FR2965903A3 - Systeme de transfert de chaleur - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un système de transfert de chaleur comportant au moins une boucle fluide principale (40) et une boucle fluide secondaire (50) propres à refroidir une source chaude (6), les dites boucles fluides comportant chacune : - un évaporateur (404, 504) et un condenseur (408, 508) ; - une conduite de vapeur (412, 512) apte à transmettre le fluide caloporteur de l'évaporateur (404, 504) au condenseur (408, 508) ; - une conduite de liquide (418, 518) apte à transmettre le fluide caloporteur du condenseur (408, 508) à l'évaporateur (404, 504) ; - un réservoir (424, 524) comprenant une structure capillaire (426, 526) propre à pomper le fluide caloporteur, caractérisé en ce qu'une conduite parmi la conduite de liquide (418) et la conduite de vapeur (412) de la boucle fluide principale est en contact thermique avec le réservoir (524) et/ou la conduite de liquide (518) de la boucle fluide secondaire.
Description
1 Système de transfert de chaleur L'invention concerne un système de transfert de chaleur comportant au moins deux boucles fluides diphasiques à pompage capillaire utilisées pour le refroidissement d'une source chaude.
Une boucle fluide diphasique à pompage capillaire, souvent appelée simplement et par abus de langage : « boucle fluide », est un système qui transporte de l'énergie thermique d'une source chaude vers une source froide, en utilisant la capillarité comme pression motrice et le changement de phase (liquide-vapeur) comme moyen de transport de l' énergie.
Une telle boucle fluide comprend généralement un évaporateur destiné à extraire de la chaleur d'une source chaude et un condenseur destiné à restituer cette chaleur à une source froide. L'évaporateur et le condenseur sont reliés par une conduite dans laquelle circule un fluide caloporteur à l'état majoritairement liquide dans la partie froide de la boucle fluide, et une conduite dans laquelle circule ce même fluide caloporteur à l'état majoritairement gazeux dans sa partie chaude. L'évaporateur comprend un réservoir contenant une structure capillaire assurant le pompage du fluide caloporteur en phase liquide par capillarité. Il est connu d'utiliser un système à au moins deux boucles fluides pour refroidir une même source chaude. Les évaporateurs des deux boucles fluides sont, dans ce cas, généralement tout deux positionnés en contact thermique avec la même source chaude, à une distance l'un de l'autre qui peut varier de quelques centimètres à typiquement un mètre. Un tel système peut également comprendre plusieurs boucles fluides et notamment deux groupes de boucles fluides. En variante, un tel système est propre à refroidir plusieurs sources chaudes disposées en différents lieux.
Dans un premier mode de fonctionnement de ce système, il est souhaitable qu'une seule boucle fluide, appelée boucle fluide principale, fonctionne pour évacuer de la chaleur de la source chaude, l'autre boucle fluide devant être à l'arrêt et ne se mettre en route que dans le cas où la boucle fluide principale tombe en panne. Ce mode de fonctionnement est généralement appelé boucles fluides « en redondance froide ».
Or, au démarrage du système des deux boucles fluides, lorsque la source chaude monte en température et délivre sa puissance thermique, les deux boucles fluides démarrent parfois toutes les deux car elles reçoivent chacune une partie de cette puissance thermique.
Dans un second mode de fonctionnement de ce système, il est souhaitable que les deux boucles fluides fonctionnent en même temps pour évacuer la chaleur de la source chaude. Ce mode de fonctionnement est généralement appelé boucles fluides « en redondance chaude ». Or, dans de nombreux cas, au démarrage du système des deux boucles fluides, une seule des deux boucles fluides démarre, l'autre boucle fluide restant définitivement à l'arrêt. Un tel fonctionnement limite de moitié la performance thermique du système de transfert thermique. Pour résoudre ses difficultés de commande du système des deux boucles, il est connu, notamment par le document EP 2 032 440, d'abaisser ou de stopper la capacité de transport d'une boucle fluide et donc sa performance thermique en réchauffant le fluide caloporteur situé dans son réservoir, par exemple, à l'aide une chaufferette ou d'un système passif utilisant une capacité thermique. Dans ce cas, une puissance de chauffe du réservoir d'environ quelques pourcents de la puissance thermique de la boucle fluide suffit pour arrêter la boucle fluide.
Il est également connu que le refroidissement du réservoir de la boucle fluide favorise le démarrage de celle-ci. Ce refroidissement peut être obtenu suivant l'état de l'art en utilisant un élément de refroidissement basé sur l'effet Peltier. Toutefois, ces solutions sont complexes à mettre en oeuvre en raison de l'utilisation de chaufferettes et/ou de refroidisseurs, de sondes de température et d'une logique de commande. De plus, ces solutions nécessitent une certaine puissance de chauffe, typiquement de quelques watts à quelques dizaines de watts pour des boucles fluides de puissance 10 à 1000 W. La présente invention a notamment pout but de palier ces inconvénients. A cet effet, l'invention a pour objet un système de transfert de chaleur comportant 30 au moins une boucle fluide diphasique à pompage capillaire principale et une boucle fluide diphasique à pompage capillaire secondaire propres à refroidir au moins une source chaude, la boucle fluide principale et la boucle fluide secondaire comportant chacune au moins: - un évaporateur propre à évaporer un fluide caloporteur en récupérant de la chaleur de ladite source chaude ; - une conduite de vapeur apte à transmettre le fluide caloporteur de l'évaporateur à un condenseur ; - un condenseur propre à condenser le fluide caloporteur en transmettant de la chaleur à une source froide ; - une conduite de liquide apte à transmettre le fluide caloporteur du condenseur à l'évaporateur ; - un réservoir comprenant au moins une partie d'une structure capillaire propre à pomper le fluide caloporteur par capillarité, caractérisé en ce que une conduite parmi la conduite de liquide et la conduite de vapeur de la boucle fluide principale est en contact thermique avec le réservoir et/ou la conduite de liquide de la boucle fluide secondaire. Avantageusement, l'invention favorise passivement soit l'arrêt d'une boucle fluide placée en redondance froide, soit le démarrage simultané et l'équilibrage du fonctionnement de plusieurs boucles fluides placées en redondance chaude. Ainsi, l'invention propose avantageusement de modifier le fonctionnement d'une boucle fluide par des perturbations apportées par l'autre boucle fluide. Suivant des modes particuliers de réalisation, le système de transfert de chaleur comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la conduite de vapeur de la boucle fluide principale est en contact thermique avec le réservoir de la boucle fluide secondaire ; - ladite structure capillaire est apte à séparer ledit réservoir en une première partie de réservoir collectant le fluide caloporteur en phase liquide, et une deuxième partie de réservoir collectant le fluide caloporteur en phase vapeur, et en ce que la conduite de vapeur de la boucle fluide principale est en contact thermique avec la première partie de réservoir de la boucle fluide secondaire ; - la conduite de vapeur de la boucle fluide principale est en contact thermique avec au moins une partie de la conduite de liquide de la boucle fluide secondaire ; - ladite partie de la conduite de liquide de la boucle fluide secondaire est située à proximité du réservoir de la boucle fluide secondaire ; - la conduite de liquide de la boucle fluide principale est en contact thermique avec le réservoir de la boucle fluide secondaire ; - ladite structure capillaire est apte à séparer ledit réservoir en une première partie de réservoir collectant le fluide caloporteur en phase liquide, et une deuxième partie de réservoir collectant le fluide caloporteur en phase vapeur, et en ce que la conduite de vapeur de la boucle fluide principale est en contact thermique avec la première partie de réservoir de la boucle fluide secondaire ; - la conduite de liquide de la boucle fluide principale est en contact thermique avec au moins une partie de la conduite de liquide de la boucle fluide secondaire ; - ladite partie de la conduite de liquide de la boucle fluide secondaire est située à proximité du réservoir de la boucle fluide secondaire ; - la conduite de liquide de la boucle fluide secondaire est en contact thermique avec au moins une partie du réservoir de la boucle fluide principale ; - la conduite de liquide de la boucle fluide secondaire est en contact thermique avec au moins une partie de la conduite de liquide de la boucle fluide principale ; - la boucle fluide diphasique à pompage capillaire principale et la boucle fluide diphasique à pompage capillaire secondaire sont propres à refroidir une même source chaude.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, non limitative, en se référant aux dessins sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'une boucle fluide diphasique à pompage capillaire d'un système de transfert de chaleur selon l'invention ; la figure 2 est une vue schématique d'un système de transfert de chaleur selon un premier mode de réalisation de l'invention fonctionnant selon le mode de fonctionnement dit « en redondance froide » ; et la figure 3 est une vue schématique d'un système de transfert de chaleur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention fonctionnant selon le mode de fonctionnement dit « en redondance chaude ».
En référence à la figure 1, une boucle fluide 2 diphasique à pompage capillaire d'un système de transfert de chaleur selon l'invention comporte un évaporateur 4 qui extrait de la chaleur d'une source chaude 6 à refroidir et un condenseur 8 qui restitue cette chaleur à une source froide 10. La source chaude, est par exemple, un équipement électronique dissipatif de chaleur embarqué dans un satellite. La source froide est, par exemple, un radiateur supporté par une face externe du satellite. La boucle fluide 2 comprend également une conduite de vapeur 12 reliant la sortie 14 de l'évaporateur 4 à l'entrée 16 du condenseur 8 et une conduite de liquide 18 reliant la sortie 20 du condenseur 8 à l'entrée 22 de l'évaporateur 4. La boucle fluide 2 contient un fluide caloporteur constitué, par exemple, par de l'ammoniac de formule NH3. L'évaporateur 4 comprend un boîtier 24, appelé réservoir 24, contenant une structure capillaire 26 assurant le pompage du fluide caloporteur en phase liquide par capillarité. Cette structure capillaire 26 est disposée dans le réservoir 24 de manière à séparer celui-ci en une première partie de réservoir 28 contenant une réserve de fluide caloporteur en phase liquide, et une second partie 30 de réservoir contenant le fluide caloporteur en phase gazeuse. La première partie de réservoir 28 communique avec la conduite de liquide 18 au niveau de l'entrée 22 de l'évaporateur. La seconde partie de réservoir 30 communique avec la conduite de vapeur 12 au niveau de la sortie 14 de l' évaporateur. On appelle réservoir dans la présente demande de brevet, le réservoir 24 situé à proximité de la structure capillaire 26,. On appelle donc réservoir cette partie de la boucle fluide 2 qui contient du liquide arrivant par la conduite de liquide 18 de la boucle fluide, ce liquide baignant dans au moins une partie de la structure capillaire 26. Il existe selon l'état de l'art (voir brevet FR 2919923) des réalisations, dans lesquels la structure capillaire se prolonge dans la conduite de liquide, permettant ainsi d'intégrer les fonctions du réservoir dans la conduite de liquide.
L'évaporateur 4 est apte à absorber de la chaleur extraite de la source chaude 6 par évaporation du fluide caloporteur circulant dans la boucle fluide 2. En particulier, le fluide caloporteur en phase liquide s'évapore au niveau de la structure capillaire 26 sous l'effet d'un flux de chaleur arrivant à cet endroit. La structure capillaire 26 permet ainsi un pompage capillaire du fluide caloporteur de la première partie du réservoir 28. Le fluide caloporteur en phase gazeuse sortant de l'évaporateur 4 est transféré, par la conduite de vapeur 12, au condenseur 8 (cf. flèche F1). Le condenseur 8 est apte à restituer et à évacuer la chaleur vers la source froide 10 par condensation du fluide caloporteur. Le fluide caloporteur en phase liquide retourne alors, par la conduite de liquide 18, dans l'évaporateur 4 de sorte à former ainsi la boucle fluide 2 de transfert de chaleur. En référence à la figure 2, le système de transfert de chaleur 34 selon le premier mode de réalisation de l'invention comporte une boucle fluide principale 40 et une boucle fluide secondaire 50 propre à refroidir la même source chaude 6 représentée en pointillés sur la figure 2 en transférant de la chaleur à une ou plusieurs sources froides représentées par un rectangle référencé 10 sur la figure 2. La boucle fluide principale 40 et la boucle fluide secondaire 50 comportent des éléments techniques similaires à la boucle fluide 2 représentée sur la figure 1. Ces éléments techniques ne seront pas décrits une seconde fois. Ils sont référencés avec les mêmes références que sur la figure 1 précédées du nombre 4 lorsqu'ils appartiennent à la boucle fluide principale 40, et précédées du nombre 5 lorsqu'ils appartiennent à la boucle fluide secondaire 50. Dans le système de transfert de chaleur 34, la conduite de vapeur 412 de la boucle fluide principale 40 est en contact thermique avec le réservoir 524 de la boucle fluide secondaire 50, et en particulier avec la première partie de réservoir 528 contenant du fluide caloporteur en phase liquide.
Le contact thermique entre la conduite de vapeur 412 de la boucle fluide principale 40 et le réservoir 524 de la boucle fluide secondaire 50 est, par exemple, créer par un enroulement de la conduite de vapeur 412, aussi appelée tuyauterie, autour du réservoir 528 ou par la fixation d'une semelle thermiquement conductrice reliant la conduite de vapeur 412 au réservoir 528. En variante, la conduite de vapeur 412 de la boucle fluide principale 40 est en contact thermique avec la conduite de liquide 518 de la boucle secondaire 50, et en particulier avec une partie 519 de la conduite de liquide située à proximité de la première partie du réservoir 528. Cette partie de la conduite de liquide 519 s'étend, par exemple, sur une longueur suffisante, typiquement plusieurs centimètres, pour permettre l'échange de chaleur entre les deux conduiets. Cette variante est particulièrement avantageuse dans le cas de petits réservoirs, ou lors de l'intégration de la fonction réservoir dans celle de la conduite de liquide. Le système de transfert de chaleur 34 fonctionne, dans le mode de réalisation 15 illustré sur la figure 2, selon un mode de fonctionnement dit « en redondance froide ». Dès le démarrage de la boucle fluide principale 40, la circulation du fluide caloporteur en phase vapeur dans la conduite de vapeur 412 de la boucle fluide principale 40 réchauffe le réservoir 528 de la boucle fluide secondaire 50 et stoppe de ce fait son démarrage. 20 En référence à la figure 3, le système de transfert de chaleur 36 selon le second mode de réalisation de l'invention comporte une boucle fluide principale 60 et une boucle fluide secondaire 70 propres à refroidir la même source chaude 6 représentée en pointillés sur la figure 3 en transférant de la chaleur à une ou plusieurs sources froides représentées schématiquement par le rectangle référencé 10 sur la figue 3. 25 La boucle fluide principale 60 et la boucle fluide secondaire 70 comportent les mêmes éléments techniques que la boucle fluide 2 représentée sur la figure 1. Ils ne seront pas décrits une seconde fois. Ces éléments techniques sont référencés par les mêmes références que sur la figure 1 précédées du nombre 6 lorsqu'ils appartiennent à la boucle fluide principale 60, et précédées du nombre 7 lorsqu'ils appartiennent à la boucle 30 fluide secondaire 70.
Selon ce second mode de réalisation, la conduite de liquide 618 de la boucle fluide principale 60 est en contact thermique du réservoir 724, et en particulier de la première partie du réservoir 728, de la boucle fluide secondaire 70, et la conduite de fluide 718 de la boucle fluide secondaire 70 est en contact thermique avec le réservoir 624, et en particulier avec la première partie du réservoir 628 de la boucle fluide principale 60. En variante, la conduite de liquide 618 de la boucle fluide principale 60 est en contact thermique avec la conduite de liquide 718 de la boucle fluide secondaire 70, et en particulier avec une partie de la conduite de liquide 719 située à proximité du réservoir 728 de la boucle fluide secondaire 70. La conduite de fluide 718 de la boucle fluide secondaire 70 est en contact thermique avec la conduite de liquide 618, et en particulier avec une première partie 619 de la conduite de liquide de la boucle fluide principale 60. Les conduites de liquide 618 et 718 apportent du fluide caloporteur en phase liquide venant des condenseurs 608 et 708 à une température notablement plus faible que la température de la boucle fluide à proximité des évaporateurs 604, 704. Le point froid ainsi créé par les conduites de liquide 618, 718 sur chacun des réservoirs favorise le démarrage et le fonctionnement équilibré des deux boucles fluides, chacune favorisant l'autre par son fonctionnement même. En variante, le système de transfert thermique 34 comprend plusieurs, et notamment et plus de deux boucles fluides diphasiques.
En variante, une seule partie de la structure capillaire 26 est située dans le réservoir, l'autre partie de la structure capillaire étant située dans l'évaporateur. En variante, un tel système est propre à refroidir plusieurs sources chaudes disposées en différents lieux.25
Claims (1)
- REVENDICATIONS1.- Système de transfert de chaleur (34 ; 36) comportant au moins une boucle fluide diphasique à pompage capillaire principale (40 ; 60) et une boucle fluide diphasique à pompage capillaire secondaire (50 ; 70) propres à refroidir au moins une source chaude (6), la boucle fluide principale (40 ; 60) et la boucle fluide secondaire (50 ; 70) comportant chacune au moins: - un évaporateur (404, 504 ; 604, 704) propre à évaporer un fluide caloporteur en récupérant de la chaleur de ladite source chaude (6) ; - une conduite de vapeur (412, 512 ; 612, 712) apte à transmettre le fluide caloporteur de l'évaporateur (404, 504 ; 604, 704) à un condenseur (408, 508 ; 608, 708) ; - un condenseur (408, 508 ; 608, 708) propre à condenser le fluide caloporteur en transmettant de la chaleur à une source froide (10) ; - une conduite de liquide (418, 518 ; 618, 718) apte à transmettre le fluide caloporteur du condenseur (408, 508 ; 608, 708) à l'évaporateur (404, 504 ; 604, 704) ; - un réservoir (424, 524 ; 624, 724) comprenant au moins une partie d'une structure capillaire (526 ; 726) propre à pomper le fluide caloporteur par capillarité, caractérisé en ce qu'une conduite parmi la conduite de liquide (418 ; 618) et la conduite de vapeur (412 ; 612) de la boucle fluide principale (40 ; 60) est en contact thermique avec le réservoir (524 ; 724) et/ou la conduite de liquide (518 ; 718) de la boucle fluide secondaire (50 ; 70).2.- Système de transfert de chaleur (34) selon la revendication 1, caractérisé en ce 25 que la conduite de vapeur (412) de la boucle fluide principale (40) est en contact thermique avec le réservoir (524) de la boucle fluide secondaire (50).3.- Système de transfert de chaleur (34) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite structure capillaire (526) est apte à séparer ledit réservoir (524) en une première partie de réservoir (528) collectant le fluide caloporteur en phase liquide, et une deuxième partie de réservoir (530) collectant le fluide caloporteur en phase vapeur, et en ce que la conduite de vapeur (412) de la boucle fluide principale (40) est en contact thermique avec la première partie de réservoir (528) de la boucle fluide secondaire (50).4.- Système de transfert de chaleur (34) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la conduite de vapeur (412) de la boucle fluide principale (40) est en contact thermique avec au moins une partie de la conduite de liquide (518, 519) de la boucle fluide secondaire (50).5.- Système de transfert de chaleur (34) selon la revendication 4, caractérisé en ce ladite partie (519) de la conduite de liquide de la boucle fluide secondaire (50) est située à proximité du réservoir (524) de la boucle fluide secondaire (50).6.- Système de transfert de chaleur (36) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la conduite de liquide (618) de la boucle fluide principale (60) est en contact thermique avec le réservoir (724) de la boucle fluide secondaire (70).7.- Système de transfert de chaleur (36) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite structure capillaire (726) est apte à séparer ledit réservoir (724) en une première partie de réservoir (728) collectant le fluide caloporteur en phase liquide, et une deuxième partie de réservoir (730) collectant le fluide caloporteur en phase vapeur, et en ce que la conduite de vapeur (612) de la boucle fluide principale (60) est en contact thermique avec la première partie de réservoir (728) de la boucle fluide secondaire (70).8.- Système de transfert de chaleur (36) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la conduite de liquide (618) de la boucle fluide principale (60) est en contact thermique avec au moins une partie de la conduite de liquide (718, 719) de la boucle fluide secondaire (70).9.- Système de transfert de chaleur (36) selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite partie de la conduite de liquide (719) de la boucle fluide secondaire (70) est située à proximité du réservoir (724) de la boucle fluide secondaire (70). 1010.- Système de transfert de chaleur (36) selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que la conduite de liquide (718) de la boucle fluide secondaire (70) est en contact thermique avec au moins une partie du réservoir (624) de la boucle fluide principale (60). 1511.- Système de transfert de chaleur (34 ; 36) selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que la conduite de liquide (718) de la boucle fluide secondaire (70) est en contact thermique avec au moins une partie de la conduite de liquide (619) de la boucle fluide principale (60). 2012.- Système de transfert de chaleur (34 ; 36) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la boucle fluide diphasique à pompage capillaire principale (40 ; 60) et la boucle fluide diphasique à pompage capillaire secondaire (50 ; 70) sont propres à refroidir une même source chaude (6).5
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