the set of at least one EC load. This set of states also includes a transient regime in which the set of at least one load draws, at the output of the inverter, a transient regime power greater than the predetermined maximum nominal power.
La puissance nominale maximale peut être nulle ou non nulle.  The maximum rated power can be zero or non-zero.
La durée d’une phase de fonctionnement de l’onduleur en régime transitoire est très inférieure à la durée d’une étape lors de laquelle est l’onduleur en régime nominal. Une étape de régime transitoire dure typiquement entre 10 secondes et 150 secondes.  The duration of a phase of operation of the inverter in transient mode is much less than the duration of a stage during which the inverter is in nominal mode. A transient regime stage typically lasts between 10 seconds and 150 seconds.
La puissance maximale prélevée en sortie de l’onduleur en régime transitoire est, par exemple, de 20% à 100% plus élevée que la puissance maximale prélevée en sortie de l’onduleur en régime nominal.  The maximum power taken from the inverter output in transient mode is, for example, from 20% to 100% higher than the maximum power taken from the inverter output in nominal mode.
Typiquement, l’ensemble EC d’au moins une charge prélève, en sortie de l’onduleur en régime transitoire, une puissance supérieure à une puissance maximale autorisée pouvant être prélevée en sortie de l’onduleur sur une durée d’au moins 5 minutes sans détériorer les transistors. Lorsqu’une telle puissance supérieure à cette puissance maximale autorisée est prélevée sur une longue durée d’au moins 5 minutes, en sortie de l’onduleur, la température de jonction des transistors dépasse une température de jonction maximale admissible par les transistors.  Typically, the set EC of at least one load draws, at the output of the inverter in transient mode, a power greater than a maximum authorized power that can be taken at the output of the inverter over a period of at least 5 minutes without damaging the transistors. When such a power greater than this maximum authorized power is taken over a long period of at least 5 minutes, at the output of the inverter, the junction temperature of the transistors exceeds a maximum junction temperature admissible by the transistors.
La puissance maximale prélevée en sortie de l’onduleur en régime nominal est inférieure à cette puissance maximale autorisée.  The maximum power drawn from the inverter at nominal speed is less than this maximum authorized power.
L’onduleur 3 comprend trois bras B1 , B2, B3 comprenant chacun deux transistors de puissance 30 montés en série entre une borne positive B+ et une borne négative B- du bus B de puissance véhiculant la tension délivrée par la source d’alimentation 4, soit un total de six transistors de puissance 30. L’onduleur peut comprendre d’autres éléments que les transistors.  The inverter 3 comprises three arms B1, B2, B3 each comprising two power transistors 30 connected in series between a positive terminal B + and a negative terminal B- of the power bus B carrying the voltage delivered by the power source 4, that is to say a total of six transistors of power 30. The inverter can include other elements than the transistors.
Le système à conversion d’énergie 1 comprend également des moyens de refroidissement aptes à refroidir les transistors 30 lorsque l’onduleur 3 convertit une tension continue en une tension alternative et alimente électriquement l’ensemble d’au moins une charge EC. Ces moyens de refroidissement comprennent un support mécanique 10 d’un dispositif de conversion 130 comprenant l’onduleur 3, comme visible sur la figure 2 représentant, en coupe, un exemple de dispositif de conversion 130. L’onduleur 3 est fixé sur le support mécanique 10, ou plus généralement, solidaire du support mécanique 10. The energy conversion system 1 also comprises cooling means capable of cooling the transistors 30 when the inverter 3 converts a direct voltage into an alternating voltage and supplies the assembly with at least one load EC. These cooling means comprise a mechanical support 10 of a conversion device 130 comprising the inverter 3, as visible in FIG. 2 showing, in section, an example of conversion device 130. The inverter 3 is fixed on the mechanical support 10, or more generally, secured to the mechanical support 10.
Afin de limiter l’augmentation de la température des transistors en régime transitoire tout en limitant la masse et l’encombrement du dispositif de conversion d’énergie, le support mécanique 10 comprend un matériau à changement de phase 5, ou MCP (aussi appelé PCM acronyme de l’expression anglo-saxonne « Phase Change Material »), comme représenté sur la figure 2.  In order to limit the increase in the temperature of transistors in transient regime while limiting the mass and size of the energy conversion device, the mechanical support 10 comprises a phase change material 5, or MCP (also called PCM acronym of the Anglo-Saxon expression "Phase Change Material"), as shown in Figure 2.
Le système à conversion d’énergie est configuré pour que, à une température ambiante prédéterminée, une fusion du matériau à changement de phase 5 est déclenchée lors d’au moins un régime transitoire, par exemple lors de chaque régime transitoire, sans être déclenchée lorsque l’onduleur est en régime nominal à cette température ambiante. La température ambiante est la température de l’air environnant le l’onduleur.  The energy conversion system is configured so that, at a predetermined ambient temperature, a fusion of the phase change material 5 is triggered during at least one transient regime, for example during each transient regime, without being triggered when the inverter is in nominal mode at this ambient temperature. The ambient temperature is the temperature of the air surrounding the inverter.
La température ambiante prédéterminée est de préférence supérieure ou égale à 30°C.  The predetermined ambient temperature is preferably greater than or equal to 30 ° C.
Il est à noter que le système selon l’invention est par exemple destiné à être utilisé à des températures ambiantes comprises entre -40°C et 70°C. C’est par exemple le cas des systèmes à conversion d’énergie pour aéronef.  It should be noted that the system according to the invention is for example intended to be used at ambient temperatures between -40 ° C and 70 ° C. This is the case, for example, with energy conversion systems for aircraft.
Dans un mode de réalisation avantageux, la température ambiante prédéterminée est supérieure à la température ambiante maximale dans lequel va être utilisé l’onduleur. Cela permet d’éviter toute fusion intempestive hors du régime transitoire.  In an advantageous embodiment, the predetermined ambient temperature is higher than the maximum ambient temperature in which the inverter will be used. This avoids any untimely merger outside the transitional regime.
Autrement dit, l’invention consiste à réaliser un support 10 comprenant un matériau à changement de phase 5 stockant un surplus de chaleur dégagé par les transistors en régime transitoire. Ce surplus de chaleur est absorbé par un changement de phase du matériau à changement de phase MCP, c'est-à-dire en utilisant la chaleur latente de changement de phase du MCP. Ainsi le matériau à changement de phase est à l’état solide, à cette température ambiante, tant que l’onduleur est en régime nominal ou avant la mise sous tension de l’onduleur et sa fusion est déclenchée uniquement lorsque l’onduleur est en régime transitoire (à cette température ambiante). Cela permet de limiter l’augmentation en énergie des transistors et d’éviter le dépassement de leur température maximale de fonctionnement pendant le régime transitoire. Le matériau à changement de phase fusionne à une température sensiblement fixe en accumulant de la chaleur. Cela permet de réguler et de maîtriser la température des transistors pour une énergie prédéterminée dissipée pendant le régime transitoire. In other words, the invention consists in producing a support 10 comprising a phase change material 5 storing a surplus of heat released by the transistors in transient state. This excess heat is absorbed by a phase change of the MCP phase change material, i.e. using the latent phase change heat of the MCP. Thus the phase change material is in the solid state, at this ambient temperature, as long as the inverter is in nominal mode or before the inverter is powered up and its melting is triggered only when the inverter is in transient regime (at this room temperature). This makes it possible to limit the increase in energy of the transistors and to avoid exceeding their maximum operating temperature during the transient state. The phase change material fuses at a substantially fixed temperature by accumulating heat. This makes it possible to regulate and control the temperature of the transistors for a predetermined energy dissipated during the transient regime.
L’énergie nécessaire pour la fusion d’un matériau à changement de phase est nettement plus importante que l’énergie nécessaire pour augmenter sa température tout en restant à l’état solide.  The energy required to melt a phase change material is significantly greater than the energy required to increase its temperature while remaining in the solid state.
Ainsi, la solution proposée permet de dissiper un surplus de chaleur dissipé en régime transitoire tout en limitant la montée en température des transistors et en limitant l’augmentation de masse du support. Par ailleurs cette solution est simple à mettre en oeuvre et peu sensible au sens dans lequel on dispose le support (horizontal ou vertical). Ceci limite ainsi fortement les contraintes liées à l’architecture de refroidissement.  Thus, the proposed solution makes it possible to dissipate a surplus of heat dissipated in transient mode while limiting the rise in temperature of the transistors and limiting the increase in mass of the support. Furthermore, this solution is simple to implement and not very sensitive to the direction in which the support is arranged (horizontal or vertical). This greatly limits the constraints linked to the cooling architecture.
Avantageusement, le système est configuré pour que, lorsque l’onduleur est dans un régime nominal consécutif à un régime transitoire au cours duquel la fusion a été déclenchée, à la température ambiante prédéterminée, la température du matériau à changement de phase diminue ce qui peut déclencher sa solidification si l’onduleur est suffisamment longtemps dans le régime nominal pour que la température du matériau à changement de phase descende jusqu’à sa température de solidification.  Advantageously, the system is configured so that, when the inverter is in a nominal regime consecutive to a transient regime during which the melting has been initiated, at the predetermined ambient temperature, the temperature of the phase change material decreases which can trigger its solidification if the inverter is long enough in nominal mode for the temperature of the phase change material to drop to its solidification temperature.
Avantageusement, la température de fusion du MCP est inférieure à la température de fonctionnement maximale des transistors, c'est-à-dire à une température de jonction maximale des transistors au-delà de laquelle les transistors sont détériorés.  Advantageously, the melting temperature of the MCP is lower than the maximum operating temperature of the transistors, that is to say at a maximum junction temperature of the transistors above which the transistors are deteriorated.
Avantageusement, la température de fusion du MCP est inférieure à 100°C ou à 120° de façon à garantir une température de jonction de transistors inférieure à la température limite de jonction des transistors.  Advantageously, the melting temperature of the MCP is less than 100 ° C. or 120 ° so as to guarantee a junction temperature of transistors below the limit junction temperature of the transistors.
Avantageusement, la température de fusion du MCP est supérieure à la température maximale du support, lors du régime nominal à la température ambiante prédéterminée, afin d’éviter toute fusion intempestive du MCP en régime nominal à cette température ambiante.  Advantageously, the melting temperature of the MCP is higher than the maximum temperature of the support, during the nominal regime at the predetermined ambient temperature, in order to avoid any untimely melting of the MCP in nominal regime at this ambient temperature.
Avantageusement, la température de fusion du MCP est supérieure à 70°C ou 75°C. Le choix de cette température de fusion permet de proposer un dispositif compatible avec les applications aéronautiques, notamment l’alimentation des moteurs destinés à actionner les réacteurs d’un aéronef, dans des pays tempérés où la température ambiante est inférieure à 35°C. Le matériau à changement de phase peut être à base d’un matériau du type organique ou inorganique. Il peut être à base de paraffine, par exemple de paraffine solide, et/ou d’ au moins une huile végétale telle que l’huile de coco, l’huile de colza, l’huile de palme ou l’huile de palmiste et/ou d’au moins une graisse et/ou de potassium. Advantageously, the melting temperature of the MCP is greater than 70 ° C or 75 ° C. The choice of this melting temperature makes it possible to propose a device compatible with aeronautical applications, in particular the supply of engines intended to actuate the reactors of an aircraft, in temperate countries where the ambient temperature is below 35 ° C. The phase change material may be based on a material of the organic or inorganic type. It can be based on paraffin, for example solid paraffin, and / or at least one vegetable oil such as coconut oil, rapeseed oil, palm oil or palm kernel oil and / or at least one fat and / or potassium.
Le matériau à changement de phase peut, par exemple, être du Magnésium chlorure hexa hydraté (MgCI2.6H20). Sa température de fusion est 1 17°C et il peut absorber une énergie de 165000 J / Kg. Sa densité est de 1.57 g/cm3 nettement moins importante que l’aluminium (2.7 g/cm3). La capacité calorifique de l’aluminium pour une élévation de 1 °C est de 897 J / Kg. L’aluminium est donc plus lourd avec une capacité d’absorption d’énergie bien moindre que le MCP.  The phase change material may, for example, be Magnesium chloride hexa hydrate (MgCI2.6H20). Its melting temperature is 1 17 ° C and it can absorb an energy of 165,000 J / Kg. Its density is 1.57 g / cm3 significantly less than aluminum (2.7 g / cm3). The heat capacity of aluminum for a rise of 1 ° C is 897 J / Kg. Aluminum is therefore heavier with a much lower energy absorption capacity than MCP.
La température de fusion du potassium est de 63,5°C. Une paraffine présente une formule brute du type CnH2n+2 où la valeur de n se situe entre 18 et 32, celle de la masse molaire se situe entre 275 et 600 g/mol. Le matériau à changement de phase peut, par exemple, comprendre au moins une paraffine dont n est compris entre 20 et 40. Ce type de paraffine présente une température de fusion comprise entre 50 °C et 62 °C. La température de fusion des matériaux à changement de phase est liée au nombre de carbone de la chaîne hydrocarbonée. On peut choisir le matériau (nombre de carbones) en fonction de la température de fusion souhaitée. Le matériau comprend par exemple une paraffine solide dont le numéro CAS est 8002-74-2 ou dont le numéro EINECS est -315-6. The potassium melting temperature is 63.5 ° C. A paraffin has a crude formula of the type C n H2 n + 2 where the value of n is between 18 and 32, that of the molar mass is between 275 and 600 g / mol. The phase change material may, for example, comprise at least one paraffin of which n is between 20 and 40. This type of paraffin has a melting temperature between 50 ° C and 62 ° C. The melting temperature of phase change materials is related to the number of carbon in the hydrocarbon chain. You can choose the material (number of carbons) depending on the desired melting temperature. The material comprises for example a solid paraffin whose CAS number is 8002-74-2 or whose EINECS number is -315-6.
Le matériau à changement de phase 5 présente une température de changement de phase prédéterminée. A cet effet, ce matériau peut être obtenu par hydrogénation d’un matériau à la base duquel il est réalisé et/ou comprendre un antioxydant de façon à obtenir une température de fusion souhaitée. De façon générale, plus le nombre de liaisons entre molécules ou atomes est important et plus la température de changement de phase sera élevée.  The phase change material 5 has a predetermined phase change temperature. To this end, this material can be obtained by hydrogenation of a material on the basis of which it is made and / or comprise an antioxidant so as to obtain a desired melting temperature. In general, the greater the number of bonds between molecules or atoms, the higher the phase change temperature.
Le matériau à changement de phase peut comprendre un additif de sorte obtenir la bonne température de fusion.  The phase change material may include an additive so as to obtain the correct melting temperature.
Comme visible sur la figure 3, le support 10 comprend au moins un boîtier 11 renfermant le matériau à changement de phase 5 de façon étanche afin d’empêcher le matériau de sortir du boîtier dans le premier et dans le deuxième état. Le boîtier 1 1 est réalisé dans un matériau à l’état solide en régime nominal et transitoire. Ce matériau présente avantageusement une température de fusion supérieure à la maximale de jonction des transistors. As visible in FIG. 3, the support 10 comprises at least one housing 11 enclosing the phase change material 5 in leaktight manner in order to prevent the material from leaving the housing in the first and in the second state. The housing 1 1 is made of a material in the solid state in nominal and transient conditions. This material advantageously has a melting temperature above the maximum junction of the transistors.
Le boîtier 1 1 est, par exemple, métallique. Il est par exemple réalisé en Aluminium présentant une bonne capacité thermique et léger, ou en Cuivre. En variante, le boîtier est en graphite.  The housing 1 1 is, for example, metallic. It is for example made of Aluminum with good thermal and light capacity, or Copper. Alternatively, the housing is made of graphite.
Dans l’exemple des figures 2 et 3, le boîtier 1 1 comprend des parois 12 13, 14, 15, 16, pas toutes visibles sur ces figures. Ces parois délimitent intérieurement de façon étanche une cavité 20. Ces parois sont en un premier matériau.  In the example of Figures 2 and 3, the housing 1 1 includes walls 12 13, 14, 15, 16, not all visible in these figures. These walls internally delimit a cavity 20. These walls are made of a first material.
Dans l’exemple des figures, le boîtier 1 1 délimite une cavité 20 sensiblement parallélépipédique. Il comprend deux plus grandes parois 12, In the example of the figures, the housing 1 1 delimits a cavity 20 substantially parallelepiped. It includes two larger walls 12,
13 sous formes de plaques planes sensiblement rectangulaires et parallèles reliées entre elles par des parois latérales comprenant quatre parois latérales13 in the form of substantially rectangular and parallel flat plates connected to one another by side walls comprising four side walls
14 à 16, pas toutes visibles, sous formes de plaques planes sensiblement rectangulaires, perpendiculaires aux deux grandes parois 12, 13 et parallèles deux à deux. 14 to 16, not all visible, in the form of substantially rectangular flat plates, perpendicular to the two large walls 12, 13 and parallel in pairs.
Le matériau à changement de phase 5 est inséré dans la cavité 20 comme représenté en coupe sur la figure 2.  The phase change material 5 is inserted into the cavity 20 as shown in section in FIG. 2.
Un des points faibles des matériaux à changement de phase est leur faible conductivité thermique. L’aluminium présente, par exemple, une conductivité thermique de 160 W-rrf1-K_1 alors qu’un matériau à changement de phase présente une conductivité thermique de l’ordre de 0.3 W-rrf1-K_1 One of the weak points of phase change materials is their low thermal conductivity. Aluminum has, for example, a thermal conductivity of 160 W-rrf 1 -K _1 while a phase change material has a thermal conductivity of about 0.3 W-rrf 1 -K _1
Avantageusement, le support 10 comprend des moyens d’échange thermique 31 , ou une structure interne d’échange thermique, pour favoriser un échange thermique entre le matériau à changement de phase et le boîtier 11. Cela permet de garantir une transmission de la chaleur vers la partie du matériau à changement de phase la plus éloignée des parois du boîtier et donc de maximiser la proportion du matériau à changement de phase qui va réellement changer de phase pour limiter au maximum la montée en température. Advantageously, the support 10 comprises heat exchange means 31, or an internal heat exchange structure, to promote heat exchange between the phase change material and the housing 11. This makes it possible to guarantee transmission of heat to the part of the phase change material furthest from the walls of the housing and therefore to maximize the proportion of the phase change material that will actually change phase to limit the rise in temperature as much as possible.
Ces moyens d’échange thermique 31 présentant une conductivité thermique plus élevée que le matériau à changement de phase 5, sont disposés dans la cavité 20 et sont en en contact physique direct avec le boîtier 1 1 afin de favoriser les échanges thermiques entre le boîtier 1 1 et le matériau à changement de phase. Cela permet d’augmenter la surface de contact entre le boîtier 1 1 et le matériau à changement de phase 5. These heat exchange means 31 having a higher thermal conductivity than the phase change material 5, are arranged in the cavity 20 and are in direct physical contact with the housing 1 1 in order to promote heat exchanges between housing 1 1 and the phase change material. This makes it possible to increase the contact surface between the housing 1 1 and the phase change material 5.
Ainsi, la cavité 20 comprend une partie occupée par les moyens d’échange thermique 32 et un volume dans lequel est disposé le matériau à changement de phase. Les moyens d’échange thermique sont noyés dans le matériau à changement de phase disposé dans la cavité.  Thus, the cavity 20 comprises a part occupied by the heat exchange means 32 and a volume in which the phase change material is placed. The heat exchange means are embedded in the phase change material placed in the cavity.
Le matériau à changement de phase 5 est avantageusement en contact physique avec les moyens d’échange thermique 32 de façon à favoriser les échanges thermiques entre les transistors et le matériau à changement de phase 5. Avantageusement, ce contact physique est direct.  The phase change material 5 is advantageously in physical contact with the heat exchange means 32 so as to promote heat exchanges between the transistors and the phase change material 5. Advantageously, this physical contact is direct.
Les moyens d’échange thermique 31 comprennent, dans l’exemple des figures, des ailettes 31 en saillie sur au moins une des deux plus grandes parois 12, 13 du boîtier. Ces ailettes 31 sont disposées dans la cavité 20.  The heat exchange means 31 comprise, in the example of the figures, fins 31 projecting from at least one of the two largest walls 12, 13 of the housing. These fins 31 are arranged in the cavity 20.
De façon plus générale, le boîtier 1 1 comprend des ailettes 31 en saillie, dans la cavité 20, sur au moins une des parois du boîtier délimitant la cavité 20.  More generally, the housing 1 1 comprises fins 31 projecting into the cavity 20 on at least one of the walls of the housing delimiting the cavity 20.
Chaque ailette 31 peut être monobloc avec la paroi sur laquelle elle est en saillie ou bien être fixée à cette paroi.  Each fin 31 can be in one piece with the wall on which it projects or else be fixed to this wall.
Dans la réalisation non limitative des figures, les ailettes 31 sont, de forme globalement parallélépipédique. Ces ailettes sont réalisées sous forme de plaques sensiblement planes.  In the nonlimiting embodiment of the figures, the fins 31 are, of generally parallelepiped shape. These fins are produced in the form of substantially flat plates.
Ces ailettes peuvent être monobloc avec au moins une des deux grandes parois 12, 13. Les moyens d’échange thermique peuvent en variante ou en sus, comprendre une tôle pliée de sorte à former des ailettes, la tôle étant fixée sur grande paroi du boîtier.  These fins can be in one piece with at least one of the two large walls 12, 13. The heat exchange means can alternatively or in addition, comprise a sheet folded so as to form fins, the sheet being fixed to the large wall of the housing. .
En variante et/ou en plus des ailettes 31 , les moyens d’échange thermique peuvent comprendre une structure poreuse en matériau présentant une conductivité thermique plus élevée que le matériau à changement de phase comprenant des pores recevant du matériau à changement de phase et/ou une pelote d’un matériau présentant une conductivité thermique plus élevée que le matériau à changement de phase.  As a variant and / or in addition to the fins 31, the heat exchange means may comprise a porous structure of material having a higher thermal conductivity than the phase change material comprising pores receiving phase change material and / or a ball of a material having a higher thermal conductivity than the phase change material.
Par pelote d’au matériau, on entend un enroulement d’un fil du matériau. Par structure poreuse, on entend un matériau poreux comprenant des pores agencés de façon désordonnée. By ball of material means a winding of a wire of the material. By porous structure is meant a porous material comprising pores arranged in a disorderly manner.
Les pores présentent typiquement une taille comprise entre 2 et 5 mm. Le matériau poreux présente typiquement une porosité comprise entre 60 et 70% du volume du matériau poreux.  The pores typically have a size between 2 and 5 mm. The porous material typically has a porosity of between 60 and 70% of the volume of the porous material.
Les moyens d’échange thermique 31 peuvent être réalisés dans le même matériau que le boîtier 1 1. En variante, les moyens d’échange thermique 31 comprennent au moins un autre matériau présentant une conductivité thermique plus importante que le matériau à changement de phase 5 comme, par exemple, le cuivre ou le graphite.  The heat exchange means 31 can be made of the same material as the housing 1 1. As a variant, the heat exchange means 31 comprise at least one other material having a higher thermal conductivity than the phase change material 5 such as, for example, copper or graphite.
Tout comme les ailettes, chacun des moyens d’échange thermique peut être fixé au boîtier ou monobloc avec le boîtier.  Like the fins, each of the heat exchange means can be fixed to the housing or integral with the housing.
Le dispositif de conversion d’énergie comprend des transistors fixés au support 10, et plus précisément au boîtier 1 1 , par des moyens de fixation. Le boîtier peut comprendre, comme visible sur la figure 2, des excroissances 40 en saillie sur au moins une des plus grande faces 12, 13 délimitant un trou recevant les moyens de fixation 140. Lorsque le support 10 comprend des ailettes, ces ailettes s’ajoutent aux excroissances 40, lorsque ces dernières sont présentes.  The energy conversion device comprises transistors fixed to the support 10, and more precisely to the housing 11, by fixing means. The housing may comprise, as visible in FIG. 2, protrusions 40 projecting from at least one of the largest faces 12, 13 delimiting a hole receiving the fixing means 140. When the support 10 comprises fins, these fins add to the growths 40, when the latter are present.
Comme visible sur les figures 2 et 3, le dispositif de conversion d’énergie 130 peut comprendre, mais ce n’est pas obligatoire, un radiateur 50 faisant partie des moyens de refroidissement. Le radiateur 50 comprend des ailettes du radiateur 32 en contact physique direct avec l’air 70 environnant. Le boîtier 1 1 est interposé entre le radiateur 50 et les transistors 30 ou l’onduleur 3. La solution proposée permet de limiter la taille du radiateur et permet de limiter le besoin de recourir à une solution de refroidissement à caloduc ou à boucle à eau et donc de s’affranchir de leurs inconvénients respectifs. Les moyens de refroidissement peuvent comprendre des moyens pour assurer une circulation forcée de l’air 70, comme par exemple, un ventilateur.  As shown in Figures 2 and 3, the energy conversion device 130 may include, but is not mandatory, a radiator 50 forming part of the cooling means. The radiator 50 includes fins of the radiator 32 in direct physical contact with the surrounding air 70. The housing 1 1 is interposed between the radiator 50 and the transistors 30 or the inverter 3. The proposed solution makes it possible to limit the size of the radiator and makes it possible to limit the need to resort to a cooling solution with heat pipe or water loop and therefore to overcome their respective disadvantages. The cooling means may include means for ensuring forced circulation of air 70, such as, for example, a fan.
De préférence, le support 11 et l’onduleur 3 sont empilés selon un axe d’empilement z. Le support 1 1 est interposé entre l’onduleur 3 et le radiateur 32 selon l’axe d’empilement z.  Preferably, the support 11 and the inverter 3 are stacked along a stacking axis z. The support 1 1 is interposed between the inverter 3 and the radiator 32 along the stacking axis z.
Avantageusement, l’onduleur 3, au moins un transistor de l’onduleur ou au moins un bras de l’onduleur, est délimité par deux surfaces S1 et S2 espacées selon l’axe x. Ces deux surfaces S1 et S2 comprennent une première surface S1 en regard du boîtier 1 1 et une deuxième surface S2 libre. Cette configuration est adaptée à des onduleurs et/ou transistors classiques de type COTS en référence à l’expression anglo-saxonne Commercial Off-The-Shelf compatibles avec un dispositif de refroidissement disposé en regard d’une seule des faces délimitant le transistor ou l’onduleur selon l’axe d’empilement et étant classiquement à base de Cuivre ou d’AISiC. Advantageously, the inverter 3, at least one transistor of the inverter or at least one arm of the inverter, is delimited by two surfaces S1 and S2 spaced along the x axis. These two surfaces S1 and S2 include a first surface S1 facing the housing 11 and a second free surface S2. This configuration is suitable for conventional inverters and / or transistors of the COTS type with reference to the Anglo-Saxon expression Commercial Off-The-Shelf compatible with a cooling device placed facing only one of the faces delimiting the transistor or the 'inverter along the stacking axis and being conventionally based on Copper or AISiC.
Avantageusement, le boîtier 1 1 s’étend sur la totalité de la première surface S1. Cette première surface S1 délimite, par exemple, l’onduleur 3 ou un seul bras B1 ou B2 de l’onduleur 3 ou un seul transistor 30 de l’ensemble de transistors de l’onduleur 3.  Advantageously, the housing 11 extends over the entire first surface S1. This first surface S1 delimits, for example, the inverter 3 or a single arm B1 or B2 of the inverter 3 or a single transistor 30 of the set of transistors of the inverter 3.
Dans l’exemple des figures, l’onduleur 3 est fixé au support mécanique. De façon plus large, le système à conversion d’énergie comprend au moins un dispositif de conversion comprenant au moins un transistor de l’onduleur et un support mécanique comprenant un matériau à changement de phase tel que décrit précédemment. In the example of the figures, the inverter 3 is fixed to the mechanical support. More broadly, the energy conversion system comprises at least one conversion device comprising at least one transistor of the inverter and a mechanical support comprising a phase change material as described above.
L’invention présente également l’avantage d’être modulaire.  The invention also has the advantage of being modular.
L’invention se rapporte également à un véhicule, par exemple un aéronef, comprenant un système à conversion d’énergie selon l’invention.  The invention also relates to a vehicle, for example an aircraft, comprising an energy conversion system according to the invention.
L’invention se rapporte également à un procédé d’utilisation du système à conversion d’énergie selon l’invention. The invention also relates to a method of using the energy conversion system according to the invention.
Le procédé comprend :  The process includes:
- une première étape lors de laquelle l’onduleur fonctionne en régime transitoire,  - a first step during which the inverter operates in transient mode,
- et éventuellement une deuxième étape lors de laquelle l’onduleur est en régime nominal.  - and possibly a second step during which the inverter is in nominal mode.
La fusion du matériau à changement de phase est déclenchée lorsque le matériau à changement de phase est dans le régime transitoire. The melting of the phase change material is triggered when the phase change material is in the transient state.
La fusion du matériau à changement de phase n’est pas déclenchée lors de la deuxième étape. Un régime transitoire déclenchant la fusion du matériau à changement de phase peut être une phase de démarrage d’un moteur, par exemple une turbine, au moyen d’une machine électrique alimentée par l’onduleur. The melting of the phase change material is not triggered during the second step. A transient regime triggering the melting of the phase change material can be a starting phase of an engine, for example a turbine, by means of an electric machine powered by the inverter.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système à conversion d’énergie (1 ) comprenant un ensemble d’au moins une charge (2a, 2b, 20) et un onduleur (3) comprenant des transistors (30), l’onduleur (3) étant destiné à convertir une tension continue en une tension alternative destinée à alimenter électriquement l’ensemble d’au moins une charge (2a, 2b, 20), l’onduleur (3) étant apte à être dans un ensemble d’états comprenant un régime nominal et un régime transitoire, l’ensemble d’au moins une charge (2a, 2b, 20) prélevant, en régime transitoire en sortie de l’onduleur (3), une puissance supérieure à une puissance maximale prédéterminée, l’ensemble d’au moins une charge prélevant, en sortie de l’onduleur (3) en régime nominal, une puissance inférieure ou égale à la puissance maximale prédéterminée, le système à conversion d’énergie (1 ) comprenant des moyens de refroidissement des transistors comprenant un support (10) solidaire d’un ensemble d’au moins un des transistors de l’onduleur (3), le support (10) comprenant un matériau à changement de phase (5), le système à conversion d’énergie (1 ) étant configuré de sorte que, à une température ambiante prédéterminée, une fusion du matériau à changement de phase (5) est provoquée lorsque l’onduleur (3) est dans le régime transitoire et de sorte que, à la température ambiante prédéterminée, il n’y a pas de déclenchement de la fusion du matériau à changement de phase (5) lorsque l’onduleur est dans le régime nominal, le support (10) comprenant un boîtier (1 1 ) renfermant le matériau à changement de phase (5) de façon étanche, le boîtier (1 1 ) étant interposé entre l’ensemble d’au moins un des transistors de l’onduleur et un radiateur (50) comprenant des ailettes (32) en contact physique direct avec l’air environnant. 1. Energy conversion system (1) comprising an assembly of at least one load (2a, 2b, 20) and an inverter (3) comprising transistors (30), the inverter (3) being intended to convert a DC voltage into an AC voltage intended to electrically supply the assembly of at least one load (2a, 2b, 20), the inverter (3) being able to be in a set of states comprising a nominal speed and a transient mode, the assembly of at least one load (2a, 2b, 20) taking, in transient mode at the output of the inverter (3), a power greater than a predetermined maximum power, the assembly of at least a load taking, at the output of the inverter (3) at nominal speed, a power less than or equal to the predetermined maximum power, the energy conversion system (1) comprising means for cooling the transistors comprising a support (10 ) attached to a set of at least one of transistors of the inverter (3), the support (10) comprising a phase change material (5), the energy conversion system (1) being configured so that, at a predetermined ambient temperature, a fusion of the phase change material (5) is caused when the inverter (3) is in the transient state and so that, at the predetermined ambient temperature, there is no triggering of the melting of the phase change material (5) when the inverter is in nominal mode, the support (10) comprising a housing (1 1) enclosing the phase change material (5) in a sealed manner, the housing (1 1) being interposed between the assembly of at least one of the transistors of the inverter and a radiator (50) comprising fins (32) in direct physical contact with the surrounding air.
2. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau à changement de phase (5) présente une température de fusion supérieure à 70°C. 2. System according to any one of the preceding claims, in which the phase change material (5) has a melting temperature above 70 ° C.
3. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau à changement de phase (5) présente une température de fusion inférieure à 100°C ou à 120°C. 3. System according to any one of the preceding claims, in which the phase change material (5) has a melting temperature below 100 ° C or 120 ° C.
4. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la température ambiante est supérieure ou égale à 30°C. 4. System according to any one of the preceding claims, in which the ambient temperature is greater than or equal to 30 ° C.
5. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’onduleur (3) est dans le régime transitoire pendant une durée maximale de 150 secondes. 5. System according to any one of the preceding claims, in which the inverter (3) is in the transient state for a maximum duration of 150 seconds.
6. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la puissance prélevée en sortie de l’onduleur (3) en régime transitoire est supérieure à une puissance maximale autorisée, pouvant être prélevée en sortie de l’onduleur (3) sur une durée de plus de 5 minutes sans détériorer les transistors. 6. System according to any one of the preceding claims, in which the power taken from the output of the inverter (3) in transient state is greater than a maximum authorized power, which can be taken from the output of the inverter (3) on a duration of more than 5 minutes without damaging the transistors.
7. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’ensemble d’au moins un des transistors de l’onduleur et le boîtier (1 1 ) sont empilés selon un axe d’empilement (z), l’ensemble d’au moins un des transistors de l’onduleur est délimité par une première face (S1 ) et une deuxième face (S2) selon la direction d’empilement (z), la première face (S1 ) étant en regard du boîtier (1 1 ) et la deuxième face (S2) étant libre. 7. System according to any one of the preceding claims, in which the assembly of at least one of the transistors of the inverter and the housing (1 1) are stacked along a stacking axis (z), the assembly at least one of the transistors of the inverter is delimited by a first face (S1) and a second face (S2) in the stacking direction (z), the first face (S1) being opposite the housing (1 1) and the second face (S2) being free.
8. Système selon la revendication précédente, comprenant des moyens d’échange thermique pour favoriser un échange thermique entre le matériau à changement de phase et le boîtier. 8. System according to the preceding claim, comprising heat exchange means to promote heat exchange between the phase change material and the housing.
9. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’ensemble d’au moins une charge comprend plusieurs charges comprenant un ensemble d’au moins une machine électrique couplée à une turbomachine de sorte à permettre de démarrer la turobmachine, le système à conversion d’énergie étant configuré de sorte que, à la température ambiante prédéterminée, une fusion du matériau à changement de phase est provoquée lorsqu’au moins une machine électrique de l’ensemble d’au moins une machine électrique démarre la turbomachine à laquelle elle est couplée. 9. System according to any one of the preceding claims, in which the assembly of at least one load comprises several loads comprising a set of at least one electric machine coupled to a turbomachine so as to allow the turobmachine to be started, the an energy conversion system being configured so that, at the predetermined ambient temperature, a fusion of the phase change material is caused when at least one electric machine of the set of at least one electric machine starts the turbomachine to which it is coupled.
10. Système selon la revendication précédente, dans lequel l’ensemble d’au moins une charge comprend un ensemble d’au moins une machine électrique couplée à un turboréacteur principal d’un aéronef de sorte que la machine électrique soit apte à démarrer le turboréacteur principal auquel elle est couplée, et un ensemble d’au moins une machine électrique, dite auxiliaire, couplée à un turbomoteur d’un groupe auxiliaire de puissance de sorte que la machine électrique auxiliaire soit apte à démarrer le turbomoteur auquel elle est couplée et un système de contrôle d’environnement, le système à conversion d’énergie étant configuré de sorte que, à la température ambiante prédéterminée, une fusion du matériau à changement de phase est provoquée lorsqu’au moins une machine électrique de l’ensemble d’au moins une machine électrique démarre le turboréacteur auquel elle est couplé et/ou lorsqu’au moins une machine auxiliaire de l’ensemble d’au moins une machine électrique auxiliaire démarre le turbomoteur auquel elle est couplé, le système à conversion d’énergie étant configuré de sorte que, à la température ambiante prédéterminée, le matériau à changement de phase reste à l’état liquide lorsque l’onduleur alimente uniquement le système de contrôle d’environnement. 10. System according to the preceding claim, wherein the set of at least one load comprises a set of at least one electric machine coupled to a main turbojet of an aircraft so that the electric machine is able to start the turbojet main to which it is coupled, and a set of at least one electric machine, called auxiliary, coupled to a turbine engine of an auxiliary power unit so that the auxiliary electric machine is able to start the turbine engine to which it is coupled and a environmental control system, the energy conversion system being configured so that, at the predetermined ambient temperature, melting of the phase change material is caused when at least one electric machine of the at least one at least one electric machine starts the turbojet engine to which it is coupled and / or when at least one auxiliary machine of the ens fitted with at least one auxiliary electric machine starts the turbine engine to which it is coupled, the energy conversion system being configured so that, at predetermined ambient temperature, the phase change material remains in the liquid state when the the inverter supplies only the environmental control system.
11. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant un ensemble d’onduleurs apte à alimenter un ensemble d’au moins une charge, le système à conversion d’énergie étant configuré de sorte que, à la température ambiante prédéterminée, une fusion du matériau à changement de phase est provoquée lorsqu’au moins un onduleur de l’ensemble d’onduleurs n’alimente pas l’ensemble d’au moins une charge, chaque charge de l’ensemble d’au moins une charge étant alimentée par l’ensemble d’onduleurs, et le système à conversion d’énergie étant configuré de sorte que, à la température ambiante prédéterminée, le matériau à changement de phase reste à l’état liquide lorsque tous les onduleurs de l’ensemble d’onduleurs alimentent l’ensemble d’au moins une charge. 11. System according to any one of claims 1 to 9, comprising a set of inverters capable of supplying a set of at least one load, the energy conversion system being configured so that, at the predetermined ambient temperature , a fusion of the phase change material is caused when at least one inverter of the set of inverters does not supply the set of at least one load, each load of the set of at least one load being supplied by the set of inverters, and the energy conversion system being configured so that, at the predetermined ambient temperature, the phase change material remains in the liquid state when all the inverters in the set of inverters supply the assembly with at least one load.
12. Véhicule comprenant un système selon l’une quelconque des revendications précédentes. 12. Vehicle comprising a system according to any one of the preceding claims.
13. Utilisation du système à conversion d’énergie (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant la phase lors de laquelle l’onduleur est dans le régime nominal et une phase lors de laquelle l’onduleur est dans le régime transitoire, une fusion du matériau à changement de phase étant déclenchée lorsque le matériau à changement de phase est dans le régime transitoire. 13. Use of the energy conversion system (1) according to any one of the preceding claims, comprising the phase during which the inverter is in nominal mode and a phase during which the inverter is in transient mode , a fusion of the phase change material being triggered when the phase change material is in the transient state.
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