FR3037641A1

FR3037641A1 - STRUCTURE WITH SUBMERSIBLE HOUSING

Info

Publication number: FR3037641A1
Application number: FR1501285A
Authority: FR
Inventors: Clement Biermann
Original assignee: DCNS SA
Current assignee: Naval Group SA
Priority date: 2015-06-22
Filing date: 2015-06-22
Publication date: 2016-12-23
Anticipated expiration: 2035-06-22
Also published as: WO2016207239A1; FR3037641B1

Abstract

Cette structure à caisson immergée (1), dans laquelle sont disposés des moyens à composants électriques (2) et des moyens (3) d'évacuation de la chaleur produite par ceux-ci lors de leur fonctionnement, afin de maîtriser leur température de fonctionnement, est caractérisée en ce que les moyens de refroidissement comportent des moyens à caloduc (3) associés d'une part aux moyens à composants électriques (2) et d'autre part à la face interne de la structure immergée (1), pour permettre une évacuation passive de chaleur vers l'environnement à travers la paroi de la structure à caisson immergée (1).This submerged caisson structure (1), in which are arranged means for electrical components (2) and means (3) for evacuating the heat produced by these during their operation, in order to control their operating temperature , is characterized in that the cooling means comprise heat pipe means (3) associated on the one hand with the electrical component means (2) and on the other hand with the inner face of the immersed structure (1), to allow passive heat removal to the environment through the wall of the submerged box structure (1).

Description

1 Structure à caisson immergée La présente invention concerne une structure à caisson immergée. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à une structure à caisson immergée, dans laquelle sont disposés des moyens à composants électriques et des moyens d'évacuation de la chaleur produite par ceux-ci, lors de leur fonctionnement, afin de maîtriser leur température de fonctionnement. Des structures à caisson immergées de cette nature sont déjà utilisées dans de très nombreuses applications, notamment en matière d'exploitation de ressources marines, de production d'énergie, etc...The present invention relates to a submerged box structure. More particularly, the invention relates to a submerged box structure, in which are arranged means for electrical components and means for evacuating the heat produced by them, during their operation, in order to control their temperature. operation. Submerged caisson structures of this nature are already used in a great many applications, particularly in terms of exploitation of marine resources, production of energy, etc.

En règle générale, de telles structures immergées comportent un certain nombre de moyens électriques, tels que des batteries de stockage d'énergie électrique, des moyens formant transformateur, des moyens formant redresseur, des moyens formant onduleur etc., qui sont destinés à produire de l'énergie électrique en vue d'une utilisation ultérieure.In general, such submerged structures comprise a number of electrical means, such as electric energy storage batteries, transformer means, rectifier means, inverter means, etc., which are intended to produce electrical energy. electrical energy for later use.

Cependant, ces différents équipements, intervenant dans cette chaîne électrique, n'ont pas de rendements parfaits et une partie de la puissance traitée se transforme en chaleur par effet Joule. Ces équipements étant contenus dans une enceinte gazeuse étanche, l'atmosphère dans cette dernière va rapidement se réchauffer.However, these different equipment, involved in this electrical chain, have no perfect yields and some of the processed power is converted into heat Joule effect. These devices being contained in a sealed gas chamber, the atmosphere in the latter will quickly heat up.

Or, une augmentation de température ambiante réduit la durée de vie des équipements électriques et peut également limiter la plage d'utilisation des matériels embarqués. Il est donc nécessaire de pouvoir maintenir une ambiance suffisamment fraîche au sein de cette structure, pour que les équipements électriques remplissent leur fonction correctement sur un long terme et sans nécessiter d'interventions. Pour résoudre ces problèmes, on a déjà proposé dans l'état de la technique, d'utiliser des échangeurs de chaleur par exemple externes à la structure et donc en relation d'échange thermique avec l'environnement. Dans ce cas, des échangeurs de chaleur sont donc placés à l'extérieur de la structure, et sont fixés par exemple sur la face externe de la structure à caisson immergée. Ces moyens sont donc destinés à évacuer dans l'environnement la chaleur produite par les équipements internes. Cependant, de tels moyens nécessitent l'utilisation d'un système de récupération de la chaleur sur les équipements, et de transfert de celle-ci vers ces échangeurs, qui met en oeuvre des pompes, des compresseurs, etc.However, an increase in ambient temperature reduces the life of electrical equipment and can also limit the range of use of embedded equipment. It is therefore necessary to maintain a cool enough atmosphere within this structure, so that the electrical equipment perform their function properly over a long term and without requiring interventions. To solve these problems, it has already been proposed in the state of the art, to use heat exchangers for example external to the structure and therefore in heat exchange relationship with the environment. In this case, heat exchangers are therefore placed outside the structure, and are fixed for example on the outer face of the submerged box structure. These means are therefore intended to evacuate in the environment the heat produced by the internal equipment. However, such means require the use of a heat recovery system on equipment, and transfer thereof to these exchangers, which implements pumps, compressors, etc..

3037641 2 Or, ces moyens ont généralement une durée de vie limitée et nécessitent des interventions régulières de contrôle, de maintenance... Le but de l'invention est de résoudre ces problèmes en proposant une solution qui soit la plus fiable possible et qui permette de limiter au maximum les interventions sur ce 5 type de structures. A cet effet l'invention a pour objet une structure à caisson immergée, dans laquelle sont disposés des moyens à composants électriques et des moyens d'évacuation de la chaleur produite par ceux-ci lors de leur fonctionnement, afin de maîtriser leur température de fonctionnement, caractérisée en ce que les moyens de refroidissement 10 comportent des moyens à caloduc associés d'une part aux moyens à composants électriques et d'autre part à la face interne de la structure immergée, pour permettre une évacuation passive de chaleur vers l'environnement à travers la paroi de la structure à caisson immergée. Suivant d'autres caractéristiques de la structure selon l'invention, prises seules ou 15 en combinaison : - les moyens à composants électriques comportent des moyens choisis dans le groupe comprenant : - des batteries de stockage d'énergie, - des moyens formant transformateur, 20 - des moyens formant onduleur, - des moyens formant redresseur ; - les moyens à caloduc comportent des tubes caloduc s'étendant entre des moyens à évaporateur à une extrémité de récupération de chaleur des moyens à composants et des moyens à condenseur à une extrémité d'évacuation de chaleur à 25 travers la paroi de la structure ; - les tubes caloducs sont déformables pour absorber les variations de distance entre les moyens à évaporateur et les moyens à condenseur ; - les composants comportent des organes commutateur à semi-conducteur associés à des semelles d'évacuation de chaleur contre lesquelles sont placés les 30 moyens à évaporateur ; - les organes commutateur comprennent des transistors IGBT. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : 35 - la figure 1 représente un exemple de réalisation d'une structure à caisson immergée selon l'invention, 3037641 3 - la figure 2 représente une partie d'une telle structure illustrant l'implantation de moyens à caloduc sur des moyens à composants électriques, entrant dans la constitution de celle-ci, et - la figure 3 illustre de façon plus détaillée un exemple de moyens à composants 5 électriques pouvant être embarqués dans une telle structure. On a en effet illustré sur ces figures et en particulier sur la figure 1, une structure à caisson immergée. Celle-ci est par exemple désignée par la référence générale 1 sur cette figure 1. Cette structure peut alors présenter différentes applications de production 10 d'énergie, d'exploitation, etc... Cette structure est par exemple immergée dans la mer et sa face externe est en contact avec la mer. En fait des moyens à composants électriques sont disposés dans cette structure immergée.However, these means generally have a limited life and require regular interventions control, maintenance ... The purpose of the invention is to solve these problems by proposing a solution that is as reliable as possible and that allows to limit as much as possible the interventions on this 5 type of structures. To this end, the subject of the invention is a submerged caisson structure, in which electrical component means and means for evacuating the heat produced by these during their operation are arranged in order to control their operating temperature. , characterized in that the cooling means 10 comprise heat pipe means associated on the one hand with the electrical component means and on the other hand with the internal face of the immersed structure, to allow passive evacuation of heat towards the environment through the wall of the submerged caisson structure. According to other features of the structure according to the invention, taken alone or in combination: the electrical component means comprise means selected from the group comprising: energy storage batteries, transformer means, Inverter means, rectifier means; the heat pipe means comprise heat pipe tubes extending between evaporator means at a heat recovery end of the component means and condenser means at a heat dissipating end through the wall of the structure; the heat pipe tubes are deformable to absorb the variations in distance between the evaporator means and the condenser means; the components comprise semiconductor switch members associated with heat dissipating flanges against which the evaporator means are placed; the switch members comprise IGBT transistors. The invention will be better understood on reading the description which follows, given solely by way of example and with reference to the appended drawings, in which: FIG. 1 represents an exemplary embodiment of a structure with FIG. 2 shows a part of such a structure illustrating the implantation of heat pipe means on electrical component means, forming part of the constitution of this latter, and FIG. 3 illustrates in greater detail an example of electrical component means that can be embedded in such a structure. In these figures and in particular in FIG. 1, a submerged box structure has been illustrated. This is for example designated by the general reference 1 in this Figure 1. This structure can then have different applications of energy production, exploitation, etc ... This structure is for example immersed in the sea and its outer face is in contact with the sea. In fact electrical component means are arranged in this submerged structure.

15 Ces moyens seront décrits plus en détail par la suite, mais on notera déjà que des moyens constituant par exemple un pont onduleur, désigné par la référence générale 2, sont illustrés sur cette figure 1. Bien entendu d'autres moyens à composants de cette nature peuvent être envisagés.These means will be described in more detail later, but it will already be noted that means constituting for example an inverter bridge, designated by the general reference 2, are illustrated in this FIG. 1. Of course, other component means of this nature can be envisaged.

20 La structure selon l'invention comporte également des moyens d'évacuation de la chaleur produite par ces moyens à composants électriques, lors de leur fonctionnement afin de maîtriser leur température de fonctionnement dans la structure. En fait ces moyens de refroidissement ou d'évacuation de chaleur sont désignés par la référence générale 3 sur cette figure.The structure according to the invention also comprises means for evacuating the heat produced by these electrical component means during their operation in order to control their operating temperature in the structure. In fact these means of cooling or heat removal are designated by the general reference 3 in this figure.

25 Selon l'invention, ces moyens de refroidissement ou d'évacuation de chaleur comportent des moyens à caloduc, associés d'une part, aux moyens à composants électriques 2, et d'autre part, à la face interne de la structure immergée 1. Ceci permet alors une évacuation passive de la chaleur produite par les moyens à composants électriques, vers l'environnement, à travers la paroi de la structure à caisson 30 immergée. On voit sur cette figure 1 et plus clairement sur la figure 2, que les moyens à caloduc désignés par la référence générale 3, comportent en fait des tubes caloducs, dont l'un est par exemple désigné par la référence générale 4 sur ces figures. Ces tubes caloducs s'étendent entre des moyens à évaporateur 5, à une extrémité 35 de récupération de chaleur des moyens à composants électriques et des moyens à 3037641 4 condenseur 6, à une extrémité d'évacuation de chaleur, à travers la paroi de la structure immergée vers l'environnement. Dans l'exemple décrit il s'agit de caloducs gravitaires. En fait, et si l'on prend l'exemple illustré sur ces figures, de la mise en oeuvre d'un 5 pont onduleur, celui-ci comporte par exemple de façon classique, trois phases, désignées par les références 7, 8 et 9 respectivement sur les figures 2 et 3. Chaque phase 7, 8 ou 9 de ce pont onduleur comporte alors différents moyens, parmi lesquels des organes commutateurs à semi-conducteur, dont certains sont représentés sur la figure 3 et sont désignés par la référence générale 10.According to the invention, these cooling or heat removal means comprise heat pipe means, associated on the one hand with the electrical component means 2, and on the other hand, with the internal face of the submerged structure 1 This then allows passive evacuation of the heat produced by the electrical component means, to the environment, through the wall of the submerged box structure. 1 and more clearly in FIG. 2, that the heat pipe means designated by the general reference 3, in fact comprise heat pipe tubes, one of which is for example designated by the general reference 4 in these figures. These heat pipe tubes extend between evaporator means 5 at a heat recovery end 35 of the electrical component means and condenser means 6 at a heat-dissipating end through the wall of the heat sink. structure immersed in the environment. In the example described, these are gravity heat pipes. In fact, and if we take the example illustrated in these figures, of the implementation of an inverter bridge, it comprises for example conventionally, three phases, designated by the references 7, 8 and FIGS. 2 and 3 respectively. Each phase 7, 8 or 9 of this inverter bridge then comprises various means, among which semiconductor switching elements, some of which are represented in FIG. 3 and are designated by the general reference. 10.

10 En fait, ces organes commutateurs à semi-conducteur peuvent par exemple comporter des transistors IGBT de type classique dans ce domaine d'applications ou tout autre type de composants utilisés dans ce genre d'applications. Ces organes commutateurs à semi-conducteur sont associés à des semelles d'évacuation de chaleur, qui sont désignées par les références 11, 12 et 13 sur ces 15 figures et en particulier sur la figure 2. Sur la figure 3, la semelle 12 a été retirée pour faire apparaître les transistors IGBT 10. Sur la figure 2, on voit que les moyens à évaporateur 5 comportent des blocs évaporateurs associés à ces semelles.In fact, these semiconductor switching members may for example comprise IGBT transistors of conventional type in this field of applications or any other type of component used in this type of application. These semiconductor switching members are associated with heat dissipating soles, which are designated by references 11, 12 and 13 in these figures and in particular in FIG. 2. In FIG. 3, the sole 12a It has been removed in order to reveal the IGBT transistors 10. In FIG. 2, it can be seen that the evaporator means 5 comprise evaporator blocks associated with these soles.

20 Ces blocs évaporateurs permettent alors de récupérer la chaleur produite par ces transistors IGBT, afin de la transporter, à travers les tubes caloduc par exemple 4, vers les moyens à condenseur par exemple 6, fixés contre la face interne de la paroi de la structure. On notera que l'agencement des moyens à condenseur permet d'épouser la forme 25 de la face interne de la paroi de la structure, pour assurer la continuité thermique et permettre une bonne évacuation de la chaleur. L'évacuation de chaleur se fait donc vers l'environnement. On conçoit alors que ceci présente un certain nombre d'avantages, dans la mesure où il y a un transfert direct et passif de chaleur produite par le fonctionnement des 30 composants électriques vers l'environnement simplement à travers la paroi de la structure. Les moyens à caloduc n'utilisent aucune pièce en mouvement, de sorte que leur fiabilité est extrêmement élevée. Ceci permet de réduire le nombre d'interventions sur ce type de systèmes.These evaporator blocks then make it possible to recover the heat produced by these IGBT transistors, in order to transport it, through the heat pipe tubes, for example 4, to the condenser means, for example 6, fixed against the internal face of the wall of the structure. . It should be noted that the arrangement of the condenser means makes it possible to conform to the shape of the internal face of the wall of the structure, to ensure thermal continuity and to allow good evacuation of the heat. The evacuation of heat is therefore towards the environment. It will be appreciated that this has a number of advantages in that there is a direct and passive transfer of heat produced by the operation of the electrical components to the environment simply through the wall of the structure. The heat pipe means use no moving parts, so that their reliability is extremely high. This makes it possible to reduce the number of interventions on this type of system.

35 Par ailleurs l'utilisation des tubes caloducs permet également d'absorber sans problème, toute variation notamment de la forme de la structure immergée, lorsque celle- 3037641 5 ci est plongée dans son environnement et lorsque par exemple, elle est immergée à des profondeurs relativement importantes, se traduisant par une application de pression importante sur l'extérieur de cette structure et une légère déformation consécutive de celle-ci.Furthermore, the use of heat pipe tubes also makes it possible to absorb, without any problem, any variation, in particular of the shape of the submerged structure, when the latter is immersed in its environment and when, for example, it is submerged at depths. relatively important, resulting in an application of significant pressure on the outside of this structure and a slight subsequent deformation thereof.

5 Les tubes présentent en effet la capacité de se déformer, pour absorber les variations de distance consécutives entre les moyens à évaporateur et les moyens à condenseur. Les tubes peuvent par exemple présenter une forme adaptée comme par exemple en S ou autres leur conférant cette caractéristique de capacité de déformation.The tubes have indeed the ability to deform, to absorb the consecutive distance variations between the evaporator means and the condenser means. The tubes may for example have a suitable shape such as for example S or others conferring them this characteristic of deformation capacity.

10 D'autres avantages sont liés à la suppression des échangeurs externes à la structure, tels qu'ils étaient proposés dans l'état de la technique, en raison notamment des réductions de coûts et à l'amélioration de la fiabilité, liées au fait qu'il n'y a plus à prévoir de traversées de cloison étanche, etc. Bien entendu d'autres modes de réalisation encore peuvent être envisagés. 15Other advantages are related to the removal of exchangers external to the structure, as proposed in the state of the art, in particular because of cost reductions and the improvement of reliability, linked to the fact that that there is no longer any need for watertight crossings, etc. Of course other embodiments can be envisaged. 15

Claims

CLAIMS1.- Submerged caisson structure (1), in which are disposed means for electrical components (2) and means (3) for evacuating the heat produced by these during their operation, in order to control their temperature operating device, characterized in that the cooling means comprise heat pipe means (3) associated on the one hand with the electrical component means (2) and on the other hand with the inner face of the submerged structure (1), for allow passive heat removal to the environment through the wall of the submerged box structure (1).

2. submerged box structure according to claim 1, characterized in that the electrical component means (2) comprise means selected from the group comprising: - energy storage batteries, - transformer means - means forming inverter, rectifier means.

3. submerged box structure according to claim 1 or 2, characterized in that the heat pipe means (3) comprise heat pipe tubes (4) extending between evaporator means (5) at a heat recovery end of the component means (2) and condenser means (6) at a heat-dissipating end through the wall of the structure (1).

4. submerged box structure according to claim 3, characterized in that the heat pipe tubes (4) are deformable to absorb the variations in distance between the evaporator means (5) and the condenser means (6).

5. Underwater box structure according to claim 3 or 4, characterized in that the electrical component means (2) comprise semiconductor switching members (10) associated with evacuation soles (11, 12, 13). against which are placed the evaporator means (5).

6. submerged box structure according to claim 5, characterized in that the switching members (10) comprise IGBT transistors.