FR3132983A1 - Dispositif de régulation thermique d’un élément électrique et/ou électronique à l’aide d’un fluide diélectrique et Système comprenant un tel dispositif - Google Patents

Dispositif de régulation thermique d’un élément électrique et/ou électronique à l’aide d’un fluide diélectrique et Système comprenant un tel dispositif Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif de régulation de température (1) d’au moins un composant électrique et/ou électronique (2), notamment pour véhicule automobile, notamment une cellule de stockage d’énergie, le dispositif (1) comprenant une enceinte (3) destinée à contenir un volume liquide de fluide diélectrique (4) et l’au moins un composant électrique (2) de façon à ce que ledit composant électrique soit au moins partiellement immergé dans ledit fluide, et au moins un moyen de mise en mouvement (5, 6) dudit volume de fluide diélectrique, ledit au moins un moyen étant configuré pour être partiellement immergé dans le fluide diélectrique et pour créer un mouvement du fluide par rotation dudit moyen. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 1

Description

Dispositif de régulation thermique d’un élément électrique et/ou électronique à l’aide d’un fluide diélectrique et Système comprenant un tel dispositif Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne de manière générale le domaine des dispositifs de régulation thermique d’un élément électrique et/ou électronique à l’aide d’un fluide diélectrique. L’invention concerne également un boîtier comprenant ledit dispositif ainsi qu’une pluralité d’éléments électriques et/ou électroniques et un fluide diélectrique.
 état de la technique antérieure
Les éléments électriques et/ou électroniques, que ce soit des cellules de stockage d’énergie électrique, des circuits intégrés, serveurs, centres de données, etc. nécessitent une régulation thermique afin de les maintenir dans leur plage de température de fonctionnement.
L’invention est en particulier destinée à équiper des véhicules automobiles, en particulier des véhicules automobiles à motorisation électrique ou hybride et à réguler thermiquement une cellule de stockage d’énergie électrique ou des éléments d’électronique de puissance.
La part de marché des véhicules électriques étant de plus en plus importante, les problématiques diélectrique/chauffage des packs batterie qui les équipent deviennent des enjeux stratégiques. L’objectif est de concevoir un dispositif de gestion thermique des batteries le plus performant, efficace et économique possible.
L’invention peut également s’appliquer à la régulation thermique d’un centre de données. Les centres de données à travers le monde représentent actuellement 10% de la consommation mondiale en électricité. L’avènement des technologies “chaînes de blocs” (Blockchain) et 5G, font que ce pourcentage pourrait augmenter drastiquement dans les prochaines années. La moitié au moins de cette consommation provient des systèmes de refroidissement de ces centres de données. Actuellement la majorité des centres de données sont refroidies par air en refroidissant l’air ambiant des salles de stockage par des dispositifs de climatisation. La température de fonctionnement optimale pour les centres de données est comprise entre 5°C et 40°C, plus particulièrement autour de 27°C. Prenant en considération que l’air présente une conductivité très faible, afin de refroidir suffisamment les éléments électroniques, ceux-ci pouvant atteindre des températures dépassant les 60°C, la différence de température entre l’air et les éléments électroniques à refroidir doit être importante et par conséquent ce genre de dispositif est très énergivore.
Dans le domaine automobile il est courant pour répondre au besoin de refroidissement (et/ou chauffage) des batteries électriques d’utiliser des échangeurs de chaleur consistant en une plaque froide avec circulation d’un liquide caloporteur (e.g. mixture d’eau et d’éthylène glycol), les plaques étant au contact des cellules à refroidir. Ce genre de techniques peuvent conduire à un refroidissement (et /ou chauffage) non homogène des batteries et limiter ainsi leur durée de vie et leur performance. Ces dispositifs présentent en outre une résistance thermique élevée en raison des épaisseurs de matière présentes entre le liquide caloporteur et les cellules.
Une solution proposée pour répondre à cette problématique consiste en une immersion des batteries électriques dans un fluide caloporteur diélectrique. Cette immersion peut être réalisée avec une circulation de fluide ou en condition statique avec changement de phase.
Ces deux techniques sont performantes d’un point de vue thermique en particulier en raison du contact direct établi entre le liquide et les cellules mais présentent le désavantage d’utiliser une grande quantité de liquide diélectrique, ce qui augmente le coût et le poids du pack batterie et sont également sensible au changement d’assiette du véhicule en fonctionnement.
Il en résulte un besoin pour une solution moins couteuse et qui nécessite moins de fluide tout en conservant une bonne capacité d’échange thermique.
La présente invention a donc pour objet de proposer un dispositif de régulation thermique d’un élément électrique et/ou électronique à l’aide d’un fluide diélectrique et système comprenant un tel dispositif, permettant de palier au moins une partie des inconvénients de l’art antérieur.
Ce but est atteint par un dispositif de régulation de température d’au moins un composant électrique et/ou électronique, notamment pour véhicule automobile, notamment une cellule de stockage d’énergie, le dispositif comprenant une enceinte destinée à contenir un volume liquide de fluide diélectrique et l’au moins un composant électrique de façon à ce que ledit composant électrique soit au moins partiellement immergé dans ledit fluide, et au moins un moyen de mise en mouvement dudit volume de fluide diélectrique, ledit au moins un moyen étant configuré pour être partiellement immergé dans le fluide diélectrique et pour créer un mouvement du fluide par rotation dudit moyen.
Selon une particularité, le moyen de mise en mouvement comprend au moins un parmi une hélice, une roue dentée, une roue à aubes.
Selon une autre particularité, le moyen est plus émergé qu’immergé.
Selon une autre particularité, le moyen présente 50% et 70% de surface émergée.
Selon une autre particularité, le moyen comprend des appendices configurés pour augmenter les éclaboussures de volume liquide de fluide lors de la rotation dudit moyen.
Selon une autre particularité, le dispositif comprend une pluralité de moyen de mise en mouvement par rotation.
Selon une autre particularité, les moyens de mise en mouvement par rotation présentent une vitesse de rotation différente.
La présente invention concerne aussi un système de gestion thermique d’un composant électrique et/ou électronique (2) comprenant un dispositif (1) tel que décrit précédemment, et comprenant en outre un moyen de chauffage et/ou refroidissement (7) du fluide diélectrique déporté hors de l’enceinte (3), et une conduite d’alimentation et une conduite d’évacuation connectant fluidiquement le dispositif de régulation de température et le moyen de chauffage et/ou refroidissement.
La présente invention concerne aussi un système de gestion thermique d’un composant électrique et/ou électronique comprenant un dispositif (1) tel que décrit précédemment, et comprenant en outre un moyen de refroidissement du fluide diélectrique, ledit moyen de refroidissement (7) étant immergé dans le volume liquide de fluide diélectrique à l’intérieur de l’enceinte, le moyen de refroidissement (7) comprenant une conduite d’alimentation et une conduite d’évacuation d’un fluide caloporteur connectant fluidiquement le moyen de refroidissement à un circuit de chauffage et/ou refroidissement dans lequel circule ledit fluide caloporteur.
La présente invention concerne aussi un système de gestion thermique d’un composant électrique et/ou électronique comprenant un boitier de batterie comprenant un dispositif tel que décrit précédemment, et en outre au moins un composant électrique et/ou électronique et un volume liquide de fluide diélectrique de façon à ce que ledit composant électrique soit au moins partiellement immergé dans ledit fluide.
 Brève description des figures
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit en référence aux figures annexées, qui illustre :
  • représente de façon schématique l’invention selon un premier mode de réalisation de l’invention.
  • représente de façon schématique l’invention selon un second mode de réalisation de l’invention.
 description detaillee de l’invention
De nombreuses combinaisons peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention ; l'homme de métier choisira l'une ou l'autre en fonction des contraintes économiques, ergonomiques, dimensionnelles ou autres qu'il devra respecter.
De manière générale, la présente invention comporte un dispositif de régulation de température d’au moins un composant électrique et/ou électronique, notamment pour véhicule automobile, notamment une cellule de stockage d’énergie, le dispositif comprenant une enceinte destinée à contenir un volume liquide de fluide diélectrique et l’au moins un composant électrique de façon à ce que ledit composant électrique soit au moins partiellement immergé dans ledit fluide, et au moins un moyen de mise en mouvement dudit volume de fluide diélectrique, ledit au moins un moyen étant configuré pour être partiellement immergé dans le fluide diélectrique et pour créer un mouvement du fluide par rotation dudit moyen.
On comprend par moyen de mise en mouvement partiellement immergé que le moyen doit être aussi partiellement émergé. De préférence, le moyen est plus émergé qu’immergé, encore préférentiellement entre 50% et 70% émergé.
Avantageusement,
Dans certains modes de réalisation, le moyen de mise en mouvement (5, 6) comprend au moins un parmi une hélice (5), une roue dentée (6), une roue à aubes.
Avantageusement, ces moyens permettent un mélange du volume de fluide diélectrique à moindre cout. Le choix de l’un de ces moyens dépendra de l’homme du métier en fonction des éléments dont la température est à réguler, de la température cible ainsi que du volume de fluide et de sa viscosité.
Dans certains modes de réalisation, le moyen est plus émergé qu’immergé. Dans certains modes de réalisation préférentiels, le moyen présente 50% et 70% de surface émergée.
Avantageusement, cela permet de créer plus de turbulences et d’éclaboussures, ce qui permet une meilleure répartition du fluide et un arrosage amélioré de la surface du composant dont la température est à réguler.
Dans certains modes de réalisation, le moyen comprend des appendices configurés pour augmenter les éclaboussures de volume liquide de fluide lors de la rotation dudit moyen.
Dans certains modes de réalisation, le dispositif comprend une pluralité de moyens de mise en mouvement (5, 6) par rotation. Dans certains modes de réalisation préférentiels, les moyens de mise en mouvement (5, 6) par rotation présentent une vitesse de rotation différente.
Avantageusement, cela permet d’augmenter les effets de turbulence et/ou d’augmenter les échanges localement si besoin.
Dans certains modes de réalisation, comme par exemple illustré de manière non limitative à la , l’invention concerne un dispositif comprenant une hélice (5) en rotation dans un volume liquide de fluide (4) qui vient mettre en mouvement ledit fluide afin d’améliorer les échanges thermiques avec le composant dont la température est à réguler (2).
Un moyen de refroidissement du fluide est prévu afin de refroidir le volume liquide de fluide lorsque celui-ci se serait réchauffé au contact du composant (2). Dans les figures 1 et 2, le moyen de refroidissement est représenté à l’extérieur du boitier (3) dans lequel est placé l’au moins un composant (2). Dans d’autres modes de réalisation, le moyen de refroidissement 7 est situé à l’intérieur du boitier, et peut être soit immergé dans le liquide, soit émergé sous forme d’une plaque de condenseur refroidissant la phase gazeuse du fluide lorsque celui-ci est utilisé sous forme diphasique, c’est-à-dire lorsque le fluide liquide se vaporise au contact du composant (2) avec qui il échange de la chaleur, et où le moyen de refroidissement formant plaque de condensation permet la condensation par contact avec ledit gaz.
De même, la illustre un exemple de mode de réalisation à titre d’exemple et non limitatif de la présente invention, dans lequel le moyen de mise en mouvement est une roue dentée (6) plutôt qu’une hélice. Tout autre moyen de mise en mouvement par rotation peut être facilement substituable à ceux présentés dans les figures 1 et 2 sans départir de l’invention.
Avantageusement, cette forme peut permettre des turbulences et échanges différents de ceux provoqués par l’hélice. Dans certains modes de réalisation, plusieurs formes sont combinées.
On comprend par « ledit composant électrique soit au moins partiellement immergé », qu’au moins la base des composants, par exemple la base des cellules est immergée. La proportion dépend du composant à refroidir, de la température à évacuer, mais aussi de contraintes de poids et de coûts.
Dans certains modes de réalisation, le fluide diélectrique est configuré pour être utilisé dans le dispositif dans un état diphasique liquide et gazeux. En d’autres termes, sa température de fusion à la pression d’utilisation du dispositif est choisie pour qu’il passe de l’état liquide à l’état gazeux sous l’effet d’un réchauffement au contact des batteries, qui cause sa vaporisation. Son refroidissement au contact d’un moyen de refroidissement, par exemple un condenseur, permet son retour à l’état liquide. Ce cycle permet avantageusement d’améliorer les échanges thermiques du fluide avec le composant à réguler thermiquement.
Dans certains modes de réalisation, le fluide diélectrique est configuré pour être utilisé dans le dispositif dans un état monophasique.
On comprendra aisément à la lecture de la présente demande que les particularités de la présente invention, comme généralement décrits et illustrés dans les figures, puissent être arrangés et conçus selon une grande variété de configurations différentes. Ainsi, la description de la présente invention et les figures afférentes ne sont pas prévues pour limiter la portée de l'invention mais représentent simplement des modes de réalisation choisis.
L’homme de métier comprendra que les caractéristiques techniques d’un mode de réalisation donné peuvent en fait être combinées avec des caractéristiques d’un autre mode de réalisation à moins que l’inverse ne soit explicitement mentionné ou qu’il ne soit évident que ces caractéristiques sont incompatibles. De plus, les caractéristiques techniques décrites dans un mode de réalisation donné peuvent être isolées des autres caractéristiques de ce mode à moins que l’inverse ne soit explicitement mentionné.
Il doit être évident pour les personnes versées dans l’art que la présente invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans l’éloigner du domaine défini par la portée des revendications jointes, ils doivent être considérés à titre d'illustration et l’invention ne doit pas être limitée aux détails donnés ci-dessus.

Claims (10)

  1. Dispositif de régulation de température (1) d’au moins un composant électrique et/ou électronique (2), notamment pour véhicule automobile, notamment une cellule de stockage d’énergie, le dispositif (1) comprenant une enceinte (3) destinée à contenir un volume liquide de fluide diélectrique (4) et l’au moins un composant électrique (2) de façon à ce que ledit composant électrique soit au moins partiellement immergé dans ledit fluide, et au moins un moyen de mise en mouvement (5, 6) dudit volume de fluide diélectrique, ledit au moins un moyen étant configuré pour être partiellement immergé dans le fluide diélectrique et pour créer un mouvement du fluide par rotation dudit moyen.
  2. Dispositif selon la revendication précédente, dans laquelle le moyen de mise en mouvement (5, 6) comprend au moins un parmi une hélice (5), une roue dentée (6), une roue à aubes.
  3. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le moyen est plus émergé qu’immergé.
  4. Dispositif selon la revendication précédente, dans laquelle le moyen présente 50% et 70% de surface émergée.
  5. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le moyen comprend des appendices configurés pour augmenter les éclaboussures de volume liquide de fluide lors de la rotation dudit moyen.
  6. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel il comprend une pluralité de moyens de mise en mouvement (5, 6) par rotation.
  7. Dispositif selon la revendication précédente, dans laquelle les moyens de mise en mouvement (5, 6) par rotation présentent une vitesse de rotation différente.
  8. Système de gestion thermique d’un composant électrique et/ou électronique (2) comprenant un dispositif (1) selon l’une des revendications précédentes, et comprenant en outre un moyen de chauffage et/ou refroidissement (7) du fluide diélectrique déporté hors de l’enceinte (3), et une conduite d’alimentation et une conduite d’évacuation connectant fluidiquement le dispositif de régulation de température et le moyen de chauffage et/ou refroidissement.
  9. Système de gestion thermique d’un composant électrique et/ou électronique comprenant un dispositif (1) selon l’une des revendications précédentes, et comprenant en outre un moyen de refroidissement du fluide diélectrique, ledit moyen de refroidissement (7) étant immergé dans le volume liquide de fluide diélectrique à l’intérieur de l’enceinte, le moyen de refroidissement (7) comprenant une conduite d’alimentation et une conduite d’évacuation d’un fluide caloporteur connectant fluidiquement le moyen de refroidissement à un circuit de chauffage et/ou refroidissement dans lequel circule ledit fluide caloporteur.
  10. Système selon l’une des revendications 8 ou 9, comprenant un boitier de batterie comprenant un dispositif (1) selon l’une des revendications précédentes, et en outre au moins un composant électrique et/ou électronique (2) et un volume liquide de fluide diélectrique (4) de façon à ce que ledit composant électrique (2) soit au moins partiellement immergé dans ledit fluide.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3166175A1 (fr) * 2015-11-04 2017-05-10 Commissariat À L'Énergie Atomique Et Aux Énergies Alternatives Batterie électrique comportant un système d'homogénéisation de sa température interne
FR3105709A1 (fr) * 2019-12-20 2021-06-25 Valeo Systemes Thermiques Dispositif de régulation thermique
FR3107785A1 (fr) * 2020-02-28 2021-09-03 Valeo Systemes Thermiques Dispositif de régulation thermique pour un ou plusieurs composants électriques, notamment pour une ou plusieurs cellules de stockage d’énergie d’une batterie

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