FR3006431A1

FR3006431A1 - Dispositif de transport de chaleur a fluide diphasique

Info

Publication number: FR3006431A1
Application number: FR1354890A
Authority: FR
Inventors: Vincent Dupont
Original assignee: Euro Heat Pipes SA
Current assignee: Euro Heat Pipes SA
Priority date: 2013-05-29
Filing date: 2013-05-29
Publication date: 2014-12-05
Anticipated expiration: 2033-05-29
Also published as: WO2014191512A1; US10209008B2; FR3006431B1; EP3004773A1; US20160116226A1

Abstract

Dispositif de transfert thermique à fluide diphasique à pompage capillaire ou gravitaire, avec un fluide de travail diphasique contenu dans un circuit général clos, comprenant un évaporateur (1), un condenseur (2), un réservoir (3) ayant un volume intérieur (30) avec une portion liquide (6) et une portion gaz (7), un premier circuit de communication (4) vapeur, un deuxième circuit de communication (5) de phase liquide, dans lequel le réservoir (3) comprend une pluralité de corps flottants (8) séparant la portion liquide de la portion gaz, moyennant quoi on ralentit les échanges thermiques entre la portion liquide et la portion gaz, ce qui permet d'amoindrir l'effet de mouvements de la portion liquide ou d'un afflux de liquide froid ou chaud dans le réservoir.

Description

Dispositif de transport de chaleur à fluide diphasique La présente invention est relative aux dispositifs de transport de chaleur à fluide diphasique, en particulier 5 les dispositifs mécaniquement passifs à boucle fluide diphasique à pompage capillaire ou utilisant la gravité. Il est connu du document FR-A-2949642 de tels dispositifs utilisés comme moyen de refroidissement pour convertisseur de puissance électrotechnique. 10 Ces dispositifs peuvent être régulés en température via un contrôle de la pression dans le réservoir. Ce contrôle peut être actif (résistance électrique chauffante) ou totalement passif (introduction d'un gaz auxiliaire dans le réservoir). 15 Cependant, il est apparu que les phases de démarrage étaient particulièrement délicates pour des puissances thermiques importantes, il peut se produire un assèchement de la mèche capillaire et donc un échec du démarrage. De plus, si le dispositif est soumis à des 20 accélérations, il peut se produire un phénomène de 'cold shock' dans le réservoir qui abaisse brutalement la pression et qui détériore la performance. Qui plus est, des variations importantes de la charge thermique peuvent conduire à des instabilités du 25 fonctionnement de la boucle diphasique. Il est donc apparu un besoin d'augmenter d'une part la fiabilité du démarrage et d'autre part la fiabilité du fonctionnement de telles boucles sous des conditions de charge thermique présentant de fortes variations. 30 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 35 général clos, comprenant : - au moins un évaporateur (1), ayant une entrée et une sortie, - au moins un condenseur (2), - un réservoir (3) ayant un volume intérieur avec une 5 portion liquide et une portion gaz, 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 une entrée du condenseur, 10 - un deuxième circuit de communication (5), pour du fluide essentiellement en phase liquide, reliant une sortie du condenseur au réservoir et à l'entrée de l'évaporateur, caractérisé en ce que le réservoir (3) comprend une pluralité de corps flottants séparant la portion liquide de 15 la portion gaz, moyennant quoi on ralentit les échanges thermiques entre la portion liquide et la portion gaz. Grâce à ces dispositions, les corps flottants forment une barrière thermique qui procure un ralentissement des échanges thermiques entre la portion liquide et la portion 20 gazeuse, ce qui a plusieurs effets bénéfiques explicités ci-après. En effet, la boucle diphasique peut être soumise à des variations importantes de charge thermique, et donc le flux de liquide qui pénètre dans la partie liquide peut 25 d'une part avoir un débit variable voire chaotique et d'autre part une température assez différente de celle du réservoir. Tout d'abord on peut amoindrir l'effet d'un afflux de liquide froid dans le réservoir. Un tel afflux de liquide 30 froid peut conduire à un effet de 'cold shock', à savoir un abaissement brutal de la température de surface supérieure du liquide dans le réservoir qui entraine une baisse de la pression et une augmentation brusque des pertes de charges néfastes au fonctionnement de la boucle. Grâce à la 35 présence des corps flottants, la variation de température de la surface de la phase liquide sera beaucoup plus lente. Cet effet est particulièrement sensible si le réservoir est régulé en pression thermiquement par l'intermédiaire d'une cartouche chauffante.

Dans d'autres circonstances, par exemple dans le cas d'une pressurisation par introduction volontaire d'un gaz auxiliaire inerte dans le réservoir, l'afflux de liquide peut être à une température sensiblement supérieure à la température moyenne du réservoir ce qui peut conduire à un effet de 'hot shock', à savoir un accroissement rapide de la température de surface supérieure du liquide dans le réservoir qui entraine une hausse de la pression et de la température, avec des conditions de fonctionnement potentiellement proches des limites maximum en température et pression. Là aussi, la présence des corps flottants agit alors comme une résistance thermique pour ralentir les variations de la température de surface gaz-liquide (température de surface supérieure du liquide dans le réservoir).

Enfin, il peut se produire des mouvements de fluide importants dans le réservoir lorsque le dispositif est soumis à des accélérations, par exemple si celui-ci est à bord d'un véhicule de transport. Ceci peut conduire alors un effet de mélange dans le réservoir, ce qui peut entraîner des variations rapides et indésirables de la température de la surface du liquide en contact avec la phase gazeuse dans le réservoir, et par conséquent des instabilités de fonctionnement de la boucle diphasique. Là encore, les corps flottants forment une barrière qui amortit l'effet de mélange dans le liquide. 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 : - la pluralité de corps flottants parois forme plusieurs 35 couches superposées ; On obtient ainsi une bonne efficacité de la barrière thermique tout en autorisant les échanges liquide-gaz ; - lesdits corps flottants sont reliés entre eux par une structure souple ; On évite ainsi qu'un ou plusieurs corps 5 flottants reste collé sur une paroi ou se désolidarise des autres corps flottants ; - le réservoir comprend une grille basse et une grille haute, agencées respectivement à distance de la paroi inférieure et de la paroi supérieure du réservoir, de 10 manière à ce que ces deux grilles empêchent les corps flottants de les traverser et on forme ainsi des limites inférieure et supérieure pour le déplacement des corps flottants à l'intérieur du réservoir ; On évite ainsi qu'un ou plusieurs corps flottants ne viennent se coller sur la 15 paroi intérieure ou sur la paroi supérieure ; - tous lesdits corps flottants ont sensiblement la même forme ; ce qui représente une solution facile à industrialiser, car on utilise un seul type d'éléments que l'on compte ou que l'on pèse pour en déterminer la quantité 20 nécessaire ; - lesdits corps flottants sont réalisés dans une matière choisie parmi l'acier inox, le téflon, le borosilicate, le carbone, la céramique ; moyennant quoi on choisit un matériau chimiquement neutre et qui ne vieillit pas 25 défavorablement dans le temps ; - lesdits corps flottants peuvent avoir une forme sphèrique, de préférence avec un diamètre compris entre 0.5 et 10 mm ; ce qui facilite le réagencement spatial des corps flottants en cas de changement de géométrie de la 30 surface de liquide ; - le volume occupé par la pluralité desdits corps flottants est compris entre 3% et 12% du volume total du réservoir ; moyennant quoi on obtient une épaisseur suffisante et optimale de corps flottants, notamment pour un réservoir 35 ayant des dimensions habituelles pour ce genre d'application ; - le réservoir comprend un déflecteur de jet d'entrée au voisinage de l'orifice d'entrée ; On évite ainsi que le jet d'entrée ait une influence directe sur la couche de corps 5 flottants ; - l'évaporateur comprend une masse microporeuse adaptée pour assurer un pompage capillaire de fluide en phase liquide ; de sorte qu'on utilise une solution à pompage capillaire sans faire appel à l'effet de la gravité pour la 10 fonction pompage ; moyennant quoi on peut utiliser le dispositif dans un environnement de microgravité ; - le dispositif peut comprendre en outre un organe antiretour sous forme de flotteur agencé entre le volume intérieur du réservoir et la masse microporeuse de 15 l'évaporateur, et agencé pour empêcher que du liquide présent dans l'évaporateur ne se déplace vers le volume intérieur du réservoir ; ce qui fiabilise le démarrage de la boucle diphasique ; - le dispositif étant principalement soumis à la gravité, 20 l'évaporateur peut être placé en dessous du condenseur et du réservoir, de sorte que la gravité est utilisée pour déplacer le liquide vers l'évaporateur ; ce qui représente une alternative au pompage capillaire. 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 montre de façon plus détaillée le réservoir du dispositif de la Figure 1, - la figure 3 montre une variante du réservoir de la Figure 2, 35 - la figure 4 montre un seconde mode de réalisation du dispositif de l'invention, dans lequel on utilise principalement la gravité pour assurer le pompage de la boucle diphasique. Sur les différentes figures, les mêmes références 5 désignent des éléments identiques ou similaires. 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 10 pour assurer un pompage capillaire. A cet effet, la masse 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. 15 L'évaporateur 1 est thermiquement couplé à une source 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. 20 Sous l'effet de l'apport de calories au contact 16 de 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 25 entrée 2a et une sortie 2b. Dans l'évaporateur 1, les cavités libérées par la vapeur évacuée sont comblées par du liquide aspiré par la masse microporeuse 10 à partir de l'évidement central 15 susmentionné ; il s'agit du phénomène de pompage capillaire 30 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. Ledit deuxième circuit de communication 5 peut comporter deux portions distinctes 5a,5b comme il sera vu plus loin. Le deuxième circuit 5 de communication comporte du 15 fluide de travail essentiellement en phase liquide, alors que le premier circuit de communication 4 comporte du fluide essentiellement en phase vapeur. Le réservoir 3 présente au moins un orifice d'entrée et/ou sortie 31, ici en l'occurrence sur la figure 1 un 20 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 sous forme diphasique. Le fluide de travail 9 peut être par exemple de l'ammoniac ou tout autre fluide approprié, mais on peut choisir préférentiellement 25 du méthanol. Le fluide de travail 9 se présente sous forme diphasique dans le réservoir 3 pour partie sous phase liquide 6 et pour partie sous phase vapeur 7. Dans un environnement où une gravité s'exerce (verticale selon Z), la partie de phase gazeuse 7 se situe au dessus de la 30 partie de phase liquide 6 et une interface liquide-vapeur 19 sépare les deux phases (surface supérieure du liquide dans le réservoir). C'est la température de cette surface de séparation 19 qui détermine la pression dans la boucle, cette pression correspond à la pression de saturation du fluide à la température prévalant à la surface de séparation 19, en vertu de relation biunivoque qui relie Psat et Tsat en conditions de saturation.

Il faut remarquer que, dans le cas où le dispositif de transfert thermique est situé dans un véhicule en déplacement, le réservoir peut subir des forces inertielles diverses et variées. De plus, le réservoir peut se retrouver incliné par rapport à sa position de référence normale, comme illustrée à la figure 3. Avantageusement selon l'invention, on dispose une pluralité de corps flottants 8 à l'intérieur du réservoir. Ces corps flottants 8 se positionnent naturellement dans la partie supérieure de la portion liquide, globalement à l'interface entre la portion liquide 6 et la portion gaz 7. Leur flottabilité par rapport au liquide du fluide de travail doit être suffisante, et par conséquent leur densité doit être sensiblement inférieure à la densité du liquide. Suivant le matériau choisi, ces corps flottants 8 peuvent être donc pleins ou creux, le volume interne creux étant adapté en fonction de flottabilité désirée. On choisira de préférence un matériau inerte chimiquement vis-à-vis du fluide de travail. De préférence on pourra envisager l'inox, le téflon, le borosilicate, le 25 carbone, la céramique, ou d'autres matériaux. Ces corps flottants sont prévus pour résister sans éclater à une pression extérieure relativement faible par exemple jusqu'à quelques centièmes d'atmosphère dans le cas d'utilisation de fluide à basse pression comme le méthanol 30 à -50°C ou lors de la phase de mise sous vide préalable du remplissage du système. Par ailleurs, ces corps flottants sont prévus pour supporter la pression maximale pouvant régner dans la boucle diphasique à température et charge thermique 35 maximum, qui peut aller jusqu'à une dizaine de bars.

Avantageusement, on prévoit un nombre suffisant de corps flottant 8 de manière à ce qu'ils forment plusieurs couches superposées, comme ceci est représenté en particulier sur les figures 2 et 3, moyennant quoi les 5 corps flottants peuvent se reconfigurer spatialement selon la surface et la géométrie de l'interface liquide-gaz. Par exemple, lorsque le réservoir est incliné (figure 3), la surface de l'interface liquide-gaz est supérieure et par conséquent, les corps flottants se reconfigurent 10 spatialement pour occuper toute cette surface mais sur une épaisseur un peu plus faible. En d'autres termes, l'ensemble des corps flottants 8 formes une barrière thermique à géométrie variable. Suivant l'application et la forme du réservoir, 15 plusieurs formes peuvent être choisies pour les corps flottants. Avantageusement, on pourra choisir une forme de sphère, moyennant quoi la pluralité de corps flottants constituera un tapis de billes flottantes. Par exemple, on pourra choisir un diamètre pour les 20 billes compris entre 0.5mm et 10 mm, voire entre 2mm et 5mm. Selon un aspect avantageux, tous les corps flottants peuvent avoir sensiblement la même forme, sphérique ou autre. On utilise alors un seul type que l'on compte ou que 25 l'on pèse pour arriver à la quantité nécessaire insertion dans le réservoir. Alternativement, lorsque par exemple le réservoir peut se présenter comme un cylindre d'une certaine longueur et d'axe A, les corps flottants peuvent être choisis comme 30 des tiges rondes de petit diamètre s'étendant parallèlement à l'axe A sur toute la longueur du cylindre, et agencées les unes à côté des autres. Le réservoir 3 sert de vase d'expansion pour le fluide de travail de la boucle diphasique et pour 35 l'éventuelle régulation en pression. Par conséquent, la portion liquide dans le réservoir évolue entre un volume minimum non nul dans le réservoir et un volume maximum qui n'occupe toutefois pas la totalité du volume intérieur 30 du réservoir 3.

Afin d'éviter que des corps flottants 8 ne puissent se coller aux parois, en particulier à la paroi supérieure 32 à la paroi inférieure 33 du réservoir, on prévoit d'agencer des grilles horizontales, à savoir une grille supérieure 82, et grille inférieure 83, leur position étant compatible avec le volume minimum et le volume maximum de la portion liquide dans le réservoir comme mentionné ci-dessus. La maille des grilles est suffisamment petite pour empêcher les corps flottant de traversées les grilles. On s'arrange pour disposer la grille inférieure 83 un peu en dessous du volume minimum de liquide et la grille supérieure 82 un peu au-dessus du volume maximum de liquide dans le réservoir. Pour les systèmes soumis a des accélérations 20 longitudinales violentes ou périodiques, des grilles verticales 13 (cf Fig. 4) peuvent empêcher les mouvements rapides du liquide qui pourraient perturber l'efficacité des corps flottants. La surface libre est alors compartimentée pour obtenir cette fonction anti-sloshing.

25 Le volume occupé par la pluralité desdits corps flottants peut avantageusement être compris entre 3% et 12% du volume total du réservoir, de sorte que l'on obtient une épaisseur suffisante et optimale de corps flottants, notamment pour un réservoir ayant des dimensions 30 habituelles pour ce genre d'application, à savoir trois dimensions relativement peu éloignées. Selon une caractéristique optionnelle, on prévoit d'envelopper les corps flottants dans une structure souple par exemple de type filet 35 ou gaze comme ceci est 35 illustré la figure 3. Dans ce cas, au moins une extrémité de l'enveloppe contenant les corps flottants est attachée sur un côté du réservoir à un point de fixation 40. Il n'est pas exclu d'avoir plusieurs points d'attache, à condition que la structure souple soit extensible ou présente une certaine longueur de mou. Les corps flottants sont prisonniers à l'intérieur du filet, ce qui évite un ou plusieurs corps flottants ne se désolidarise du groupe. De plus, avantageusement selon l'invention, le réservoir comprend un déflecteur de jet d'entrée 38 au voisinage de l'orifice d'entrée 31a ou de l'orifice d'entrée/sortie 31 selon la configuration de la deuxième conduite. Ce déflecteur de jet d'entrée 38 empêche qu'une 15 arrivée rapide de liquide dans le réservoir ne crée un courant dans la phase liquide dirigée directement vers l'interface liquide-gaz. Ce déflecteur peut se présenter sous la forme d'un profilé en U orienté vers le bas, ou d'une cloche ou de toute autre forme créant une déviation 20 suffisante de la trajectoire du liquide entrant verticalement vers le haut. Au niveau de l'orifice d'entrée 31a et/ou d'entrée sortie 31 du réservoir on peut prévoir optionnellement une crépine 34, illustrée à la figure 4, pour empêcher qu'un ou 25 plusieurs corps flottants ne puissent être introduits dans la conduite liquide à destination de l'évaporateur. La crépine 34 peut être par exemple une structure de type paille de fer, ou encore une structure de type éponge ou une structure macroporeuse.

30 Il peut être prévu en outre un orifice de remplissage 39 fermé après le remplissage initial de fluide de travail. 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 35 canaux de communication fluides (conduites rectangulaires, flexibles, etc.). De même, le deuxième circuit de communication fluide peut être sous la forme de deux conduites indépendantes distinctes 5a,5b (cf. Fig 1) ou d'une seule conduite avec 5 un raccord en 'T' 5c (cf. Fig 4). Ces configurations de conduites restent pertinentes lorsque plusieurs et/ou plusieurs condenseurs sont connectés en parallèle. 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'). Le dispositif peut comprendre en outre un organe anti-retour 60 sous forme de flotteur agencé entre le volume intérieur du réservoir et l'évaporateur. Cet organe anti-retour forme un clapet destiné à empêcher que du liquide présent dans l'évaporateur ne se déplace vers le volume intérieur du réservoir, notamment au moment du démarrage brutal. 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, principalement soumis 5 à la gravité terrestre, 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 : 10 - au moins un évaporateur (1), ayant une entrée et une sortie, - au moins un condenseur (2), - un réservoir (3) ayant un volume intérieur (30) avec une portion liquide 6 et une portion gaz 7, et au moins un 15 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 une entrée du condenseur, - un deuxième circuit de communication (5), pour du fluide 20 essentiellement en phase liquide, reliant une sortie du condenseur au réservoir et à l'entrée de l'évaporateur, caractérisé en ce que le réservoir (3) comprend une pluralité de corps flottants (8) séparant la portion liquide de la portion gaz, moyennant quoi on ralentit les 25 échanges thermiques entre la portion liquide et la portion gaz.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ladite pluralité de corps flottants (8) forme plusieurs couches superposées. 30
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel lesdits corps flottants (8) sont reliés entre eux par une structure souple (35).
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel le réservoir (3) comprend une grille basse (83) et 35 une grille haute (82), agencées respectivement à distancede la paroi inférieure et de la paroi supérieure du réservoir, de manière à ce que ces deux grilles empêchent les corps flottants de les traverser.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, dans 5 lequel tous lesdits corps flottants ont sensiblement la même forme.
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel lesdits corps flottants (8) sont réalisés dans une matière choisie parmi l'acier inox, le téflon, le 10 borosilicate, le carbone, la céramique.
7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel lesdits corps flottants ont une forme sphérique, de préférence avec un diamètre compris entre 0.5 et 10 mm.
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, dans 15 lequel le volume occupé par la pluralité desdits corps flottants (8) est compris entre 3% et 12% du volume total du réservoir.
9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le réservoir comprend un déflecteur de jet d'entrée 20 (38) au voisinage de l'orifice d'entrée.
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel l'évaporateur (1) comprend une masse microporeuse (10) adaptée pour assurer un pompage capillaire de fluide en phase liquide. 25
11. Dispositif de transfert thermique selon l'une des revendications précédentes, principalement soumis à la gravité, dans lequel l'évaporateur (1) est placé en dessous du condenseur (2) et du réservoir, de sorte que la gravité est utilisée pour déplacer le liquide vers l'évaporateur.