FR2979982A1

FR2979982A1 - Dispositif de transport de chaleur a pompage capillaire

Info

Publication number: FR2979982A1
Application number: FR1158203A
Authority: FR
Inventors: Vincent Dupont
Original assignee: Euro Heat Pipes SA
Current assignee: Euro Heat Pipes SA
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2013-03-15
Anticipated expiration: 2031-09-14
Also published as: ES2645370T3; EP2756252A1; CN104094073B; EP2756252B1; WO2013037785A1; US20150114605A1; FR2979982B1; JP6163491B2; CN104094073A; JP2014526670A; US9766016B2

Abstract

Dispositif de transfert thermique à pompage capillaire, adapté pour extraire de la chaleur depuis une source chaude (11) et pour restituer cette chaleur à une source froide (12) au moyen d'un fluide de travail diphasique, comprenant un évaporateur (1) ayant une masse microporeuse (10) assurant un pompage capillaire de fluide en phase liquide, un condenseur (2), un réservoir (3) ayant un volume intérieur (30) et un orifice d'entrée et/ou sortie (31 ;31a,31b), un circuit de communication (4) vapeur, reliant la sortie de l ' évaporateur à l'entrée du condenseur, un circuit de communication (5) liquide, caractérisé en ce qu'il comprend un organe anti retour (6) agencé entre le volume intérieur (30) du réservoir et la masse microporeuse (10) de l 'évaporateur, et agencé pour empêcher que du liquide présent dans l ' évaporateur ne se déplace vers le volume intérieur du réservoir.

Description

Dispositif de transport de chaleur à pompage capillaire La présente invention est relative aux dispositifs de transport de chaleur à pompage capillaire, en particulier 5 les dispositifs passifs à boucle fluide diphasique. Il est connu du document FR-A-2949642 de tels dispositifs utilisés comme moyen de refroidissement pour convertisseur de puissance électrotechnique. Cependant, il est apparu que les phases de démarrage 10 étaient particulièrement délicates pour des puissances thermiques importantes, il peut se produire un assèchement de la mèche capillaire et donc un échec du démarrage. Il est donc apparu un besoin d'augmenter la fiabilité du démarrage et du fonctionnement de telles boucles. 15 A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de transfert thermique à pompage capillaire, adapté pour extraire de la chaleur depuis une source chaude et pour restituer cette chaleur à une source froide au moyen d'un fluide de travail diphasique contenu dans un circuit 20 général clos, comprenant : - au moins un évaporateur, ayant une entrée et une sortie, et une masse microporeuse adaptée pour assurer un pompage capillaire de fluide en phase liquide - au moins un condenseur, ayant une entrée et une sortie, 25 - un réservoir ayant un volume intérieur et au moins un orifice d'entrée et/ou sortie, - un premier circuit de communication, pour du fluide essentiellement en phase vapeur, reliant la sortie de l'évaporateur à l'entrée du condenseur, 30 - un deuxième circuit de communication, pour du fluide essentiellement en phase liquide, reliant la sortie du condenseur au réservoir et à l'entrée de l'évaporateur, caractérisé en ce qu'il comprend un organe anti retour agencé entre le volume intérieur du réservoir et la masse 35 microporeuse de l'évaporateur, et agencé pour empêcher que du liquide présent dans l'évaporateur ne se déplace vers le volume intérieur du réservoir. Grâce à ces dispositions, on évite un retour de liquide venant de l'évaporateur en direction du réservoir. 5 Le démarrage sous forte charge thermique est ainsi fiabilisé. Dans divers modes de réalisation de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : 10 - le dispositif est principalement soumis à la gravité, et l'organe anti retour comprend un flotteur apte à laisser passer des bulles de gaz et éviter ainsi la formation d'un bouchon de gaz; moyennant quoi l'organe anti retour est simple et fiable et de plus il peut laisser passer des 15 bulles de vapeur ou de gaz; - le flotteur présente une densité inférieure à la densité du fluide en phase liquide, et comprise entre 60% et 90% de la densité du fluide en phase liquide ; moyennant quoi l'organe anti-retour ne contrarie pas le pompage 20 capillaire ; - le flotteur est réalisé en acier inox ; de sorte que sa durabilité est très bonne ; - l'organe anti retour est formé dans le deuxième circuit de communication fluide ; de sorte qu'il peut être 25 indépendant du réservoir et de l'évaporateur ; - l'organe anti retour est formé dans la zone inférieure du réservoir ; de sorte qu'il peut être combiné avec le réservoir ; - l'organe anti retour est formé dans la zone supérieure de 30 l'évaporateur ; de sorte qu'il peut être combiné avec l'évaporateur ; le circuit de communication fluide est une conduite tubulaire ; de sorte que son coût est modéré ; - l'orifice d'entrée/sortie est agencé en zone inférieure 35 du réservoir, de préférence zone latérale inférieure du réservoir ; - le deuxième circuit de communication fluide peut être sous la forme d'une seule conduite avec un 'T' ou de deux conduites indépendantes; - le réservoir comprend un déflecteur de jet d'entrée au voisinage de l'orifice d'entrée ; moyennant quoi un effet de mélange dû au jet d'entrée peut être évité ; - le réservoir comprend une pluralité de volumes distincts restant en communication fluide ; moyennant quoi le mélange 10 du volume de liquide contenu dans le réservoir est limité ; - le réservoir comprend une pluralité de parois internes formant des compartiments adaptés pour séparer lesdits plusieurs volumes distincts; - la pluralité de parois internes forme une structure de 15 compartiments en forme de nid d'abeille ; de sorte que le rapport coût/efficacité est optimisé ; le dispositif de transfert thermique est préférentiellement dépourvu de pompe mécanique ; moyennant quoi sa fiabilité est augmentée ; 20 - le dispositif comprend en outre un élément d'apport d'énergie au niveau du réservoir pour contrôler la mise en pression de la boucle lors du démarrage ; de sorte que le démarrage de la boucle peut être fiabilisé. D'autres aspects, buts et avantages de l'invention 25 apparaîtront à la lecture de la description suivante de plusieurs modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en regard des dessins joints sur lesquels : - la figure 1 est une vue générale d'un dispositif 30 selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une variante du dispositif de la Figure 1, - la figure 3 est une autre variante du dispositif de la Figure 1, 35 - les figures 4a et 4b montrent un clapet anti-retour pour un dispositif selon les figures 1-3, - la figure 5 est une vue de détail de l'organe antiretour lorsqu'il est situé à la base du réservoir, - la figure 6 est une vue en coupe de l'organe anti5 retour ; - les figures 7a et 7b montrent des variantes du dispositif de la Figure 1, avec plusieurs évaporateurs. Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. 10 La figure 1 montre un dispositif de transport de chaleur à pompage capillaire, à boucle fluide diphasique. Le dispositif comprend un évaporateur 1, ayant une entrée la et une sortie lb, et une masse microporeuse 10 adaptée pour assurer un pompage capillaire. A cet effet, la masse 15 microporeuse 10 entoure un évidement longitudinal central borgne 15 en communication avec l'entrée la pour recevoir du fluide de travail 9 à l'état liquide depuis un réservoir 3. L'évaporateur 1 est thermiquement couplé à une source 20 chaude 11, comme par exemple un ensemble comprenant des composants électroniques de puissance ou tout autre élément générant de la chaleur, par exemple par effet joule, ou par tout autre processus. Sous l'effet de l'apport de calories au contact 16 de 25 la masse microporeuse emplie de liquide, du fluide passe de l'état liquide à l'état vapeur et s'évacue par la chambre de transfert 17 et par un premier circuit de communication 4 qui achemine ladite vapeur vers un condenseur 2 ayant une entrée 2a et une sortie 2b. 30 Dans l'évaporateur 1, la vapeur évacuée est remplacée par le liquide aspiré par la masse microporeuse 10 à partir de l'évidement central 15 susmentionné ; il s'agit du phénomène de pompage capillaire bien connu en soi. A l'intérieur dudit condenseur 2, de la chaleur est cédé par le fluide en phase vapeur à une source froide 12, ce qui provoque un refroidissement du fluide vapeur et son changement de phase vers la phase liquide, autrement dit sa condensation.

Au niveau du condenseur 2, la température du fluide de travail 9 est abaissée en dessous de sa température d'équilibre liquide-vapeur, ce qui est aussi appelé sous-refroidissement ('sub cooling' en anglais) de sorte que le fluide ne peut pas repasser à l'état vapeur sans apport conséquent de chaleur La pression de vapeur pousse le liquide en direction de la sortie 2b du condenseur 2 qui débouche sur un deuxième circuit de communication 5, relié par ailleurs au réservoir 3.

Le réservoir présente au moins un orifice d'entrée et/ou sortie 31, ici en l'occurrence sur la figure 1 un orifice d'entrée 31a et un orifice de sortie 31b distincts, et le réservoir 3 présente un volume intérieur 30, rempli du fluide caloporteur 9. Le fluide de travail 9 peut être par exemple de l'ammoniac ou tout autre fluide approprié, mais on peut choisir préférentiellement du méthanol. Le fluide de travail 9 est diphasique et se présente pour partie sous phase liquide 9a et pour partie sous phase vapeur 9b. Dans un environnement où une gravité s'exerce (verticale selon Z), la partie de phase gazeuse 9b se situe au dessus de la partie de phase liquide 9a et une surface de séparation 19 sépare les deux phases. C'est la température de cette surface de séparation 19 qui détermine la pression dans la boucle, cette pression 30 correspond à la pression de saturation du fluide à la température prévalant à la surface de séparation 19. Au niveau de la base du réservoir 34, la température du liquide est généralement inférieure à la température prévalant à la surface de séparation 19. 35 Pour un fonctionnement correct de la boucle à pompage capillaire, il faut éviter que la température qui prévaut à la surface de séparation 19 évolue rapidement, et éviter en particulier un mélange de la phase liquide 9a qui a tendance à ramener du liquide froid du bas du réservoir vers le haut et donc de faire chuter la température de surface, et par la même la pression. Les premier et second circuits de communication fluide 4,5 sont de préférence des conduites tubulaires, mais il pourrait s'agir d'autres types de conduites ou de 10 canaux de communication fluides. De même, le deuxième circuit de communication fluide 5 peut être sous la forme de deux conduites indépendantes distinctes 5a,5b (cf. Fig 1) ou d'une seule conduite avec un raccord en 'T' 5c (cf. Fig 2). 15 Dans tous les cas, le deuxième circuit de communication fluide 5 relie la sortie du condenseur 2b à l'entrée de l'évaporateur la, soit indirectement en passant par le réservoir (cas de deux conduites indépendantes) soit directement (cas ou d'une seule conduite avec 'T'). 20 Selon l'invention, le dispositif comprend un organe anti-retour 6, agencé entre le volume intérieur 30 du réservoir et la masse microporeuse 10 de l'évaporateur 1, pour empêcher que du liquide présent dans l'évaporateur ne se déplace vers le volume intérieur 30 du réservoir. Cet 25 organe anti-retour 6 permet d'éviter un retour de liquide depuis l'évaporateur en direction du réservoir Un retour même limité de liquide depuis l'évaporateur en direction du réservoir provoque un assèchement local de la masse micro-poreuse qui peut conduire à un désamorçage du pompage de la 30 boucle diphasique, ce qui est empêché par ledit organe anti-retour 6. Ce phénomène est d'autant plus important que la puissance au démarrage est élevée (plusieurs kW et/ou plusieurs dizaines de Watts par cm2). L'organe anti-retour 6 permet ainsi d'augmenter les performances du système au 35 démarrage.

La position dudit organe anti-retour 6 peut être choisie parmi plusieurs emplacements particulièrement intéressants selon le but recherché et les optimisations poursuivies.

Sur la figure 1, l'organe anti-retour 6 est positionné sur la conduite 5b reliant le réservoir à l'évaporateur 1. De cette façon, 1 organe anti-retour 6 peut être inséré dans une boucle diphasique où l'évaporateur et le réservoir sont des organes donnés qu'il est difficile de modifier. Par ailleurs, ledit organe anti-retour 6 peut être positionné, comme illustré à la figure 2, de façon adjacente à l'évaporateur 1, de sorte que ledit organe anti-retour 6 peut être combiné avec l'évaporateur, ce qui permet d'optimiser l'encombrement du système. Par ailleurs, ledit organe anti-retour 6 peut être positionné, comme illustré à la figure 3, de façon adjacente au réservoir, de sorte que ledit organe antiretour 6 peut être combiné avec le réservoir comme il sera détaillé par la suite, ce qui permet d'optimiser l'encombrement du système. De façon préférentielle, cet organe anti-retour 6 peut comporter un flotteur 60 dont la densité est légèrement inférieure à la densité du fluide en phase liquide, le flotteur venant en butée sur une portée pour fermer le passage de liquide, comme cela sera précisé plus loin. Mais cet organe anti-retour 6 peut aussi prendre la forme plus classique d'une valve anti-retour (non représenté sur les figures), avec un clapet, un siège de clapet et un rappel élastique tendant à pousser ledit clapet vers le siège de clapet. Toutefois, la force de rappel élastique doit être modérée de façon à ne pas trop contrarier la force de pompage capillaire susmentionnée.

Lorsque l'organe anti-retour 6 se présente sous la forme d'un flotteur, et comme illustré aux figures 4a et 4b, un élément formant flotteur 60 est agencé à l'intérieur d'un corps creux 63 dans lequel le flotteur 60 peut se déplacer au moins selon une direction dite longitudinale.

La direction longitudinale coïncide ici avec la direction Z selon laquelle s'exercent la poussée d'Archimède et la gravité. Dans l'exemple illustré, le corps creux et le flotteur sont symétriques de révolution autour de cet axe 10 Z, mais il pourrait toutefois en être autrement. Le flotteur comporte une surface d'appui 67 annulaire qui vient en appui sur une portée annulaire correspondant 66 qui forme un épaulement dirigé radialement vers l'intérieur dans le corps creux 63. Lorsque le flotteur est 15 en appui sur la portée 66, l'espace amont 64 du deuxième circuit de communication 5 est isolé de l'espace aval 65 du deuxième circuit de communication 5. Comme illustré à la figure 4a, lorsque la boucle est en fonctionnement établi, le pompage capillaire exerce un 20 effet de succion qui établit une pression légèrement inférieure dans l'espace aval, et cet effet de succion S aspire le flotteur vers le bas. Alors le passage de liquide au niveau de la portée 66 est ouvert et du liquide peut s'écouler de l'amont 64 vers l'aval 65. 25 Il est à noter que, si des bulles de vapeur ou de gaz non condensable se trouvent en dans ledit liquide dans la partie aval 65, elles peuvent s'échapper en sens inverse (de l'aval vers l'amont) ce qui permet d'éviter de bloquer l'alimentation de l'évaporateur en liquide frais : le 30 flotteur est donc apte à laisser passer des bulles de gaz et éviter ainsi la formation d'un bouchon de gaz, cette fonction pouvant aussi être appelée fonction dégazage. Selon un aspect avantageux de l'invention, le flotteur présente une densité inférieure à la densité du 35 fluide en phase liquide, et comprise entre 60% et 90% de la densité du fluide en phase liquide (à température maximale de l'ordre de 100°C par exemple). Ainsi, la résultante du poids et de la poussée d'Archimède donne une force de poussée P orientée vers le haut.

L'intensité de cette poussée P doit être toutefois modérée pour être inférieure à l'effet de succion du pompage capillaire susmentionné. En régime transitoire, en particulier lors d'un démarrage initial ou en cas d'augmentation brutale de la charge thermique à évacuer, une augmentation brutale de génération de vapeur dans l'évaporateur a tendance à repousser le liquide contenu dans la cavité 15 en direction du réservoir. Ceci doit être évité pour prévenir un assèchement de la masse microporeuse (aussi appelé mèche) qui désamorcerait la boucle. Comme représenté à la figure 4b, en cas de flux de liquide depuis la cavité 15 de l'évaporateur, une force de pression F orientée vers le haut a pour effet de plaquer le flotteur 60 contre la portée 66 et de fermer ainsi le passage de liquide. Par conséquent, tout reflux de liquide en direction de l'espace intérieur 30 du réservoir est évité. Dans une configuration particulièrement avantageuse où l'organe anti-retour 6 est formé dans la zone inférieure du réservoir, l'organe anti-retour 6 est disposé à la base du réservoir, au niveau de l'orifice 31b de sortie (cf. figures 3 et 5). Dans ce cas, le corps 63 comporte un collet 68 qui est solidarisé à la base 37 du réservoir par des moyens de fixations connus. De plus la base 37 au niveau de l'orifice 31b peut servir directement de portée de fermeture 66. Selon l'invention, le flotteur peut être réalisé en acier inox de sorte que sa durabilité est très bonne. Comme représenté à la figure 6, le flotteur 60 peut être réalisé 35 sous la forme de deux demi-coquilles 61,62 soudées entre elles au niveau d'un diamètre au moyen d'une soudure 68 ; les deux demi-coquilles 61,62 délimitent alors un volume intérieur 89 rempli d'air ou de gaz de préférence inerte. L'épaisseur de la paroi des deux demi coquilles 61,62 ainsi que la taille du volume intérieur 89 sont choisis pour obtenir la densité désirée pour le flotteur complet 60. En outre, en vue d'éviter les phénomènes de mélange au sein du réservoir qui sont propices au phénomène de 'cold shock', il peut être prévu à l'intérieur du 10 réservoir, et comme illustré aux figures 7a-7b, plusieurs volumes distincts séparés les uns des autres, lesdits volumes distincts restant en communication fluide. En particulier, et plus précisément, dans le réservoir peuvent être agencée une pluralité de parois internes 7 adaptées 15 pour séparer lesdits plusieurs volumes distincts. De plus, avantageusement selon l'invention, le réservoir peut comprendre un déflecteur de jet d'entrée 8 au voisinage de l'orifice d'entrée 31a ou de l'orifice d'entrée/sortie 31 selon la configuration de la deuxième 20 conduite. Ce déflecteur de jet d'entrée 8 empêche qu'une arrivée rapide de liquide dans le réservoir ne crée un bouillonnement ou un courant favorisant le mélange du liquide. Il peut se présenter sous la forme d'un profilé en 25 U orienté vers le bas, ou d'une cloche ou de toute autre forme créant une déviation suffisante de la trajectoire du jet d'entrée. La structure de compartiment 71 peut présenter des parois verticales 7, c'est-à-dire orientées selon la 30 direction de gravité. Il est toutefois à noter que les parois peuvent tout aussi bien être légèrement ou substantiellement inclinées, comme illustré par exemple sur la Figure 7a. De façon avantageuse, on peut choisir une structure 35 en nid d'abeille de maille hexagonale.

Il est à noter que le réservoir peut avoir une forme quelconque, et en particulier parallélépipédique ou cylindrique. De plus, la structure de compartiment peut être formée en acier inox.

Selon un aspect de la présente invention, lesdits plusieurs volumes distincts communiquent par des passages de section de faible, de préférence inférieure au 1/10 de la plus grande section du réservoir. Selon un autre aspect avantageux de l'invention, la structure de compartiment peut comprendre un matériau à changement de phase conférant une inertie thermique à ladite structure qui concourt à limiter les écarts brusques de température. Les figures 7a et 7b montrent qu'il est possible dans le cadre de la présente invention d'avoir plusieurs évaporateurs 1 en parallèle les uns des autres pour augmenter la capacité d'évacuation de calories et/ou pour placer les évaporateurs au plus près des sources de chaleur.

Selon la configuration de la figure 7a, chaque évaporateur possède un organe anti retour 6 dans son circuit d'amenée de liquide particulier, alors que selon la configuration de la figure 7b, l'organe anti retour 6 est placé dans la branche commune 5d en amont de la distribution 5e,5f vers les évaporateurs, ce qui permet de commonaliser l'organe anti-retour 6 et d'optimiser ainsi le coût d'un système à plusieurs évaporateurs. Par ailleurs, le dispositif peut comprendre en outre un élément d'apport d'énergie 36, par exemple un élément de chauffage ou de mise en pression, situé au niveau du réservoir pour contrôler la mise en pression de la boucle lors du démarrage. Un système de commande 'Ctrl' 38 pilote, dans le cas d'un élément de chauffage, l'apport de calories sur cet élément de chauffage 36, en fonction d'une information de température et/ou une information de pression délivrées par des capteurs (non représentés), et ceci afin d'assurer le démarrage de la boucle diphasique. De plus, ce système de commande 'Ctrl' peut aussi préparer la boucle diphasique à une arrivée imminente et importante de calories sur l'évaporateur, ce qui permet d'anticiper la réaction de la boucle diphasique par rapport au besoin de dissipation thermique. Le dimensionnement de la boucle peut être ainsi optimisé pour des quantités de chaleur importante à évacuer.

Avantageusement selon l'invention, le dispositif est dépourvu d'une quelconque pompe mécanique bien que l'invention n'exclut pas la présence d'une pompe mécanique d'appoint.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif de transfert thermique à pompage capillaire, adapté pour extraire de la chaleur depuis une source chaude (11) et pour restituer cette chaleur à une source froide (12) au moyen d'un fluide de travail diphasique contenu dans un circuit général clos, comprenant : au moins un évaporateur (1), ayant une entrée et une sortie, et une masse microporeuse (10) adaptée pour assurer un pompage capillaire de fluide en phase liquide - au moins un condenseur (2), ayant une entrée et une sortie, - un réservoir (3) ayant un volume intérieur (30), et au moins un orifice d'entrée et/ou sortie (31 ;31a,31b), - un premier circuit de communication (4), pour du fluide essentiellement en phase vapeur, reliant la sortie de l'évaporateur à l'entrée du condenseur, - un deuxième circuit de communication (5), pour du fluide 20 essentiellement en phase liquide, reliant la sortie du condenseur au réservoir et à l'entrée de l'évaporateur, caractérisé en ce qu'il comprend un organe anti retour (6) agencée entre le volume intérieur (30) du réservoir et la masse microporeuse (10) de l'évaporateur, et agencé pour 25 empêcher que du liquide présent dans l'évaporateur ne se déplace vers le volume intérieur du réservoir.
2. Dispositif selon la revendication 1, principalement soumis à la gravité, dans lequel l'organe anti retour 30 comprend un flotteur (60), apte à laisser passer des bulles de gaz et éviter ainsi la formation d'un bouchon de gaz.
3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le flotteur présente une densité inférieure à la densité du 35 fluide en phase liquide, et comprise entre 60% et 90% de ladensité du fluide en phase liquide.
4. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 3, dans lequel le flotteur est réalisé en acier inox.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'organe anti retour est formé dans la zone inférieure du réservoir.
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'organe anti retour est formé dans la zone supérieure de l'évaporateur.
7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans 15 lequel le réservoir comprend un déflecteur de jet d'entrée (8) au voisinage de l'orifice d'entrée.
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le réservoir (3) comprend plusieurs volumes 20 distincts, les dits volumes distincts restant en communication fluide.
9. Dispositif selon la revendication 8, comprenant une pluralité de parois internes (7) formant des compartiments 25 adaptés pour séparer lesdits plusieurs volumes distincts.
10. Dispositif de transfert thermique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est dépourvu de pompe mécanique. 30
11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre un élément d'apport d'énergie au niveau du réservoir pour contrôler la mise en pression de la boucle lors du démarrage.