FR3106200A1 - Dispositif de régulation thermique, notamment de refroidissement pour véhicule automobile - Google Patents

Dispositif de régulation thermique, notamment de refroidissement pour véhicule automobile Download PDF

Info

Publication number
FR3106200A1
FR3106200A1 FR2000215A FR2000215A FR3106200A1 FR 3106200 A1 FR3106200 A1 FR 3106200A1 FR 2000215 A FR2000215 A FR 2000215A FR 2000215 A FR2000215 A FR 2000215A FR 3106200 A1 FR3106200 A1 FR 3106200A1
Authority
FR
France
Prior art keywords
fluid
channels
exposed
zone
path
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
FR2000215A
Other languages
English (en)
Inventor
Jean Damien Muller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo Systemes Thermiques SAS
Original Assignee
Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Systemes Thermiques SAS filed Critical Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority to FR2000215A priority Critical patent/FR3106200A1/fr
Publication of FR3106200A1 publication Critical patent/FR3106200A1/fr
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/03—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with plate-like or laminated conduits
    • F28D1/0308—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with plate-like or laminated conduits the conduits being formed by paired plates touching each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/03—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with plate-like or laminated conduits
    • F28D1/0308—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with plate-like or laminated conduits the conduits being formed by paired plates touching each other
    • F28D1/035—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with plate-like or laminated conduits the conduits being formed by paired plates touching each other with U-flow or serpentine-flow inside the conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F28F13/08—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by varying the cross-section of the flow channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/04—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element
    • F28F3/042—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element in the form of local deformations of the element
    • F28F3/046—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element in the form of local deformations of the element the deformations being linear, e.g. corrugations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/04—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element
    • F28F3/048—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element in the form of ribs integral with the element or local variations in thickness of the element, e.g. grooves, microchannels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
    • H01M10/613—Cooling or keeping cold
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/62—Heating or cooling; Temperature control specially adapted for specific applications
    • H01M10/625—Vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/655—Solid structures for heat exchange or heat conduction
    • H01M10/6554—Rods or plates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/655—Solid structures for heat exchange or heat conduction
    • H01M10/6556—Solid parts with flow channel passages or pipes for heat exchange
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/008—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/656—Means for temperature control structurally associated with the cells characterised by the type of heat-exchange fluid
    • H01M10/6569—Fluids undergoing a liquid-gas phase change or transition, e.g. evaporation or condensation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Abstract

Dispositif de régulation thermique, notamment de refroidissement pour véhicule automobile L’invention concerne un dispositif de régulation, notamment de refroidissement, pour composant électrique susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement, notamment pour un module de stockage d’énergie électrique, ce dispositif comportant une plaque supérieure et une plaque inférieure assemblée avec la plaque supérieure pour former ensemble une pluralité de canaux (13, 30) de circulation pour un fluide caloporteur, notamment un fluide réfrigérant, dispositif dans lequel certains des canaux définissent deux chemins de circulation de fluide caloporteur comprenant une entrée commune et une sortie commune de fluide de sorte que l’entrée distribue du fluide réfrigérant vers les deux chemins (20), caractérisé en ce que chaque chemin comporte au moins deux tronçons (23, 24), notamment rectilignes parallèles, connectés entre eux par une chambre de virage dans laquelle le fluide fait un demi-tour de l’un des tronçons vers l’autre tronçon, et les deux chemins sont à symétrie miroir l’un de l’autre. Figure pour l’abrégé : Figure 3

Description

Dispositif de régulation thermique, notamment de refroidissement pour véhicule automobile
La présente invention concerne un dispositif de régulation thermique, notamment de refroidissement, notamment pour composant électrique susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement, notamment un dispositif de refroidissement d’au moins une batterie ou cellules de batterie de véhicule automobile.
L’invention concerne notamment des échangeurs thermiques à plaques destinés à la circulation d’un fluide frigorigène permettant le refroidissement des batteries de véhicules hybrides ou électriques.
Historiquement, les échangeurs destinés à la circulation d’un fluide frigorigène pour le refroidissement des batteries de véhicules hybrides ou électrique étaient composés de tubes extrudés en aluminium, au bout desquels se trouvaient des collecteurs permettant de réaliser le circuit fluidique adéquat. Le grand avantage de cette solution est la flexibilité en terme de circuit, des tubes by-pass intelligemment placés permettant de réaliser tous les circuits désirés.
C’est un avantage important dans la mesure où le fonctionnement de la boucle véhicule impose qu’en entrée du compresseur, et donc indirectement en sortie de l’échangeur, le réfrigérant se trouve dans un état 100% gazeux. De manière générale, le débit du réfrigérant est contrôlé de façon à ce qu’en sortie de l’échangeur sa température soit 5 Kelvins plus chaude que ce qu’elle aurait dû être : on parle de surchauffe.
Le déposant a constaté que cette surchauffe impacte deux variables sur les batteries. Le premier impact est sur le niveau de température, à savoir qu’en regard des zones où se déroule la surchauffe, le niveau de température augmente notamment du fait que le réfrigérant est plus chaud. Le second impact est sur l’homogénéité en température entre les différentes cellules constituant la batterie : on comprend aisément qu’au niveau des zones surchauffées, les cellules sont plus chaudes que les cellules en regard des zones non surchauffées.
Le niveau de température n’est cependant pas le seul facteur influençant la performance thermique de l’échangeur. Lorsque toute la partie liquide du réfrigérant est évaporée, et donc qu’il ne reste que du gaz, l’échangeur thermique entre les parois de l’échangeur et le réfrigérant est fortement diminué d’un ordre 3 à 4. Ainsi non seulement la température du réfrigérant détériore les performances thermiques, mais cette chute de l’échange thermique impacte également le niveau de température des cellules en regard de la zone de surchauffe et l’homogénéité thermique globale de la batterie, les cellules surchauffées étant « beaucoup plus » chaudes que celles voyant un mélange gaz/liquide.
Avec un échangeur à tubes extrudés, le fait de pouvoir faire un circuit sur-mesure permet de compenser les effets décrits ci-dessus. Ainsi, on s’arrange toujours à avoir en sortie de l’échangeur sous une cellule de batterie un tube « froid » (non surchauffé) et un tube « chaud » (surchauffé). Les températures chaudes et froides au niveau de la surface des tubes permettent de moyenner la température des cellules dans les zones de surchauffe, et garantir ainsi un fonctionnement thermique acceptable du pack batterie.
Ce système fonctionne bien si les cellules sont perpendiculaires au sens de l’écoulement du réfrigérant. Dès lors que les cellules se trouvent parallèles au sens de l’écoulement du réfrigérant, les cellules en regard des tubes surchauffés ne voient plus qu’un tube surchauffé, et le déséquilibre thermique dans le pack batterie est alors inacceptable (la surchauffe atteint 10K à 15K pour un niveau attendu inférieur à 5K). Des solutions telles que des plaques épaisses d’aluminium placées entre l’échangeur et les cellules permettent de compenser partiellement ce déséquilibre pour des faibles puissances de cellules (notamment inférieures à 15W), mais ceci ne fonctionne plus au-delà.
En parallèle de ce problème, les puissances thermiques à dissiper au niveau des cellules allant croissant, les surface d’échange entre lesdites cellules et l’échangeur ont dû être augmentées. De plus, la place dédiée à ces systèmes de refroidissement de batterie étant de plus en plus réduite, un travail sur l’encombrement a été effectué. Ainsi des échangeurs réfrigérants à plaque pour batteries ont été développés récemment, garantissant des niveaux de performance supérieurs pour des encombrements réduits. Cependant au niveau des zones surchauffées, si les cellules sont parallèles au sens de l’écoulement du fluide, ou s’il est impossible de faire passer sous les cellules des canaux « froids » et « chauds », on retrouve un déséquilibre thermique inacceptable, quel que soit le niveau de puissance dissipé par les cellules.
L’invention vise à pallier ces problèmes.
L’invention propose ainsi un dispositif de régulation thermique, notamment de refroidissement, pour composant électrique susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement, notamment pour un module de stockage d’énergie électrique, ce dispositif comportant une plaque supérieure et une plaque inférieure assemblée avec la plaque supérieure pour former ensemble une pluralité de canaux de circulation pour un fluide caloporteur, notamment un fluide réfrigérant, dispositif dans lequel certains des canaux définissent un chemin de circulation de fluide caloporteur comprenant une entrée et une sortie de fluide, caractérisé en ce que ce chemin traverse une zone thermique exposée dans laquelle le nombre de canaux par unité de surface augmente par rapport au nombre canaux sur le reste de ce chemin, à l’extérieur de cette zone thermique exposée.
On entend par unité de surface une mesure faite sur le plan des plaques, notamment suivant le plan entre les cellules de batterie et la plaque supérieure.
Selon l’un des aspects de l’invention, dans la zone thermique exposée, la section de passage de fluide de l’un au moins des canaux est plus petite que la section de passage de l’un au moins des canaux à l’extérieur de cette zone exposée.
Selon l’un des aspects de l’invention, dans la zone thermique, la section de passage de fluide de chacun des canaux est plus petite que la section de passage de chacun des canaux à l’extérieur de cette zone exposée.
Selon l’un des aspects de l’invention, toutes les sections de passage individuelles des canaux dans la zone thermique sont plus petites que les sections individuelles sur le chemin, à l’extérieur de la zone thermique.
Selon l’un des aspects de l’invention, la somme des sections de passage dans la zone thermique est inférieure à la somme de sections de passage sur le chemin, à l’extérieur de la zone thermique.
Selon l’un des aspects de l’invention, la zone thermique exposée est plus proche de la sortie de fluide que de l’entrée de fluide.
Selon l’un des aspects de l’invention, la zone exposée présente une longueur inférieure à la longueur totale du chemin entre l’entrée de fluide et la sortie de fluide, notamment inférieure à ½, voire inférieure à 1/4, voire inférieure à 1/6 de la longueur totale du chemin.
Selon l’un des aspects de l’invention, la zone exposée mesure par exemple 1/8 environ de la longueur totale du chemin.
Selon l’un des aspects de l’invention, le nombre de canaux dans la zone exposée est au moins 1.5 fois supérieur au nombre de canaux sur le chemin de fluide, à l’extérieur de cette zone exposée.
Selon l’un des aspects de l’invention, le nombre de canaux dans la zone exposée est 2 fois supérieur au nombre de canaux sur le chemin de fluide, à l’extérieur de cette zone exposée.
Selon l’un des aspects de l’invention, les canaux dans la zone exposée sont parallèles entre eux.
Selon l’un des aspects de l’invention, les canaux dans la zone exposée sont régulièrement espacés entre eux.
Selon l’un des aspects de l’invention, les canaux dans la zone exposée ont tous la même longueur.
Selon l’un des aspects de l’invention, les canaux dans la zone exposée sont collectivement dans un rectangle.
Selon l’un des aspects de l’invention, la largeur du chemin de fluide, à savoir la distance mesurée transversalement à une direction d’écoulement du fluide sur le chemin, et distance qui sépare les canaux latéraux extérieurs du chemin de fluide, est sensiblement la même dans zone thermique et en dehors de la zone thermique.
Autrement dit, le chemin de fluide présente globalement la même largeur tout le long de l’écoulement de fluide.
Selon l’un des aspects de l’invention le chemin de fluide comporte au moins un tronçon rectiligne, et la zone thermique est située sur ce tronçon rectiligne.
Selon l’un des aspects de l’invention, le chemin comporte au moins deux tronçons, notamment rectilignes parallèles, connectés entre eux par une chambre de virage dans laquelle le fluide fait un demi-tour de l’un des tronçons vers l’autre tronçon.
Selon l’un des aspects de l’invention, la zone thermique est située sur le tronçon rectiligne le plus en aval des deux tronçons.
Selon l’un des aspects de l’invention, cette zone thermique est située sur la moitié terminale de ce tronçon aval.
Selon l’un des aspects de l’invention, le dispositif comporte deux chemins de fluide tous deux communiquant avec une entrée commune et une sortie commune aux deux chemins.
Selon l’un des aspects de l’invention, l’entrée de fluide comporte une chambre d’entrée avec au moins un orifice d’entrée de fluide.
Selon l’un des aspects de l’invention, la sortie de fluide comporte une chambre de sortie de fluide avec au moins un orifice de sortie de fluide.
Selon l’un des aspects de l’invention, les deux chemins sont à symétrie miroir l’un de l’autre.
Selon l’un des aspects de l’invention, ces deux chemins comportent tous deux la zone thermique avec les canaux en plus grand nombre dans ces zones.
Selon l’un des aspects de l’invention, chaque chemin comporte une seule chambre de virage. Autrement dit le fluide fait un seul demi-tour sur chaque chemin.
Selon l’un des aspects de l’invention, les chambre de virage sont disposées à une première extrémité des plaques inferieure et supérieure, et les chambres d’entrée et de sortie sont disposées sur une deuxième extrémité des plaques opposée à la première extrémité.
Selon l’un des aspects de l’invention, la chambre d’entrée comporte un orifice d’entrée réalisé sur la plaque supérieure.
Selon l’un des aspects de l’invention la chambre de sortie comporte un orifice de sortie réalisé sur la plaque supérieure.
Selon l’un des aspects de l’invention, les orifices d’entrée et de sortie sont en communication fluidique avec une bride rapportée sur la plaque supérieure.
Selon l’un des aspects de l’invention, la plaque supérieure est en matériau préférentiellement thermiquement conducteur, plaque notamment plane, et destinée à recevoir sur l’une de ses faces les composants à refroidir.
Selon l’un des aspects de l’invention, la plaque inférieure est assemblée mécaniquement et de manière étanche avec la plaque supérieure sur le côté opposé aux éléments à refroidir.
Selon l’un des aspects de l’invention, sont prévus une bride et/ou des tuyaux reliés à la bride pour assurer la connexion fluidique de l’échangeur avec un circuit de fluide. Les orifices communiquant avec la bride peuvent se trouver indifféremment sur la plaque supérieure ou la plaque inférieure.
Selon l’un des aspects de l’invention, les canaux sur le chemin de fluide, en dehors de la zone thermique exposée, présente une section de passage comprise entre 6 et 15 mm2, étant par exemple de 11.31mm2. Le périmètre mouillé est compris 15 et 25 mm, étant par exemple de 19.24mm.
Selon l’un des aspects de l’invention, la largeur et hauteur des canaux ainsi que leurs formes sont déterminées afin de résister aux contraintes mécaniques, garantir un bon écoulement du fluide réfrigérant et assurer un échange thermique optimum.
Selon l’un des aspects de l’invention, les cellules de batterie sont parallèles au sens de l’écoulement du fluide.
Selon l’un des aspects de l’invention, la chambre d’entrée débouche sur les deux chemins de fluide de sorte que le fluide dans cette chambre d’entrée se divise en deux pour alimenter les deux chemins, puis revenir par une région centrale.
Selon l’un des aspects de l’invention, les composants à refroidir sont des cellules de batterie.
Selon l’un des aspects de l’invention, ces cellules sont par exemple au nombre de 4 modules de 24 cellules chacun. En regard de chaque cellule passe l’un des chemins de fluide. Dans l’exemple considéré, par chemin de fluide qui occupe une moitié de l’échangeur, il y a 6 canaux à l’aller, et 6 canaux au retour de fluide, après la chambre de virage.
On constate, dans un exemple, que ce sont les 12 cellules centrales sur le module le plus proche de l’entrée et de la sortie qui sont exposées au risque de surchauffe.
L’invention permet notamment, en ce qui concerne les cellules de batterie exposées au risque de surchauffe, d’améliorer l’échange thermique entre le fluide réfrigérant et la plaque supérieure dans la zone thermique exposée située en regard des cellules de batterie exposées au risque de surchauffe, de manière à ce que cet échange thermique soit équivalent à l’échange thermique dans les zones du chemin de fluide en dehors de la zone thermique exposée. Le débit de fluide réfrigérant étant imposé identiquement dans tout l’échangeur, l’invention enseigne d’optimiser la section de passage et le périmètre mouillé des canaux dans la zone exposée à la surchauffe. Ainsi on augmente la vitesse du fluide réfrigérant, augmentant son nombre de Reynolds Re et donc son nombre de Nusselt Nu, les deux étant liés par la relation Nu=f(Re ;Pr) où Pr est le nombre de Prandtl, fonction de la température et du type de fluide réfrigérant. On peut considérer Pr constant dans le cas présent, seul le Reynolds varie significativement.
Le changement de géométrie des canaux dans la zone thermique exposée permet notamment de diminuer également le diamètre hydraulique Dh desdits canaux. Le coefficient d’échange h étant proportionnel au nombre de Nusselt, à la conductivité thermique du fluide réfrigérant, et inversement proportionnel au diamètre hydraulique des canaux (h = Nu * Cond / Dh), on combine le double effet d’augmentation du nombre de Nusselt et diminution du diamètre hydraulique, permettant donc d’augmenter le coefficient d’échange.
Une étude paramétrique permet, dans un cas d’exemple, de déterminer les valeurs optimales de section à 2.24mm2 et un périmètre mouillé de 7.08 mm.
Dans la zone thermique exposée, on passe, par exemple, alors de 6 canaux classiques, en dehors de cette zone exposée, à 12 canaux optimisés pour contrer la surchauffe.
De préférence, la longueur des canaux dans zone exposée, couvre toute la longueur de la zone exposée. Préférentiellement les canaux de la zone exposée débutent en amont, notamment à quelques millimètres en amont, de la zone exposée.
Selon l’un des aspects de l’invention, la zone exposée couvre notamment une seule rangée de cellules de batterie.
L’invention permet notamment les avantages suivants : des performances thermiques de l’échangeur sont accrues, l’homogénéité de température améliorée passant à par exemple 6 Kelvins et la température maximale souhaitée, par exemple à 54°C.
Selon un exemple de mise en œuvre de l’invention, afin de garantir un niveau d’échange équivalent entre la zone exposée et en dehors de cette zone, il est préconisé d’avoir, au niveau des canaux, un rapport canaux hors zone exposée/canaux dans zone exposée entre 3 et 7 sur la section de passage du fluide, et un rapport entre 1.5 et 4 sur le périmètre mouillé.
L’invention permet ainsi, pour le chemin de fluide, malgré une surchauffe potentielle en bout de plaques, de garantir un niveau de performance thermique acceptable sur toute sa surface.
L’invention permet ainsi d’améliorer le conditionnement thermique des cellules batterie, réduisant leur perte de capacité et donc augmentant la durée de vie du pack batterie.
L’invention a encore pour objet un dispositif de régulation thermique, notamment de refroidissement, pour composant électrique susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement, notamment pour un module de stockage d’énergie électrique, ce dispositif comportant une plaque supérieure et une plaque inférieure assemblée avec la plaque supérieure pour former ensemble une pluralité de canaux de circulation pour un fluide caloporteur, notamment un fluide réfrigérant, notamment un fluide choisi parmi les fluides réfrigérants suivants R134a, R1234yf ou R744, dispositif dans lequel certains des canaux définissent deux chemins de circulation de fluide caloporteur comprenant une entrée commune et une sortie commune de fluide de sorte que l’entrée distribue du fluide réfrigérant vers les deux chemins, caractérisé en ce que chaque chemin comporte au moins deux tronçons, notamment rectilignes parallèles, connectés entre eux par une chambre de virage dans laquelle le fluide fait un demi-tour de l’un des tronçons vers l’autre tronçon, et les deux chemins sont à symétrie miroir l’un de l’autre.
L’invention a encore pour objet un système comportant un composant électrique susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement, notamment pour un module de stockage d’énergie électrique, et un dispositif de refroidissement décrit ci-dessus, agencé pour refroidir le composant, ce composant ou batterie étant en contact thermique avec la plaque supérieure du dispositif de refroidissement.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels :
– la illustre, schématiquement et partiellement, un dispositif selon un exemple de l’invention;
- la illustre, schématiquement et partiellement, la plaque supérieure du dispositif de la [Figure 1],
- la illustre, schématiquement et partiellement, la plaque inférieure du dispositif de la [Figure 1],
- la illustre, schématiquement et partiellement, un détail de la plaque inférieure de la [Figure 3],
- la illustre, schématiquement et partiellement, une coupe du dispositif de la [Figure 1],
- la illustre, schématiquement et partiellement, les chemins de fluide dans le dispositif de la [Figure 1].
On a représenté sur les à [Figure 6] un système 1 comportant un ensemble de cellules de batterie 2 à refroidir, par exemple rangées suivant quatre rangées 3 parallèles, et un dispositif de régulation 10 agencé pour refroidir les cellules 2, qui sont en contact thermique avec une plaque supérieure du dispositif de refroidissement 10, comme expliqué plus bas.
Le dispositif de régulation thermique 10 comporte une plaque supérieure 11, une plaque inférieure 12 assemblée avec la plaque supérieure 11 pour former ensemble une pluralité de canaux 13 de circulation pour un fluide réfrigérant, notamment un fluide choisi parmi les fluides réfrigérants suivants R134a, R1234yf ou R744.
Les canaux 13 définissent deux chemins 20 de circulation de fluide réfrigérant comprenant une entrée commune 21 et une sortie commune 22 de fluide de sorte que l’entrée 21 distribue du fluide réfrigérant vers les deux chemins 20, et chaque chemin 20 comporte deux tronçons 23 et 24, rectilignes parallèles, connectés entre eux par une chambre de virage 25 dans laquelle le fluide fait un demi-tour du tronçon 23 vers l’autre tronçon 24, et les deux chemins 20 sont à symétrie miroir l’un de l’autre par rapport à un plan de symétrie P perpendiculaire aux plaques 11 et 12 et passant par le milieu des plaques 11 et 12.
Les chemins 20 traversent une zone thermique exposée 29 dans laquelle le nombre de canaux 13 par unité de surface augmente par rapport au nombre canaux sur le reste de ce chemin 20 respectif, à l’extérieur de cette zone thermique exposée 29.
On entend par unité de surface une mesure faite sur le plan des plaques11 et 12, notamment suivant le plan entre les cellules de batterie et la plaque supérieure.
Dans la zone thermique exposée 29, la section de passage de fluide des canaux 30 est plus petite que la section de passage des canaux 13 à l’extérieur de cette zone exposée 29.
La hauteur des canaux 30 dans la zone 29 est plus faible que la hauteur des canaux 13 à l’extérieur de cette zone 29, comme on peut le voir sur la .
Toutes les sections de passage individuelles des canaux 30 dans la zone thermique sont plus petites que les sections individuelles des canaux 13 sur le chemin, à l’extérieur de la zone thermique.
La somme des sections de passage dans la zone thermique 29 est inférieure à la somme de sections de passage sur le chemin 20 respectif, à l’extérieur de la zone thermique.
La zone thermique 29 exposée est plus proche de la sortie de fluide 22 que de l’entrée de fluide 21, en termes d’écoulement de fluide.
La zone exposée 29 présente une longueur d’environ 1/8 de la longueur totale du chemin dans le cas de quatre rangées de cellules.
Le nombre de canaux 30 dans la zone exposée 29 est 2 fois supérieur au nombre de canaux 13 sur le chemin de fluide, à l’extérieur de cette zone exposée. Ainsi la densité est double dans la zone 29 par rapport à l’extérieur de cette zone 29.
Les canaux 30 dans la zone exposée 29 sont parallèles entre eux.
Les canaux 30 dans la zone exposée sont régulièrement espacés entre eux.
Les canaux 30 dans la zone exposée ont tous la même longueur.
Les canaux 30 dans la zone exposée sont collectivement inscrits dans un rectangle.
Les canaux 30 des deux chemins 20 sont côté à côté et sont symétriques l’un de l’autre par rapport au plan P, et sont inscrits dans un rectangle identique.
La largeur du chemin de fluide 20, à savoir la distance mesurée transversalement à une direction d’écoulement du fluide sur le chemin, et distance qui sépare les canaux latéraux extérieurs du chemin de fluide, est sensiblement la même dans zone thermique et en dehors de la zone thermique. Autrement les canaux 30 s’étendent sur une même largeur que les canaux 13.
La zone thermique 29 est située sur le tronçon rectiligne 24 du chemin 20 respectif.
La zone thermique 29 est ainsi située sur le tronçon rectiligne 24 le plus en aval des deux tronçons du chemin 20 respectif.
Cette zone thermique 29 est située sur la moitié terminale de ce tronçon aval 24, en bout de ce tronçon 24.
L’entrée de fluide 21comporte une chambre d’entrée 41 avec un orifice d’entrée 51 de fluide.
La sortie 22 de fluide comporte une chambre de sortie 42 de fluide avec un orifice 52 de sortie de fluide.
Chaque chemin 20 comporte une seule chambre de virage 25. Autrement dit le fluide fait un seul demi-tour sur chaque chemin.
Les chambre de virage 25 sont disposées à une première extrémité 38 des plaques inferieure 11 et supérieure 12, et les chambres d’entrée 41 et de sortie 42 sont disposées sur une deuxième extrémité 39 des plaques opposée à la première extrémité.
Ici, la chambre d’entrée 41 comporte l’orifice d’entrée 51 réalisé sur la plaque supérieure 11.
La chambre de sortie 42 comporte l’orifice de sortie 52 réalisé sur la plaque supérieure 12.
Les orifices d’entrée et de sortie 51 et 52 sont en communication fluidique avec une bride 53 rapportée sur la plaque supérieure 11. Cette bride 53 permet la connexion de tubulures non représentées.
La plaque supérieure 11 est en matériau préférentiellement thermiquement conducteur, plane, et destinée à recevoir sur l’une de ses faces les composants à refroidir.
La plaque inférieure 12 est assemblée mécaniquement et de manière étanche avec la plaque supérieure sur le côté opposé aux éléments à refroidir.
Selon l’un des aspects de l’invention, les canaux sur le chemin de fluide, en dehors de la zone thermique exposée, présente une section de passage comprise entre 6 et 15 mm2, étant par exemple de 11.31mm2. Le périmètre mouillé est compris 15 et 25 mm, étant par exemple de 19.24mm.
La largeur et hauteur des canaux ainsi que leurs formes sont déterminées afin de résister aux contraintes mécaniques, garantir un bon écoulement du fluide réfrigérant et assurer un échange thermique optimum.
Selon l’un des aspects de l’invention, les cellules 2 de batterie sont parallèles au sens de l’écoulement du fluide.
La chambre d’entrée 41 débouche sur les deux chemins 20 de fluide de sorte que le fluide dans cette chambre d’entrée se divise en deux pour alimenter les deux chemins, puis revenir par une région centrale.
Ici ces cellules sont au nombre de 4 modules de 24 cellules chacun. En regard de chaque cellule passe l’un des chemins de fluide. Dans l’exemple considéré, par chemin de fluide qui occupe une moitié de l’échangeur, il y a 6 canaux à l’aller, et 6 canaux au retour de fluide, après la chambre de virage.
On constate, dans un exemple, que ce sont les 12 cellules centrales sur le module le plus proche de l’entrée et de la sortie qui sont exposées au risque de surchauffe.
L’invention permet notamment, en ce qui concerne les cellules de batterie exposées au risque de surchauffe, d’améliorer l’échange thermique entre le fluide réfrigérant et la plaque supérieure dans la zone thermique exposée située en regard des cellules de batterie exposées au risque de surchauffe, de manière à ce que cet échange thermique soit équivalent à l’échange thermique dans les zones du chemin de fluide en dehors de la zone thermique exposée. Le débit de fluide réfrigérant étant imposé identiquement dans tout l’échangeur, l’invention enseigne d’optimiser la section de passage et le périmètre mouillé des canaux dans la zone exposée à la surchauffe. Ainsi on augmente la vitesse du fluide réfrigérant, augmentant son nombre de Reynolds Re et donc son nombre de Nusselt Nu, les deux étant liés par la relation Nu=f(Re ;Pr) où Pr est le nombre de Prandtl, fonction de la température et du type de fluide réfrigérant. On peut considérer Pr constant dans le cas présent, seul le Reynolds varie significativement.
Le changement de géométrie des canaux dans la zone thermique exposée permet notamment de diminuer également le diamètre hydraulique Dh desdits canaux. Le coefficient d’échange h étant proportionnel au nombre de Nusselt, à la conductivité thermique du fluide réfrigérant, et inversement proportionnel au diamètre hydraulique des canaux (h = Nu * Cond / Dh), on combine le double effet d’augmentation du nombre de Nusselt et diminution du diamètre hydraulique, permettant donc d’augmenter le coefficient d’échange.
Une étude paramétrique permet, dans un cas d’exemple, de déterminer les valeurs optimales de section à 2.24mm2 et un périmètre mouillé de 7.08 mm.
Dans la zone thermique exposée, on passe, dans l’exemple, alors de 6 canaux classiques, en dehors de cette zone exposée, à 12 canaux optimisés pour contrer la surchauffe.
De préférence, la longueur des canaux dans zone exposée, couvre toute la longueur de la zone exposée. Préférentiellement les canaux de la zone exposée débutent en amont, notamment à quelques millimètres en amont, de la zone exposée.
La zone exposée 29 couvre notamment une seule rangée de cellules de batterie.
L’invention permet notamment les avantages suivants : des performances thermiques de l’échangeur sont accrues, l’homogénéité de température améliorée passant à par exemple 6 Kelvins, soit une diminution de 9K par rapport au cas sans les canaux 30 de la zone exposée 29, et la température maximale souhaitée, par exemple à 54°C, soit une diminution de 8°C.
Afin de garantir un niveau d’échange équivalent entre la zone exposée et en dehors de cette zone, il est préconisé d’avoir, au niveau des canaux, un rapport canaux hors zone exposée/canaux dans zone exposée entre 3 et 7 sur la section de passage du fluide, et un rapport entre 1.5 et 4 sur le périmètre mouillé.

Claims (12)

  1. Dispositif (1) de régulation thermique, notamment de refroidissement, pour composant électrique susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement, notamment pour un module de stockage d’énergie électrique, ce dispositif comportant une plaque supérieure et une plaque inférieure assemblée avec la plaque supérieure pour former ensemble une pluralité de canaux (13, 30) de circulation pour un fluide caloporteur, notamment un fluide réfrigérant, dispositif dans lequel certains des canaux définissent deux chemins de circulation de fluide caloporteur comprenant une entrée commune et une sortie commune de fluide de sorte que l’entrée distribue du fluide réfrigérant vers les deux chemins (20), caractérisé en ce que chaque chemin comporte au moins deux tronçons (23, 24), notamment rectilignes parallèles, connectés entre eux par une chambre de virage dans laquelle le fluide fait un demi-tour de l’un des tronçons vers l’autre tronçon, et les deux chemins sont à symétrie miroir l’un de l’autre.
  2. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel chaque chemin (20) traverse une zone thermique exposée (29) dans laquelle le nombre de canaux (30) par unité de surface augmente par rapport au nombre canaux sur le reste de ce chemin, à l’extérieur de cette zone thermique exposée.
  3. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel, dans la zone thermique (29), la section de passage de fluide de l’un au moins des canaux (30) est plus petite que la section de passage de l’un au moins des canaux (13) à l’extérieur de cette zone exposée.
  4. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel, dans la zone thermique, la section de passage de fluide de chacun des canaux (30) est plus petite que la section de passage de chacun des canaux à l’extérieur de cette zone exposée.
  5. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la zone thermique exposée (29) est plus proche de la sortie (22) de fluide que de l’entrée de fluide (21).
  6. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la zone exposée (29) présente une longueur inférieure à la longueur totale du chemin entre l’entrée de fluide et la sortie de fluide, notamment inférieure à 1/2, voire inférieure à 1/6 de la longueur totale du chemin.
  7. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le nombre de canaux (30) dans la zone exposée est 2 fois supérieur au nombre de canaux (13) sur le chemin de fluide, à l’extérieur de cette zone exposée.
  8. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les canaux (30) dans la zone exposée (29) sont régulièrement espacés entre eux.
  9. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le chemin (20) comporte au moins deux tronçons (23;24), notamment rectilignes parallèles, connectés entre eux par une chambre de virage dans laquelle le fluide fait un demi-tour de l’un des tronçons vers l’autre tronçon.
  10. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la zone thermique est située sur la moitié terminale du tronçon aval (24).
  11. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les deux chemins (20) de fluide tous deux communiquent avec une entrée commune et une sortie commune aux deux chemins.
  12. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les cellules de batterie sont parallèles au sens de l’écoulement du fluide.
FR2000215A 2020-01-10 2020-01-10 Dispositif de régulation thermique, notamment de refroidissement pour véhicule automobile Pending FR3106200A1 (fr)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2000215A FR3106200A1 (fr) 2020-01-10 2020-01-10 Dispositif de régulation thermique, notamment de refroidissement pour véhicule automobile

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2000215A FR3106200A1 (fr) 2020-01-10 2020-01-10 Dispositif de régulation thermique, notamment de refroidissement pour véhicule automobile
FR2000215 2020-01-10

Publications (1)

Publication Number Publication Date
FR3106200A1 true FR3106200A1 (fr) 2021-07-16

Family

ID=70008869

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FR2000215A Pending FR3106200A1 (fr) 2020-01-10 2020-01-10 Dispositif de régulation thermique, notamment de refroidissement pour véhicule automobile

Country Status (1)

Country Link
FR (1) FR3106200A1 (fr)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090258289A1 (en) * 2008-04-09 2009-10-15 Gm Global Technology Operations, Inc. Battery cooling plate design with discrete channels
WO2009131668A2 (fr) * 2008-04-21 2009-10-29 Vasanth Vailoor Ensemble radiateur refroidi à l’air pour un équipement électrique rempli d’huile
DE102012005871A1 (de) * 2012-03-23 2013-09-26 Valeo Klimasysteme Gmbh Kühlvorrichtung für eine Fahrzeugbatterie sowie Fahrzeugbatterie mit Kühlvorrichtung

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090258289A1 (en) * 2008-04-09 2009-10-15 Gm Global Technology Operations, Inc. Battery cooling plate design with discrete channels
WO2009131668A2 (fr) * 2008-04-21 2009-10-29 Vasanth Vailoor Ensemble radiateur refroidi à l’air pour un équipement électrique rempli d’huile
DE102012005871A1 (de) * 2012-03-23 2013-09-26 Valeo Klimasysteme Gmbh Kühlvorrichtung für eine Fahrzeugbatterie sowie Fahrzeugbatterie mit Kühlvorrichtung
US20150086831A1 (en) * 2012-03-23 2015-03-26 Valeo Klimasysteme Gmbh Cooling Device For A Vehicle Battery, And Vehicle Battery With Cooling Device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
FR3106199A1 (fr) Dispositif de régulation thermique, notamment de refroidissement pour véhicule automobile
WO2019197759A1 (fr) Système de refroidissement d'au moins une batterie de véhicule automobile
EP1558886B1 (fr) Système de gestion de l'énergie thermique développée par un moteur thermique de véhicule automobile
EP4062120A1 (fr) Système de gestion thermique pour composant électrique
WO2020178519A1 (fr) Dispositif de regulation thermique, notamment de refroidissement pour vehicule automobile
EP3850290A1 (fr) Dispositif de regulation thermique, notamment de refroidissement
FR3100608A1 (fr) Système de gestion thermique pour composant électrique
EP3548828B1 (fr) Dispositif de distribution d'un fluide réfrigérant à l'intérieur de tubes d'un échangeur de chaleur constitutif d'un circuit de fluide réfrigérant
EP2999937B1 (fr) Dissipateur de chaleur et circuit de gestion thermique associe
FR3106200A1 (fr) Dispositif de régulation thermique, notamment de refroidissement pour véhicule automobile
WO2020178536A1 (fr) Dispositif de régulation thermique, notamment de refroidissement pour véhicule automobile
WO2016188666A1 (fr) Systeme de gestion thermique de vehicule electrique
WO2013037898A1 (fr) Evaporateur multi-nappes pour circuit de climatisation de véhicule automobile
WO2022074144A1 (fr) Dispositif de régulation thermique, notamment de refroidissement pour véhicule automobile
FR3063182B1 (fr) Systeme de conditionnement thermique d'un vehicule automobile mettant en oeuvre un dispositif de gestion thermique d'un pack-batterie
FR3115866A1 (fr) Dispositif de régulation thermique, notamment de refroidissement pour véhicule automobile
WO2023148371A1 (fr) Dispositif de régulation thermique, notamment de refroidissement
EP3956624A1 (fr) Dispositif de régulation thermique, notamment de refroidissement pour véhicule automobile
WO2019141938A1 (fr) Echangeur de chaleur pour vehicule, mû au moins en partie par un moteur electrique
FR3073609B1 (fr) Canal pour echangeur thermique d'un vehicule automobile
FR3078199A1 (fr) Systeme de refroidissement de cellules de batterie de vehicule automobile
FR3067797A1 (fr) Evaporateur a deux nappes, notamment pour circuit de climatisation de vehicule automobile, comprenant des tubes en "u" et circuit de climatisation correspondant
WO2023078811A1 (fr) Dispositif de régulation thermique, notamment de refroidissement
WO2022096278A1 (fr) Dispositif de régulation thermique, notamment de refroidissement pour véhicule automobile
WO2023169788A1 (fr) Dispositif de regulation thermique, notamment de refroidissement pour vehicule automobile

Legal Events

Date Code Title Description
PLFP Fee payment

Year of fee payment: 2

PLSC Publication of the preliminary search report

Effective date: 20210716

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 3

RX Complete rejection

Effective date: 20221117