WO2012120093A1 - Systeme electrique comportant une pompe electromagnetique servant au refroidissement d'un circuit electrique du systeme - Google Patents

Systeme electrique comportant une pompe electromagnetique servant au refroidissement d'un circuit electrique du systeme Download PDF

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WO2012120093A1
WO2012120093A1 PCT/EP2012/054035 EP2012054035W WO2012120093A1 WO 2012120093 A1 WO2012120093 A1 WO 2012120093A1 EP 2012054035 W EP2012054035 W EP 2012054035W WO 2012120093 A1 WO2012120093 A1 WO 2012120093A1
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WO
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electrical
voltage
electromagnetic pump
source
circuit
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/054035
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English (en)
Inventor
Yvan Avenas
Mansour TAWK
Original Assignee
Institut Polytechnique De Grenoble
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Publication date
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/20218—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant without phase change in electronic enclosures
    • H05K7/20272—Accessories for moving fluid, for expanding fluid, for connecting fluid conduits, for distributing fluid, for removing gas or for preventing leakage, e.g. pumps, tanks or manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20927—Liquid coolant without phase change

Definitions

  • the invention relates to an electrical system comprising an electric circuit and an electromagnetic pump cooling device for cooling one or more electrical and / or electronic elements or components of the circuit.
  • heat transfer fluids liquid metals having a better thermal conductivity than air or water.
  • heat transfer fluids electrical conductors
  • an electromagnetic pump also called magnetohydrodynamic accelerator or magnetohydrodynamic pump, thanks to electromagnetic fields generated by the pump.
  • Such a pump has the particular advantage, compared to a conventional pump comprising an electric motor, not to include a moving mechanical part, and therefore not to include a wear part.
  • the liquid metal used as heat transfer fluid has the advantage, compared to air or water, of having a greater thermal conductivity.
  • the heat transfers between the electronic components to be cooled and the heat transfer fluid and thus the cooling achieved are improved.
  • Document US 2009/279257 A1 for example describes a circuit using such a cooling system.
  • Such an electromagnetic pump cooling system however has the disadvantage of requiring the presence of a specific power supply to electrically power the electromagnetic pump.
  • the addition of such a power supply of the electromagnetic pump therefore poses problems of cost, space, and so on.
  • An object of the present invention is to provide a solution to the power supply and regulation problems of electromagnetic pump cooling devices of the prior art discussed above.
  • the present invention proposes an electrical system comprising at least one electrical circuit formed by at least:
  • the electrical system also comprising at least one cooling device, distinct from the electrical load, comprising at least one electromagnetic pump capable of circulating an electrically conductive heat transfer fluid in a fluid circulation circuit for cooling at least a portion of the electrical circuit and wherein the electromagnetic pump is electrically powered by an electric current flowing in the electrical circuit.
  • the electrical system according to the invention therefore uses the electric current flowing in the electric circuit to directly supply the electromagnetic pump.
  • This system does not make use of a power supply external to the electrical circuit for electrically supplying the electromagnetic pump of the cooling device used to cool a part of the electrical circuit, for example electrical and / or electronic components of the circuit.
  • the electrical system according to the invention also has the advantage of providing automatic regulation of the pumping power produced by the electromagnetic pump as a function of the heat to be dissipated by the cooling device. Indeed, if the electric current flowing in the elements of the circuit to be cooled is low, the heat losses in these elements (which are dependent on the heat to be removed) are also low. In this case, the evacuation of the heat generated by these heat losses does not require a strong cooling. On the other hand, if this electric current is important, the thermal losses are also important, which requires a greater cooling. Because the electromagnetic pump is supplied directly by the electric current flowing in the electrical circuit, and in particular by the current flowing in an element of the circuit with which the pump is electrically connected in series, for example by the electric current flowing through or flowing in. the elements to be cooled, the pumping power achieved by the electromagnetic pump, and therefore the amount of cooling obtained, therefore varies in the same direction as the electric current supplying the electromagnetic pump, and therefore in the same direction as the heat to be dissipated. .
  • the electromagnetic pump is electrically connected in series with at least one element electrical, or at least one electrical component, of the electrical circuit such that the electromagnetic pump is adapted to be electrically powered by a current for circulating in said electrical element of the circuit.
  • the pump is thus electrically powered by the same current flowing in said electrical element of the circuit.
  • the electromagnetic pump can be electrically connected in series with the power source and / or the load.
  • the electromagnetic pump and the load can be electrically connected in series with the power source.
  • the pumping power, and therefore the heat exchange made between the elements to be cooled and the heat transfer fluid flowing through the electromagnetic pump increase or decrease in the same direction as the losses, and therefore that the heat to clear out.
  • Such self-regulation of the pumping power of the electromagnetic pump also makes it possible, in relation to a constant pumping power, to reduce the temperature variations in the elements to be cooled, and therefore to reduce the thermomechanical stresses experienced by these elements, thereby improving the reliability of the elements of the electrical circuit.
  • the power supply source may correspond to a source of voltage and / or current possibly coupled to means for converting and / or adapting the voltage and / or current delivered by the source to a voltage and / or a voltage. current whose characteristics are adapted to electrically power and operate the electrical load.
  • the source of voltage and / or current may be a voltage and / or current generator, or an electrical network providing a voltage or a current that is continuous or variable in time.
  • the power source can provide a single-phase or three-phase voltage and / or current.
  • the term "electric charge” here designates one or more electrical and / or electronic and / or microelectronic devices or elements or components consuming electrical power.
  • the electric load can operate with a voltage or current that is variable in time or continuous, single-phase or polyphase (for example three-phase).
  • electrical circuit is used to designate, for example, an electrical and / or electronic power circuit, the load corresponding in this case for example to one or more electric motors or more generally to one or more electrical and / or electronic elements of power.
  • electrical circuit may also designate an electronic and / or microelectronic circuit in which the load may correspond to one or more electronic and / or microelectronic components such as microprocessors, computers, memories, or one or more optoelectronic components such as than LEDs, lasers, etc.
  • the cooling device can be configured to cool the power source electric and / or electric charge.
  • the electromagnetic pump may be intended to be powered by a current delivered by the power source and / or a current for passing through the electrical load.
  • the cooling device may furthermore comprise means for evacuating the heat emitted by said part of the electric circuit (that intended to be cooled) in the electrically conductive heat transfer fluid, and / or at least one heat exchanger coupled to the circulation circuit. fluid and able to cool the electrically conductive heat transfer fluid.
  • the electromagnetic pump may be of the conduction type (DC or AC) or induction type (polyphase currents). In general, the type of electromagnetic pump used will be chosen according to the currents flowing in the electric circuit to be cooled.
  • the power supply source may include means for converting, for example static, a first voltage and / or a first current into a second voltage and / or a second current different from the first voltage and / or the first current and adapted to the electrical supply of the electric charge, the conversion means being electrically connectable to the electric charge.
  • the conversion means may comprise at least one static converter of the DC / DC or AC / DC or DC / AC or AC / AC type.
  • the conversion means may comprise at least one voltage-reducing or voltage-booster or inductive accumulation type chopper, and / or a voltage inverter capable of performing a three-phase DC / AC voltage conversion, and / or a rectifier.
  • voltage converter capable of performing a type AC / DC voltage conversion and / or a current inverter capable of performing a DC / AC type current conversion.
  • These conversion means can deliver a single-phase or multiphase voltage and / or current (for example three-phase).
  • the electromagnetic pump may be of the induction type, the power supply source may be able to deliver a DC voltage, and the conversion means may comprise at least one voltage inverter.
  • Said part of the electrical circuit intended to be cooled may comprise said electrical element connected in series with the electromagnetic pump.
  • the electromagnetic pump can be electrically connected in series with said part of the electric circuit intended to be cooled (in series with the element or elements to be cooled) such that the electromagnetic pump can be adapted to be supplied with a current intended to flow in said part. of the electrical circuit.
  • Said electrical element connected in series with the electromagnetic pump may comprise at least one inductive element forming part of the power supply or electrical load or voltage and / or current conversion means.
  • the electromagnetic pump may be of the conduction type and be electrically connected to an electrical potential intended to be constant and zero. In this configuration, the electromagnetic radiation generated by the pump is then reduced. In addition, the safety of people is also assured that a constant and zero electrical potential is applied to the heat transfer fluid of the electromagnetic pump.
  • the electrical circuit may further comprise a capacitance, for example decoupling, connected in parallel to a voltage source forming part of the power supply source, the electromagnetic pump being electrically connectable in series with the voltage source, between the source of voltage and capacity.
  • This configuration is advantageous because the electromagnetic pump is then powered by a less chopped current than if the pump was disposed downstream of the capacity, to obtain a better operation of the electromagnetic pump.
  • This capacitance can be arranged in the circuit between the voltage source and voltage and / or current conversion means. This capacity can be seen as part of the power source.
  • the electrical circuit may further comprise a capacitor connected in parallel with the electrical load, the electromagnetic pump being electrically connectable in series with the electric charge, between the electric charge and the capacitance. This capacitance can be arranged in the circuit between the electrical load and voltage and / or current conversion means.
  • 29B, and 31A to 31B represent ideal electrical equivalent diagrams of an electric system, object of the present invention, according to several variants of a first embodiment
  • FIGS. 2, 11A and 11B show an electrical system, object of the present invention, and its cooling device
  • FIGS. 3 and 23 schematically represent different electromagnetic pumps forming part of electrical systems, objects of the present invention
  • FIGS. 22, 24 to 26 and 30 show ideal electrical equivalent diagrams of an electrical system, object of the present invention, according to other embodiments. Identical, similar or equivalent parts of the different figures described below bear the same numerical references so as to facilitate the passage from one figure to another.
  • FIG. 1 represents an electrical system 100 comprising an electric circuit formed by elements, here electronic components, intended to be cooled by a cooling device comprising an electromagnetic pump, according to a first embodiment of the invention. production.
  • the electrical circuit of the system 100 is for example an electrical power circuit.
  • the cooling device namely the electromagnetic pump, is shown.
  • the electrical circuit of the system 100 comprises a power source 101 electrically supplying an electric charge 104, for example an electric motor.
  • the power source 101 here comprises a voltage source 102, corresponding for example to a voltage generator or a power supply network that can be coupled to a decoupling capability.
  • the power supply source 101 also comprises means 106 for converting the voltage delivered by the voltage source 102 into a second electrical voltage adapted to electrically power the electrical load 104.
  • the electrical circuit of the system 100 forms a closed electrical circuit, or a closed loop, in which circulates a current represented symbolically in Figure 1 by arrows.
  • the electrical circuit of the system 100 is coupled to a cooling device 150 able to achieve such cooling by making circulating an electrically conductive heat transfer fluid at these elements.
  • This circulation of the electrically conductive heat transfer fluid is carried out by means of an electromagnetic pump 108 electrically connected to the electric circuit and electrically powered by the electric current flowing in the electric circuit.
  • the electromagnetic pump 108 is electrically connected in series between an output of the source 102 and an input of the conversion means 106, and is therefore traversed and electrically powered by the current delivered by the source 102 and received in the conversion means 106.
  • the cooling device 150 comprises a circuit 152 for circulating the electrically conductive heat transfer fluid comprising channels and hydraulic connections in which the fluid is intended to circulate.
  • the circulation of the coolant in the circuit 152 is shown in Figure 2 by arrows.
  • the electrically conductive heat transfer fluid is preferably a liquid metal that may correspond to an alloy comprising gallium and / or tin and / or indium and / or lead and / or bismuth and / or cadmium and / or or antimony and / or any other suitable metal.
  • the electrically conductive heat transfer fluid may also correspond to a liquid solution of molten salts (for example based on NaK) or electrolytes.
  • the cooling device 150 comprises means for evacuating the heat produced by the electronic components of the conversion means 106 in the coolant.
  • These means are for example formed of an element 154 disposed against the electronic components of the conversion means 106 and in which circulates the coolant, thus allowing the fluid to pass close to the electronic components to be cooled.
  • the heat generated by the electronic components is captured by the coolant circulating in the element 154.
  • the cooling device 150 also comprises a heat exchanger 156 coupled to the circulation circuit 152.
  • This heat exchanger 156 makes it possible to evacuate the heat captured by the coolant in the ambient air or through a flow of air passing through the heat exchanger 156, or more generally to another fluid.
  • the circulation of the electrically conductive heat transfer fluid in the circuit 152 is provided by the electromagnetic pump 108 electrically powered by the current supplied by the source 102.
  • the electromagnetic pump 108 is connected electrically in series in the electrical circuit which comprises the electronic components to be cooled.
  • the electromagnetic pump 108 makes it possible to circulate the electrically conductive heat transfer fluid in the fluid circulation circuit 152 thanks to the coupled actions of a magnetic field B and an electric current I creating a force called Laplace force dF on an element of length dl such that:
  • the electromagnetic pump 108 is a DC conduction pump whose operating principle is shown in FIG. 3.
  • a magnet or a wound (or electromagnet) magnetic circuit 110 creates by virtue of these magnetic poles 110a and 110b north, a magnetic induction (magnetic field B) perpendicular (or more generally non-collinear) to the circuit 152 filled with the conductive fluid and wherein the fluid is intended to flow.
  • This fluid is crossed by a current / generated by electrodes 112 (positive potential) and 114 (negative potential) disposed on either side of the circuit 152.
  • the current / and the magnetic field B are perpendicular (or more generally non-collinear) one compared to each other.
  • the resulting force F is therefore oriented in the direction of the circuit 152 and corresponds to the force experienced by the conductive fluid, causing the circulation of the fluid in the circuit 152.
  • the conversion means 106 correspond, for example, to a DC-DC static converter, or DC / DC, capable of converting the DC voltage obtained at the terminals of the source 102 into a second DC voltage electrically supplying the load 104.
  • conversion 126 are electrically connected to the source 102 via the electromagnetic pump 108, as well as the load 104.
  • the DC-DC converter may correspond to a voltage-reducing chopper type device, as shown in FIG. 4.
  • voltage source 102 is assimilated to a DC voltage generator.
  • This voltage generator 102 may correspond to a voltage source coupled to a decoupling capacitor (not shown in FIG. 4) connected in parallel with the voltage source, the supply voltage of the circuit corresponding to the voltage at the terminals of this voltage source. decoupling capacity.
  • the electric charge 104 which comprises here an inductive element, is assimilated to a source of direct current.
  • the electric charge 104 is assimilated to a direct current source because the current flowing through the inductive element of the charge varies little, which means that it is the charge that "fixes" the value of the current flowing in the circuit.
  • the step-down chopper 106 comprises a thyristor GTO 118 (gate-off thyristor) electrically connected in series with the positive terminal of the voltage generator 102 via the pump 108, and a diode 120 electrically connected in parallel with the source. of current corresponding to the electric charge 104.
  • the GTO thyristor 118 could be replaced by an IGBT (insulated gate bipolar transistor) or a MOSFET (field effect transistor), or more generally by an electronic component that can form a controlled switch by opening and closing.
  • the pump 108 is electrically connected in series with the positive potential of the voltage generator formed by the source 102.
  • the pump 108 is electrically connected to ground, that is to say to a constant and zero electrical potential, which reduces the electromagnetic radiation generated by the pump 108 and ensures the safety of people because of the potential electrical zero to which the heat transfer fluid of the pump 108 is subjected.
  • the pump 108 is electrically connected in series with the direct current source corresponding to the load 104 as shown in FIGS. 7 to 10.
  • the diode 120 is electrically connected in parallel with the current source formed by the load 104 and the pump 108 which are connected in series to each other. Since the pump 108 is connected in series with the load which comprises an inductive element, the electric current supplying the pump 108 is in this case weakly corrugated, which reduces the eddy currents heat losses in the pump 108.
  • the cooling device 150 makes it possible to cool the electrical and / or electronic components of the conversion means 106.
  • the pump 108 is here powered by the current flowing in the part of the electrical circuit intended to be cooled. that is, the conversion means 106. In other configurations, it is also possible for the cooling device 150 to cool part or all of the electric charge 104, and / or conversion means 106. and / or the source 102 of voltage or current.
  • a decoupling capacitor 160 is present between the source 102 and the conversion means 106 (the capacitor 160 is connected in parallel with the conversion means 106 and the source).
  • the decoupling capacitor 160 here makes it possible to supply the chopped current to the conversion means 106 (because of the wiring inductance present between the source 102 and the conversion means 106, this inductance being represented symbolically in FIG. reference 162).
  • the assembly formed by the source 102, the inductor 162 and the decoupling capacitor 160 may correspond to the voltage generator 102 previously described in connection with FIGS. 4 to 10. Because the pump 108 is disposed upstream of the capacitor 160, that is to say on the source 102 side, between the source 102 and the capacitor 160, the pump 108 is thus supplied with a stream of "continuous" shape, less chopped than if the pump were arranged in downstream of the capacitor 160 (i.e., between the capacitor 160 and the load 104), thereby allowing a better operation of the electromagnetic pump 108 which operates via the current flowing therethrough. Moreover, in this configuration, the pump 108 is also electrically connected in series with an inductive element of the circuit, namely the wiring inductance 162.
  • the electromagnetic pump 108 is connected to the positive terminal of the source 102. It is also possible for the pump 108 to be arranged upstream of the capacitor 160, but to be connected to the negative terminal of the source 102, as shown in Figure 27B. Thus, the pump 108 is connected to a constant and zero electrical potential, which also makes it possible to reduce the electromagnetic radiation generated by the pump 108 and to ensure the safety of persons, particularly because of the zero electrical potential applied to the coolant. .
  • FIG. 11A shows a configuration of the cooling device 150 cooling the conversion means 106 by through the element 154 in which circulates the coolant, but also the cooling of the electric charge 104 through another element 155 in which also circulates the heat transfer fluid.
  • the electrical connections electrically connecting the various elements of the electrical circuit are referenced 157.
  • FIG. 11B shows a configuration of the cooling device 150 only cooling the charge 104 thanks to the element 155. In this configuration, the conversion means 106 are therefore not cooled.
  • the direction of circulation of the coolant may be different from that shown in Figures 2, 11A and 11B.
  • the electromagnetic pump 108 will preferably be arranged in the fluid circulation circuit immediately after the heat exchanger 156 (as in FIGS. 2, 11A and 11B) so that the heat does not disturb the magnetic materials of the pump 108.
  • the pump 108 is electrically connected between the conversion means 106 and the electric load 104, thus corresponding to the cases of the electrical systems represented in FIGS. 7 to 10. it is possible to perform these same configurations by reversing the arrangements of the pump 108 and the conversion means 106.
  • the source 102 is not cooled by the device of However, and for example in the case where the source 102 of the electrical system corresponds to a photovoltaic panel, this source 102 can be cooled by the cooling device 150.
  • FIGS. 12 to 15 respectively represent the configurations of FIGS. 1, 5, 7 and 9 in which the DC-DC converter 112 corresponds to a voltage step chopper, the voltage across the source 102 being increased by the chopper to provide a higher DC voltage across the load 104.
  • the load 104 is a capacitive load, it is likened to a source of DC voltage, the source 102 corresponding to a DC source of the fact that that it comprises an inductive element not shown in Figures 12 to 15 (the source 102 could also correspond to a voltage source connected in series with an inductor).
  • the voltage boosting chopper is formed by a diode 120 connected in series with the positive potential of the voltage generator corresponding to the load 104 (via the pump 108 in the case shown in FIG. 14), and by a GTO thyristor. 118 (or an IGBT or a MOSFET) electrically connected in parallel with the current source 102 (and possibly in parallel also with the pump 108 when the latter is connected in series with one of the terminals of the source of current formed by the source 102).
  • a diode 120 connected in series with the positive potential of the voltage generator corresponding to the load 104 (via the pump 108 in the case shown in FIG. 14), and by a GTO thyristor. 118 (or an IGBT or a MOSFET) electrically connected in parallel with the current source 102 (and possibly in parallel also with the pump 108 when the latter is connected in series with one of the terminals of the source of current formed by the source 102).
  • FIGS. 12 to 15 one of the configurations represented in FIGS. wherein the electromagnetic pump 108 is electrically connected in series with one of the terminals of the source 102, i.e. in series with the inductive circuit element, between the source 102 and the conversion means 106, the pump 108 being in this case supplied with a weakly corrugated current, thus reducing the heat losses in the pump 108.
  • the choice between the configuration shown in FIG. 12 and that shown in FIG. 13 is made as a function of the desired electrical potential on the the pump 108 and the heat transfer fluid.
  • the configuration shown in FIG. 13 will preferably be carried out because in this case the electric potential is zero and fixed to ground.
  • a decoupling capacitor 160 may be present on the load side 104.
  • the electromagnetic pump 108 is preferably disposed between the load 104 and the capacitor 160 (the capacitor 160 being connected in parallel with the load 104, and the pump 108 is connected in series with one of the terminals of the load 104).
  • the pump 108 may advantageously be connected to the negative potential of the source 102 (the case of FIG. 28B) in order to reduce the electromagnetic radiation generated by the pump 108 and to ensure the safety of the persons.
  • the DC-DC voltage conversion circuit 106 may be realized by an inductive accumulation chopper.
  • FIGS. 16 to 21 Various configurations of such an electrical system 100 are shown in FIGS. 16 to 21. In these configurations, the source 102 and the load 104 are both equated with DC voltage generators.
  • the inductive accumulation chopper 106 comprises a GTO thyristor 122 (or an IGBT or a MOSFET or any electronic component capable of forming a switch controlled in opening or closing) electrically connected in series with the positive terminal of the voltage generator corresponding to the source. 102 (possibly via the pump 108 as in the configuration shown in Figure 16).
  • the GTO thyristor 122 is also connected to a diode 124 which is also electrically connected in series with the positive terminal of the voltage generator formed by the load 104 (possibly via the pump 108 as in the configuration shown in FIG. ).
  • the inductive accumulation chopper comprises an inductance 126, or self, comprising one of its terminals connected to the electrical connection between the thyristor 122 and the diode 124, and the other of its terminals electrically connected to the negative terminals of the generators.
  • voltage corresponding to the source 102 and the load 104 (possibly via the pump 108 as in the configurations shown in Figures 17 and 19).
  • the DC-DC converter 106 corresponds to an inductive accumulation chopper formed by the thyristor 122, the diode 124 and the inductor 126.
  • the pump 108 is connected directly to one the terminals of the inductor 126.
  • the other terminal of the pump 108 is connected to either thyristor 122 and diode 124 (the case of FIG. 20), or to the negative terminals of the voltage generators corresponding to source 102 and FIG. the load 104 (the case of FIG. 21).
  • the pump 108 is preferably disposed upstream of the capacitor 160, between the source 102 and the capacitor 160, as previously described in FIG. connection with Figs. 27A and 27B.
  • the configuration of FIG. 29B is advantageous because of the zero electrical potential applied to the electromagnetic pump 108.
  • This capacitor 170 is connected in parallel with the electric load 104 to smooth the voltage to be applied across the electric load 104, as shown in Figures 31A and 31B.
  • This capacitor 170 is disposed between the electric charge 104 and the conversion means 106. In this case, it is possible to electrically connect the pump 108 in series with the electric charge 104, between the electric charge 104 and the capacitor 170.
  • the electrical system 100 has a single electromagnetic pump 108. However, it is also possible that the electrical system 100 comprises several electromagnetic pumps 108.
  • An electrical system 200 is now described comprising electronic components cooled by a cooling device comprising an electromagnetic pump, according to a second embodiment shown in FIG. 22.
  • a cooling device comprising an electromagnetic pump
  • FIG. 22 only a part of the cooling device, namely the electromagnetic pump, is shown.
  • the electrical system 200 comprises an electrical circuit formed of a power source 201 supplying a voltage for supplying a load 204.
  • This load 204 for example a motor, operates in three-phase.
  • the power supply source therefore comprises a DC voltage source 202 coupled to conversion means 206 capable of converting the DC voltage supplied by the source 202 into a three-phase AC voltage.
  • These means 206 correspond, for example, to a voltage inverter as shown in FIG. 22 and formed by a plurality of diodes 208 and a plurality of electronic components 210 capable of forming switches controlled in opening and in closing, for example GTO thyristors.
  • the electrical system 200 also comprises an electromagnetic induction pump 212 electrically connected in series between the voltage inverter 206 and the load 204.
  • the electromagnetic induction pump 212 is shown schematically in FIG. 23.
  • the operating principle of such an electromagnetic induction pump is different from that of a conductive electromagnetic pump. Indeed, when an electrically conductive material is subjected to a variable magnetic field in space, it is the seat of eddy currents which will in turn create a magnetic field opposing the variations of the imposed magnetic flux.
  • An external magnetic circuit 214 of the pump 212 is such as to create a sliding magnetic field for moving the conductive cooling fluid.
  • the pump 212 shown in Fig. 23 is an annular induction pump. It comprises a three-phase winding 216 which creates an alternating magnetic induction moving in the direction of the channel 218 of the pump 202 in which the electrically conductive heat transfer fluid is intended to circulate.
  • the variable magnetic field will create currents loops induced in the conductive liquid. These induced currents will then allow the displacement of the fluid thanks to the Laplace force F created.
  • the pump 212 operates from three-phase alternating currents.
  • the pump would be electrically connected in series between the source 202 and the conversion means 206.
  • the pump can in this case be an electromagnetic pump conduction similar to the pump 108 described above.
  • a decoupling capacitor 160 is present in the system 200 and is connected in parallel with the source 202.
  • Fig. 24 shows an electrical system 300 according to a third embodiment.
  • the power supply source comprises a voltage rectifier 306 delivering, from an AC voltage coming from an AC electrical network 302 and received at the input on the rectifier 306, a DC voltage supplying power.
  • the electrical charge 104 to direct current (for example a computer).
  • the electromagnetic pump 108 used may be a continuous conduction pump powered by the voltage delivered by the rectifier 306.
  • an AC conduction pump electrically connected between the network 302 and the rectifier 306 could be used.
  • Figs. 25A and 25B show exemplary embodiments of the rectifier 306 used in the electrical system 300. In the case shown in Fig. 25A, the electrical load 104 is of the resistive type.
  • the rectifier 306 comprises a transformer 307, for example making it possible to lower the voltage supplied by the electrical network 302, coupled to the AC mains 302, as well as a set of diodes 305 performing an AC-DC conversion of the voltage.
  • a capacitor 309 is connected in parallel with the load 104 (and the pump 108).
  • the electrical system 300 shown in FIG. 25B corresponds to the case where the electric load 104 is of the inductive type. In this case, the capacitance 309 is absent from the electrical system 300.
  • Fig. 26 shows an electrical system 400 according to a fourth embodiment.
  • the electric load 104 is a load having a capacitive character.
  • the power supply 401 comprises a DC power source 102 which supplies the pump 108 and conversion means 406, in this case a current inverter formed by diodes and thyristors, making it possible to convert the direct current supplied by the current source. 102 into an alternating current for electrically feeding the electric charge 104.
  • the electromagnetic pump is preferably arranged on the direct current side of the electric circuit if the electromagnetic pump operates with a direct current.
  • the electromagnetic pump is preferably disposed on the alternating current side of the electric circuit if the electromagnetic pump 108 operates with an alternating current.
  • the cooling device may be made separately from the electric circuit, or may be made in an integrated manner to the electric circuit, for example made on the same support according to the principles described in the document US 2009/279257 A1.
  • the characteristics of the electromagnetic pump are chosen according to the circulating currents in the electric circuit.
  • the voltages involved may be for example between about 10 V and 6 kV, the currents flowing in the electrical circuit, and therefore supplying the electromagnetic pump, being between about 10 A and 1 or more kA.

Abstract

Système électrique (100) comprenant au moins un circuit électrique formé par au moins : - une source d'alimentation électrique (101), - une charge électrique (104) destinée à être alimentée par la source d'alimentation électrique et reliée électriquement à la source d'alimentation électrique, le système électrique comprenant également au moins un dispositif de refroidissement, distinct de la charge électrique, comportant au moins une pompe électromagnétique (108) apte à faire circuler un fluide caloporteur électriquement conducteur dans un circuit de circulation de fluide permettant de refroidir au moins une partie du circuit électrique, et dans lequel la pompe électromagnétique est reliée électriquement en série avec au moins un élément électrique du circuit électrique telle que la pompe électromagnétique soit apte à être alimentée électriquement par un courant destiné à circuler dans ledit élément électrique du circuit.

Description

SYSTEME ELECTRIQUE COMPORTANT UNE POMPE
ELECTROMAGNETIQUE SERVANT AU REFROIDISSEMENT D'UN
CIRCUIT ELECTRIQUE DU SYSTEME
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne un système électrique comprenant un circuit électrique et un dispositif de refroidissement à pompe électromagnétique destiné à refroidir un ou plusieurs éléments ou composants électriques et/ou électroniques du circuit.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Il est connu de réaliser un refroidissement de composants électroniques par air ou par eau. Bien que simple à réaliser, un tel refroidissement par air ou eau ne permet pas d'évacuer des flux de chaleur importants pouvant être générés par exemple par des composants électroniques de puissance (mettant en jeu des tensions allant d'environ 10 V à plusieurs kV et des courants compris entre quelques ampères et quelques kA) , ces flux de chaleur pouvant atteindre environ 1 kW/cm2.
Afin d'améliorer les performances de refroidissement, il est connu d'utiliser, en tant que fluides caloporteurs , des métaux liquides ayant une meilleure conductivité thermique que l'air ou l'eau. Ces fluides caloporteurs , conducteurs électriques, peuvent être entraînés par une pompe électromagnétique, également appelée accélérateur magnétohydrodynamique ou pompe magnétohydrodynamique , grâce à des champs électromagnétiques générés par la pompe.
Une telle pompe a notamment pour avantage, par rapport à une pompe classique comportant un moteur électrique, de ne pas comporter de pièce mécanique en mouvement, et donc de ne pas comporter de pièce d'usure.
Le métal liquide utilisé en tant que fluide caloporteur a pour avantage, par rapport à l'air ou l'eau, de présenter une plus grande conductivité thermique. On améliore donc, en utilisant un tel métal liquide en tant que fluide caloporteur, les transferts de chaleur entre les composants électroniques à refroidir et le fluide caloporteur, et donc le refroidissement réalisé. Le document US 2009/279257 Al décrit par exemple un circuit faisant appel à un tel système de refroidissement.
Un tel système de refroidissement à pompe électromagnétique a toutefois pour inconvénient de nécessiter la présence d'une alimentation électrique spécifique pour alimenter électriquement la pompe électromagnétique. L'ajout d'une telle alimentation électrique de la pompe électromagnétique pose donc des problèmes de coûts, d'encombrement, etc. De plus, il est difficile de réguler la puissance du pompage réalisé par la pompe électromagnétique en fonction du refroidissement que l'on cherche à réaliser et qui peut varier en fonction de l'intensité des flux de chaleur générés par les composants que l'on cherche à refroidir, ces flux de chaleur variant au cours du temps lors du fonctionnement des composants électroniques . EXPOSÉ DE L ' INVENTION
Un but de la présente invention est de proposer une solution aux problèmes d'alimentation électrique et de régulation des dispositifs de refroidissement à pompe électromagnétique de l'art antérieur exposés ci-dessus.
Pour cela, la présente invention propose un système électrique comprenant au moins un circuit électrique formé par au moins :
- une source d'alimentation électrique,
- une charge électrique destinée à être alimentée par la source d'alimentation électrique et reliée électriquement à la source d'alimentation électrique,
le système électrique comprenant également au moins un dispositif de refroidissement, distinct de la charge électrique, comportant au moins une pompe électromagnétique apte à faire circuler un fluide caloporteur électriquement conducteur dans un circuit de circulation de fluide permettant de refroidir au moins une partie du circuit électrique, et dans lequel la pompe électromagnétique est alimentée électriquement par un courant électrique circulant dans le circuit électrique .
Le système électrique selon l'invention utilise donc le courant électrique circulant dans le circuit électrique pour alimenter directement la pompe électromagnétique. Ce système ne fait donc pas appel à une alimentation électrique extérieure au circuit électrique pour alimenter électriquement la pompe électromagnétique du dispositif de refroidissement utilisé pour refroidir une partie du circuit électrique, par exemple des composants électriques et/ou électroniques du circuit.
Le système électrique selon l'invention a également pour avantage de réaliser une régulation automatique de la puissance du pompage réalisé par la pompe électromagnétique en fonction de la chaleur à dissiper par le dispositif de refroidissement. En effet, si le courant électrique circulant dans les éléments du circuit à refroidir est faible, les pertes thermiques dans ces éléments (qui sont dépendantes de la chaleur à évacuer) sont également faibles. Dans ce cas, l'évacuation de la chaleur générée par ces pertes thermiques ne nécessite pas un fort refroidissement. Par contre, si ce courant électrique est important, les pertes thermiques le sont également, ce qui nécessite un refroidissement plus important. Du fait que la pompe électromagnétique soit alimentée directement par le courant électrique circulant dans le circuit électrique, et notamment par le courant circulant dans un élément du circuit avec lequel la pompe est reliée électriquement en série, par exemple par le courant électrique traversant ou circulant dans les éléments à refroidir, la puissance du pompage réalisé par la pompe électromagnétique, et donc l'importance du refroidissement obtenu, varie donc dans le même sens que ce courant électrique alimentant la pompe électromagnétique, et donc dans le même sens que la chaleur à dissiper.
La pompe électromagnétique est reliée électriquement en série avec au moins un élément électrique, ou au moins un composant électrique, du circuit électrique telle que la pompe électromagnétique soit apte à être alimentée électriquement par un courant destiné à circuler dans ledit élément électrique du circuit. La pompe est donc alimentée électriquement par le même courant que celui circulant dans ledit élément électrique du circuit.
La pompe électromagnétique peut être reliée électriquement en série à la source d'alimentation électrique et/ou à la charge. La pompe électromagnétique et la charge peuvent être reliées électriquement en série à la source d'alimentation électrique .
Grâce à l'invention, la puissance de pompage, et donc les échanges thermiques réalisés entre les éléments à refroidir et le fluide caloporteur circulant grâce à la pompe électromagnétique, augmentent ou baissent dans le même sens que les pertes, et donc que la chaleur à évacuer.
Une telle autorégulation de la puissance de pompage de la pompe électromagnétique permet également, par rapport à une puissance de pompage constante, de réduire les variations de température dans les éléments à refroidir, et donc de réduire les contraintes thermomécaniques subies par ces éléments, améliorant donc la fiabilité des éléments du circuit électrique.
La source d'alimentation électrique peut correspondre à une source de tension et/ou de courant couplée éventuellement à des moyens de conversion et/ou d'adaptation de la tension et/ou du courant délivrés par la source en une tension et/ou un courant dont les caractéristiques sont adaptées pour alimenter électriquement et faire fonctionner la charge électrique. La source de tension et/ou de courant peut être un générateur de tension et/ou de courant, ou bien un réseau électrique fournissant une tension et/ou un courant continus ou variables dans le temps. La source d'alimentation électrique peut fournir une tension et/ou un courant monophasés ou triphasés.
Le terme « charge électrique » désigne ici un ou plusieurs dispositifs ou éléments ou composants électriques et/ou électroniques et/ou microélectroniques consommant de la puissance électrique. De plus, la charge électrique peut fonctionner avec une tension et/ou un courant variables dans le temps ou continus, monophasés ou polyphasés (par exemple triphasés) .
Le terme « circuit électrique » est utilisé pour désigner par exemple un circuit électrique et/ou électronique de puissance, la charge correspondant dans ce cas par exemple à un ou plusieurs moteurs électriques ou plus généralement à un ou plusieurs éléments électriques et/ou électroniques de puissance. Le terme « circuit électrique » peut désigner également un circuit électronique et/ou microélectronique dans lequel la charge peut correspondre à un ou plusieurs composants électroniques et/ou microélectroniques tels que des microprocesseurs, des ordinateurs, des mémoires, ou un ou plusieurs composants optoélectroniques tels que des LED, des lasers, etc.
Le dispositif de refroidissement peut être configuré pour refroidir la source d'alimentation électrique et/ou la charge électrique. Dans ce cas, la pompe électromagnétique peut être destinée à être alimentée par un courant délivré par la source d'alimentation et/ou un courant destiné à traverser la charge électrique.
Le dispositif de refroidissement peut comporter en outre des moyens d'évacuation de la chaleur émise par ladite partie du circuit électrique (celle destinée à être refroidie) dans le fluide caloporteur électriquement conducteur, et/ou au moins un échangeur thermique couplé au circuit de circulation de fluide et apte à refroidir le fluide caloporteur électriquement conducteur.
La pompe électromagnétique peut être du type à conduction (à courant continu ou alternatif) ou à induction (à courants polyphasés) . De manière générale, le type de pompe électromagnétique utilisée sera choisi en fonction des courants circulant dans le circuit électrique à refroidir.
La source d'alimentation électrique peut comporter des moyens de conversion, par exemple statique, d'une première tension et/ou un premier courant en une seconde tension et/ou un second courant différents de la première tension et/ou du premier courant et adaptés à l'alimentation électrique de la charge électrique, les moyens de conversion pouvant être reliés électriquement à la charge électrique.
Les moyens de conversion peuvent comporter au moins un convertisseur statique de type DC/DC ou AC/DC ou DC/AC ou AC/AC. Les moyens de conversion peuvent comporter au moins un hacheur du type abaisseur de tension ou élévateur de tension ou à accumulation inductive, et/ou un onduleur de tension apte à réaliser une conversion de tension de type DC/AC triphasé, et/ou un redresseur de tension apte à réaliser une conversion de tension de type AC/DC et/ou un onduleur de courant apte à réaliser une conversion de courant de type DC/AC. Ces moyens de conversion peuvent délivrer une tension et/ou un courant monophasés ou polyphasés (par exemple triphasés ) .
La pompe électromagnétique peut être du type à induction, la source d'alimentation électrique peut être apte à délivrer une tension continue, et les moyens de conversion peuvent comporter au moins un onduleur de tension.
Ladite partie du circuit électrique destinée à être refroidie peut comporter ledit élément électrique relié en série à la pompe électromagnétique.
La pompe électromagnétique peut être reliée électriquement en série avec ladite partie du circuit électrique destinée à être refroidie (en série avec le ou les éléments à refroidir) telle que la pompe électromagnétique puisse être apte à être alimentée par un courant destiné à circuler dans ladite partie du circuit électrique.
Ledit élément électrique relié en série à la pompe électromagnétique peut comporter au moins un élément inductif faisant partie de la source d'alimentation électrique ou de la charge électrique ou des moyens de conversion de tension et/ou de courant. Une telle configuration a pour avantage que la pompe électromagnétique est alors alimentée avec un courant faiblement ondulé, ce qui réduit les pertes thermiques par courants de Foucault dans la pompe électromagnétique.
La pompe électromagnétique peut être du type à conduction et être reliée électriquement à un potentiel électrique destiné à être constant et nul. Dans cette configuration, les rayonnements électromagnétiques engendrés par la pompe sont alors réduits. De plus, la sécurité des personnes est également assurée du fait qu'un potentiel électrique constant et nul est appliqué sur le fluide caloporteur de la pompe électromagnétique.
Le circuit électrique peut comporter en outre une capacité, par exemple de découplage, reliée en parallèle à une source de tension faisant partie de la source d'alimentation électrique, la pompe électromagnétique pouvant être reliée électriquement en série avec la source de tension, entre la source de tension et la capacité. Cette configuration est avantageuse du fait que la pompe électromagnétique est alimentée alors par un courant moins haché que si la pompe était disposée en aval de la capacité, permettant d'obtenir un meilleur fonctionnement de la pompe électromagnétique. Cette capacité peut être disposée dans le circuit entre la source de tension et des moyens de conversion de tension et/ou de courant. Cette capacité peut être vue comme faisant partie de la source d'alimentation électrique. Le circuit électrique peut comporter en outre une capacité reliée en parallèle à la charge électrique, la pompe électromagnétique pouvant être reliée électriquement en série avec la charge électrique, entre la charge électrique et la capacité. Cette capacité peut être disposée dans le circuit entre la charge électrique et des moyens de conversion de tension et/ou de courant.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
- les figures 1, 4 à 10, 12 à 21, 27A à
29B, et 31A à 31B, représentent des schémas équivalents électriques idéaux d'un système électrique, objet de la présente invention, selon plusieurs variantes d'un premier mode de réalisation,
- les figures 2, 11A et 11B représentent un système électrique, objet de la présente invention, et son dispositif de refroidissement,
- les figures 3 et 23 représentent de manière schématique différentes pompes électromagnétiques faisant parties de systèmes électriques, objets de la présente invention,
- les figures 22, 24 à 26 et 30 représentent des schémas équivalents électriques idéaux d'un système électrique, objet de la présente invention, selon d'autres modes de réalisation. Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures décrites ci-après portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles .
Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente un système électrique 100 comportant un circuit électrique formé par des éléments, ici des composants électroniques, destinés à être refroidis par un dispositif de refroidissement comportant une pompe électromagnétique, selon un premier mode de réalisation. Le circuit électrique du système 100 est par exemple un circuit électrique de puissance. Sur la figure 1, seule une partie du dispositif de refroidissement, à savoir la pompe électromagnétique, est représentée.
Le circuit électrique du système 100 comporte une source d'alimentation électrique 101 alimentant électriquement une charge électrique 104, par exemple un moteur électrique. La source d'alimentation électrique 101 comprend ici une source de tension 102, correspondant par exemple à un générateur de tension ou un réseau d'alimentation électrique pouvant être couplé à une capacité de découplage. La source d'alimentation électrique 101 comporte également des moyens de conversion 106 de la tension délivrée par la source de tension 102 en une seconde tension électrique adaptée pour alimenter électriquement la charge électrique 104.
Le circuit électrique du système 100 forme un circuit électrique fermé, ou une boucle fermée, dans lequel circule un courant représenté symboliquement sur la figure 1 par des flèches.
Afin de réaliser un refroidissement des moyens de conversion 106, et plus particulièrement des composants électriques et/ou électroniques formant les moyens de conversion 106, le circuit électrique du système 100 est couplé à un dispositif de refroidissement 150 apte à réaliser un tel refroidissement en faisant circuler un fluide caloporteur électriquement conducteur au niveau de ces éléments. Cette circulation du fluide caloporteur électriquement conducteur est réalisée grâce à une pompe électromagnétique 108 reliée électriquement au circuit électrique et alimentée électriquement par le courant électrique circulant dans le circuit électrique. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1, la pompe électromagnétique 108 est reliée électriquement en série entre une sortie de la source 102 et une entrée des moyens de conversion 106, et est donc traversée et alimentée électriquement par le courant délivré par la source 102 et reçu dans les moyens de conversion 106. Un exemple de réalisation du dispositif de refroidissement 150 est représenté de manière détaillée sur la figure 2. Le dispositif de refroidissement 150 comporte un circuit 152 de circulation du fluide caloporteur électriquement conducteur comprenant des canaux et connexions hydrauliques dans lesquels le fluide est destiné à circuler. La circulation du fluide caloporteur dans le circuit 152 est représentée sur la figure 2 par des flèches.
Le fluide caloporteur électriquement conducteur est de préférence un métal liquide pouvant correspondre à un alliage comprenant du gallium et/ou de l'étain et/ou de l'indium et/ou du plomb et/ou du bismuth et/ou du cadmium et/ou de l'antimoine et/ou tout autre métal adapté. Le fluide caloporteur électriquement conducteur peut correspondre également à une solution liquide de sels fondus (par exemple à base de NaK) ou d ' électrolytes .
Le dispositif de refroidissement 150 comporte des moyens d'évacuation de la chaleur produite par les composants électroniques des moyens de conversion 106 dans le fluide caloporteur. Ces moyens sont par exemple formés d'un élément 154 disposé contre les composants électroniques des moyens de conversion 106 et dans lequel circule le fluide caloporteur, permettant ainsi de faire passer le fluide à proximité des composants électroniques à refroidir. La chaleur dégagée par les composants électroniques est capturée par le fluide caloporteur circulant dans l'élément 154.
Le dispositif de refroidissement 150 comporte également un échangeur thermique 156 couplé au circuit de circulation 152. Cet échangeur thermique 156 permet d'évacuer la chaleur capturée par le fluide caloporteur dans l'air ambiant ou par l'intermédiaire un flux d'air traversant l 'échangeur thermique 156, ou plus généralement vers un autre fluide.
La circulation du fluide caloporteur électriquement conducteur dans le circuit 152 est assurée par la pompe électromagnétique 108 alimentée électriquement par le courant fourni par la source 102. La pompe électromagnétique 108 est reliée électriquement en série dans le circuit électrique qui comporte les composants électroniques à refroidir.
La pompe électromagnétique 108 permet de faire circuler le fluide caloporteur électriquement conducteur dans le circuit de circulation de fluide 152 grâce aux actions couplées d'un champ magnétique B et d'un courant électrique I créant une force appelée force de Laplace dF sur un élément de longueur dl telle que :
dF = Λ β
Dans ce premier mode de réalisation, la pompe électromagnétique 108 est une pompe à conduction à courant continu dont le principe de fonctionnement est représenté sur la figure 3. Dans ce type de pompe, un aimant ou un circuit magnétique bobiné (ou électroaimant) 110 crée, grâce à ces pôles magnétiques nord 110a et sud 110b, une induction magnétique (champ magnétique B) perpendiculaire (ou plus généralement non colinéaire) au circuit 152 rempli du fluide conducteur et dans lequel ce fluide est destiné à circuler. Ce fluide est traversé par un courant / généré par des électrodes 112 (potentiel positif) et 114 (potentiel négatif) disposées de part et d'autre du circuit 152. Dans cette configuration, le courant / et le champ magnétique B sont perpendiculaires (ou plus généralement non colinéaires) l'un par rapport à l'autre. La force résultante F est donc orientée dans la direction du circuit 152 et correspond à la force subie par le fluide conducteur, entraînant la circulation du fluide dans le circuit 152.
Les moyens de conversion 106 correspondent par exemple à un convertisseur statique continu- continu, ou DC/DC, apte à convertir la tension électrique continue obtenue aux bornes de la source 102 en une seconde tension électrique continue alimentant électriquement la charge 104. Ces moyens de conversion 126 sont reliés électriquement à la source 102 par l'intermédiaire de la pompe électromagnétique 108, ainsi qu'à la charge 104.
Lorsque la tension continue issue de la source 102 doit être abaissée pour alimenter la charge électrique 104, le convertisseur continu - continu peut correspondre à un dispositif de type hacheur abaisseur de tension, tel que représenté sur la figure 4. Sur cette figure 4, la source de tension 102 est assimilée à un générateur de tension continue. Ce générateur de tension 102 peut correspondre à une source de tension couplée à une capacité de découplage (non représentée sur la figure 4) reliée en parallèle à la source de tension, la tension d'alimentation du circuit correspondant à la tension aux bornes de cette capacité de découplage. La charge électrique 104, qui comporte ici un élément inductif, est assimilée à une source de courant continu. La charge électrique 104 est assimilée à une source de courant continue du fait que le courant traversant l'élément inductif de la charge varie peu, ce qui signifie que c'est la charge qui « fixe » la valeur du courant circulant dans le circuit. Le hacheur abaisseur 106 comporte un thyristor GTO 118 (thyristor à extinction par la gâchette) relié électriquement en série à la borne positive du générateur de tension 102 par l'intermédiaire de la pompe 108, et une diode 120 reliée électriquement en parallèle de la source de courant correspondant à la charge électrique 104. Le thyristor GTO 118 pourrait être remplacé par un IGBT (transistor bipolaire à grille isolée) ou un MOSFET (transistor à effet de champ), ou plus généralement par un composant électronique pouvant former un interrupteur commandé en ouverture et en fermeture.
Sur l'exemple de la figure 4, la pompe 108 est reliée électriquement en série au potentiel positif du générateur de tension formé par la source 102. Dans une variante, il est possible de relier électriquement en série la pompe 108 dans le circuit électrique entre la borne négative du générateur de tension formé par la source 102 et les moyens de conversion 106, comme représenté sur les figures 5 et 6. Dans cette variante, la pompe 108 est reliée électriquement à la masse, c'est-à-dire à un potentiel électrique constant et nul, ce qui réduit les rayonnements électromagnétiques engendrés par la pompe 108 et permet d'assurer la sécurité des personnes en raison du potentiel électrique nul auquel est soumis le fluide caloporteur de la pompe 108.
De manière avantageuse, la pompe 108 est reliée électriquement en série avec la source de courant continu correspondant à la charge 104 comme représenté sur les figures 7 à 10. Dans ces deux configurations (l'une correspondant aux figures 7 et 8, et l'autre correspondant aux figures 9 et 10), lorsque le convertisseur continu - continu 106 correspond à un hacheur abaisseur de tension, la diode 120 est reliée électriquement en parallèle à la source de courant formée par la charge 104 et à la pompe 108 qui sont reliées en série l'un à l'autre. Du fait que la pompe 108 soit reliée en série avec la charge qui comporte un élément inductif, le courant électrique alimentant la pompe 108 est dans ce cas faiblement ondulé, ce qui réduit les pertes thermiques par courants de Foucault dans la pompe 108. Le choix entre la configuration représentée sur les figures 7 et 8 et la configuration représentée sur les figures 9 et 10 est réalisé en fonction du potentiel électrique souhaité appliqué sur la pompe 108 (et donc également appliqué sur le fluide caloporteur) . On réalisera de préférence la configuration représentée sur les figures 7 et 8 car dans ce cas, la pompe 108 est reliée électriquement à la masse, c'est-à-dire à un potentiel électrique constant et nul, ce qui réduit les rayonnements électromagnétiques engendrés par la pompe 108 et permet d'assurer la sécurité des personnes en raison du potentiel électrique nul auquel est soumis le fluide caloporteur de la pompe 108. Dans les exemples précédemment décrits, le dispositif de refroidissement 150 permet de refroidir les composants électriques et/ou électroniques des moyens de conversion 106. De plus, la pompe 108 est ici alimentée par le courant circulant dans la partie du circuit électrique destinée à être refroidie, à savoir les moyens de conversion 106. Dans d'autres configurations, il est également possible que le dispositif de refroidissement 150 réalise le refroidissement d'une partie ou de la totalité de la charge électrique 104, et/ou des moyens de conversion 106 et/ou de la source 102 de tension ou de courant.
Sur les figures 4 à 10 précédemment décrites, seule une partie du dispositif de refroidissement, à savoir la pompe électromagnétique, est représentée.
Lorsqu'une capacité, ou un élément capacitif, est présente dans le système électrique, il peut être avantageux de disposer la pompe électromagnétique 108 en amont de cette capacité. Ainsi, sur l'exemple de la figure 27A qui représente le système 100 tel que précédemment décrit en liaison avec les figures 4 à 10, une capacité de découplage 160 est présente entre la source 102 et les moyens de conversion 106 (la capacité 160 est reliée en parallèle aux moyens de conversion 106 et à la source) . La capacité de découplage 160 permet ici de fournir le courant haché aux moyens de conversion 106 (en raison de l'inductance de câblage présente entre la source 102 et les moyens de conversion 106, cette inductance étant représentée symboliquement sur la figure 27A par la référence 162) . L'ensemble formé par la source 102, l'inductance 162 et la capacité de découplage 160 peut correspondre au générateur de tension 102 précédemment décrit en liaison avec les figures 4 à 10. Du fait que la pompe 108 soit disposée en amont de la capacité 160, c'est-à-dire du côté de la source 102, entre la source 102 et la capacité 160, la pompe 108 est donc alimentée par un courant de forme plus « continue », moins haché que si la pompe était disposée en aval de la capacité 160 (c'est-à-dire entre la capacité 160 et la charge 104), permettant ainsi un meilleur fonctionnement de la pompe électromagnétique 108 qui fonctionne via le courant la traversant. De plus, dans cette configuration, la pompe 108 est également reliée électriquement en série avec un élément inductif du circuit, à savoir l'inductance de câblage 162.
Sur l'exemple de la figure 27A, la pompe électromagnétique 108 est reliée à la borne positive de la source 102. Il est également possible que la pompe 108 soit disposée en amont de la capacité 160, mais soit reliée à la borne négative de la source 102, comme représenté sur la figure 27B. Ainsi, la pompe 108 est reliée à un potentiel électrique constant et nul, ce qui permet en plus de réduire les rayonnements électromagnétiques engendrés par la pompe 108 et d'assurer la sécurité des personnes en raison notamment du potentiel électrique nul appliqué sur le fluide caloporteur .
La figure 11A représente une configuration du dispositif de refroidissement 150 réalisant le refroidissement des moyens de conversion 106 par l'intermédiaire de l'élément 154 dans lequel circule le fluide caloporteur, mais également le refroidissement de la charge électrique 104 grâce à une autre élément 155 dans lequel circule également le fluide caloporteur. Les liaisons électriques reliant électriquement les différents éléments du circuit électrique portent la référence 157.
La figure 11B représente une configuration du dispositif de refroidissement 150 réalisant uniquement le refroidissement de la charge 104 grâce à l'élément 155. Dans cette configuration, les moyens de conversion 106 ne sont donc pas refroidis.
Le sens de circulation du fluide caloporteur peut être différent de celui représenté sur les figures 2, 11A et 11B. La pompe électromagnétique 108 sera de préférence disposée, dans le circuit de circulation du fluide, juste après l'échangeur thermique 156 (comme sur les figures 2, 11A et 11B) afin que la chaleur ne perturbe pas les matériaux magnétiques de la pompe 108.
Dans les configurations du dispositif de refroidissement 150 représentées sur les figures 11A et 11B, la pompe 108 est reliée électriquement entre les moyens de conversion 106 et la charge électrique 104, correspondant ainsi aux cas des systèmes électriques représentés sur les figures 7 à 10. Toutefois, il est possible de réaliser ces mêmes configurations en inversant les dispositions de la pompe 108 et des moyens de conversion 106.
Dans les exemples précédemment décrits, la source 102 n'est pas refroidie par le dispositif de refroidissement 150. Toutefois, et par exemple dans le cas où la source 102 du système électrique correspond à un panneau photovoltaïque, cette source 102 peut être refroidie par le dispositif de refroidissement 150.
Les figures 12 à 15 représentent respectivement les configurations des figures 1, 5, 7 et 9 dans lesquelles le convertisseur continu - continu 112 correspond à un hacheur élévateur de tension, la tension aux bornes de la source 102 étant augmentée par le hacheur pour fournir une tension continue plus importante aux bornes de la charge 104. Du fait que dans ces configurations, la charge 104 soit une charge capacitive, celle-ci est assimilée à une source de tension continue, la source 102 correspondant à une source de courant continu du fait que celle-ci comporte un élément inductif non représenté sur les figures 12 à 15 (la source 102 pourrait également correspondre à une source de tension reliée en série avec une inductance) .
Le hacheur élévateur de tension est formé par une diode 120 reliée en série au potentiel positif du générateur de tension correspondant à la charge 104 (par l'intermédiaire de la pompe 108 dans le cas représenté sur la figure 14), et par un thyristor GTO 118 (ou une IGBT ou un MOSFET) relié électriquement en parallèle à la source de courant 102 (et éventuellement en parallèle également de la pompe 108 lorsque celle-ci est reliée en série à une des bornes de la source de courant formée par la source 102) .
Parmi les configurations représentées sur les figures 12 à 15, on réalise de préférence l'une des configurations représentées sur les figures 12 et 13 dans lesquelles la pompe électromagnétique 108 est reliée électriquement en série à l'une des bornes de la source 102, c'est-à-dire en série avec l'élément inductif du circuit, entre la source 102 et les moyens de conversion 106, la pompe 108 étant dans ce cas alimentée par un courant faiblement ondulé, réduisant ainsi les pertes thermiques dans la pompe 108. Le choix entre la configuration représentée sur la figure 12 et celle représentée sur la figure 13 est réalisé en fonction du potentiel électrique souhaité sur la pompe 108 et sur le fluide caloporteur. On réalisera de préférence la configuration représentée sur la figure 13 car dans ce cas, le potentiel électrique est nul et fixé à la masse.
Dans un tel système, une capacité de découplage 160 peut être présente du côté de la charge 104. Dans ce cas, la pompe électromagnétique 108 est de préférence disposée entre la charge 104 et la capacité 160 (la capacité 160 étant reliée en parallèle à la charge 104, et la pompe 108 est reliée en série à l'une des bornes de la charge 104) . Une telle configuration est représentée sur les figures 28A et 28B. Comme précédemment, la pompe 108 peut être avantageusement reliée au potentiel négatif de la source 102 (cas de la figure 28B) afin de réduire les rayonnements électromagnétiques engendrés par la pompe 108 et assurer la sécurité des personnes.
Dans une autre variante de réalisation du système électrique 100 comportant la pompe électromagnétique 108 à conduction, le circuit de conversion de tension continu - continu 106 peut être réalisé par un hacheur à accumulation inductive. Différentes configurations d'un tel système électrique 100 sont représentées sur les figures 16 à 21. Dans ces configurations, la source 102 et la charge 104 sont assimilées toutes les deux à des générateurs de tension continue .
Le hacheur à accumulation inductive 106 comporte un thyristor GTO 122 (ou un IGBT ou encore un MOSFET ou tout composant électronique pouvant former un interrupteur commandé en ouverture ou en fermeture) relié électriquement en série à la borne positive du générateur de tension correspondant à la source 102 (éventuellement par l'intermédiaire de la pompe 108 comme sur la configuration représentée sur la figure 16) . Le thyristor GTO 122 est relié également à une diode 124 qui est également reliée électriquement en série à la borne positive du générateur de tension formée par la charge 104 (éventuellement par l'intermédiaire de la pompe 108 comme sur la configuration représentée sur la figure 18) . Enfin, le hacheur à accumulation inductive comporte une inductance 126, ou self, comprenant l'une de ses bornes reliée à la liaison électrique entre le thyristor 122 et la diode 124, et l'autre de ses bornes reliée électriquement aux bornes négatives des générateurs de tension correspondant à la source 102 et à la charge 104 (éventuellement par l'intermédiaire de la pompe 108 comme dans les configurations représentées sur les figures 17 et 19) .
On réalisera de préférence les configurations représentées sur les figures 20 et 21. Dans ces configurations, le convertisseur continu - continu 106 correspond à un hacheur à accumulation inductive formé par le thyristor 122, la diode 124 et l'inductance 126. Dans ces deux configurations, la pompe 108 est reliée directement à l'une des bornes de l'inductance 126. L'autre borne de la pompe 108 est reliée soit au thyristor 122 et à la diode 124 (cas de la figure 20), soit aux bornes négatives des générateurs de tension correspondant à la source 102 et à la charge 104 (cas de la figure 21) .
Lorsqu'une capacité de découplage 160 est présente dans le système 100, comme représenté sur les figures 29A et 29B, la pompe 108 est de préférence disposée en amont de la capacité 160, entre la source 102 et la capacité 160, comme précédemment décrit en liaison avec les figures 27A et 27B. La configuration de la figure 29B est avantageuse en raison du potentiel électrique nul appliqué sur la pompe électromagnétique 108.
II est également possible qu'une capacité
170 soit reliée en parallèle à la charge électrique 104 afin de lisser la tension destinée à être appliquée aux bornes de la charge électrique 104, comme représenté sur les figures 31A et 31B. Cette capacité 170 est disposée entre la charge électrique 104 et les moyens de conversion 106. Dans ce cas, il est possible de relier électriquement la pompe 108 en série avec la charge électrique 104, entre la charge électrique 104 et la capacité 170.
Dans les différentes configurations précédemment décrites, le système électrique 100 comporte une seule pompe électromagnétique 108. Toutefois, il est également possible que le système électrique 100 comporte plusieurs pompes électromagnétiques 108.
Sur les figures 12 à 21 précédemment décrites, seule une partie du dispositif de refroidissement, à savoir la pompe électromagnétique, est représentée.
On décrit maintenant un système électrique 200 comportant des composants électroniques refroidis par un dispositif de refroidissement comportant une pompe électromagnétique, selon un second mode de réalisation représenté sur la figure 22. Sur la figure 22, seule une partie du dispositif de refroidissement, à savoir la pompe électromagnétique, est représentée.
Dans ce second mode de réalisation, le système électrique 200 comporte un circuit électrique formé d'une source d'alimentation électrique 201 fournissant une tension destinée à alimenter une charge 204. Cette charge 204, par exemple un moteur, fonctionne en triphasé. La source d'alimentation électrique comporte donc une source de tension continue 202 couplée à des moyens de conversion 206 aptes à convertir la tension continue fournie par la source 202 en une tension alternative triphasée. Ces moyens 206 correspondent par exemple à un onduleur de tension tel que représenté sur la figure 22 et formé par plusieurs diodes 208 et plusieurs composants électroniques 210 aptes à former des interrupteurs commandés en ouverture et en fermeture, par exemple des thyristors GTO. Le système électrique 200 comporte également une pompe électromagnétique 212 à induction reliée électriquement en série entre l'onduleur de tension 206 et la charge 204. La pompe électromagnétique à induction 212 est représentée schématiquement sur la figure 23.
Le principe de fonctionnement d'une telle pompe électromagnétique à induction est différent de celui d'une pompe électromagnétique à conduction. En effet, lorsqu'un matériau électriquement conducteur est soumis à un champ magnétique variable dans l'espace, celui-ci est le siège de courants de Foucault qui vont créer à leur tour un champ magnétique s 'opposant aux variations du flux magnétique imposé. Un circuit magnétique extérieur 214 de la pompe 212 est tel qu'il permet de créer un champ magnétique glissant permettant la mise en mouvement du fluide conducteur de refroidissement. La pompe 212 représentée sur la figure 23 est une pompe à induction annulaire. Elle comporte un bobinage triphasé 216 qui créé une induction magnétique alternative se déplaçant dans le sens du canal 218 de la pompe 202 dans lequel le fluide caloporteur électriquement conducteur est destiné à circuler. Le champ magnétique variable va créer des boucles de courants induits dans le liquide conducteur. Ces courants induits vont alors permettre le déplacement du fluide grâce à la force de Laplace F créée .
Sur l'exemple de la figure 22, la pompe 212 fonctionne à partir de courants alternatifs triphasés. Toutefois, il serait possible d'utiliser une pompe électromagnétique fonctionnant à partir d'un courant monophasé. Dans ce cas, la pompe serait reliée électriquement en série entre la source 202 et les moyens de conversion 206. La pompe peut dans ce cas être une pompe électromagnétique à conduction similaire à la pompe 108 précédemment décrite.
Dans la configuration représentée sur la figure 30, une capacité de découplage 160 est présente dans le système 200 et est reliée en parallèle à la source 202. On peut dans ce cas avantageusement relier la pompe électromagnétique 108 à conduction en série à l'une des bornes de la source 202 (à la borne positive comme sur la figure 30, ou avantageusement à la borne négative de la source 202), la pompe 108 se trouvant dans ce cas en amont de la capacité 160.
La figure 24 représente un système électrique 300 selon un troisième mode de réalisation. Dans ce troisième mode de réalisation, la source d'alimentation électrique comporte un redresseur de tension 306 délivrant, à partir d'une tension alternative issue d'un réseau électrique alternatif 302 et reçue en entrée sur le redresseur 306, une tension électrique continue alimentant la charge électrique 104 à courant continu (par exemple un ordinateur) . La pompe électromagnétique 108 utilisée pourra être une pompe à conduction continue alimentée par la tension délivrée par le redresseur 306. En variante, on pourrait utiliser une pompe à conduction à courant alternatif reliée électriquement entre le réseau 302 et le redresseur 306. Les figures 25A et 25B représentent des exemples de réalisation du redresseur 306 utilisés dans le système électrique 300. Dans le cas représenté sur la figure 25A, la charge électrique 104 est du type résistif. Le redresseur 306 comporte un transformateur 307, permettant par exemple d'abaisser la tension fournie par le réseau électrique 302, couplé au réseau électrique alternatif 302, ainsi qu'un ensemble de diodes 305 réalisant une conversion alternatif - continu de la tension. Une capacité 309 est reliée parallèlement à la charge 104 (et à la pompe 108) . Le système électrique 300 représenté sur la figure 25B correspond au cas où la charge électrique 104 est du type inductif . Dans ce cas, la capacité 309 est absente du système électrique 300.
La figure 26 représente un système électrique 400 selon un quatrième mode de réalisation. Dans ce système électrique 400, la charge électrique 104 est une charge présentant un caractère capacitif. La source d'alimentation électrique 401 comporte une source de courant continu 102 alimente la pompe 108 et des moyens de conversion 406, ici un onduleur de courant formé par des diodes et des thyristors, permettant de convertir le courant continu fourni par la source de courant 102 en un courant alternatif permettant d'alimenter électriquement la charge électrique 104.
Sur les figures 24 à 26 précédemment décrites, seule une partie du dispositif de refroidissement, à savoir la pompe électromagnétique, est représentée. Dans les systèmes électriques précédemment décrits, la pompe électromagnétique est de préférence disposée du côté courant continu du circuit électrique si la pompe électromagnétique fonctionne avec un courant continu. De même, la pompe électromagnétique est de préférence disposée du côté courant alternatif du circuit électrique si la pompe électromagnétique 108 fonctionne avec un courant alternatif.
Le dispositif de refroidissement peut être réalisé séparément du circuit électrique, ou bien être réalisé de manière intégrée au circuit électrique, par exemple réalisé sur un même support selon les principes décrits dans le document US 2009/279257 Al.
Les caractéristiques de la pompe électromagnétique sont choisies en fonction des courants circulants dans le circuit électrique. Dans le cas d'un circuit électrique de puissance, les tensions mises en jeu peuvent être comprises par exemple entre environ 10 V et 6 kV, les courants circulant dans le circuit électrique, et donc alimentant la pompe électromagnétique, étant compris entre environ 10 A et 1 ou plusieurs kA.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système électrique (100 - 400) comprenant au moins un circuit électrique formé par au moins :
- une source d'alimentation électrique (101, 201, 306, 401),
- une charge électrique (104, 204) destinée à être alimentée par la source d'alimentation électrique (101, 201, 306, 401) et reliée électriquement à la source d'alimentation électrique (101, 201, 306, 401),
le système électrique (100 - 400) comprenant également au moins un dispositif de refroidissement (150), distinct de la charge électrique (104, 204), comportant au moins une pompe électromagnétique (108, 212) apte à faire circuler un fluide caloporteur électriquement conducteur dans un circuit de circulation de fluide (152) permettant de refroidir au moins une partie du circuit électrique, et dans lequel la pompe électromagnétique (108, 212) est reliée électriquement en série avec au moins un élément électrique (102, 104, 106, 126, 162, 202, 204, 206, 306) du circuit électrique telle que la pompe électromagnétique (108, 212) soit apte à être alimentée électriquement par un courant destiné à circuler dans ledit élément électrique du circuit.
2. Système électrique (100 - 400) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de refroidissement (150) est configuré pour refroidir la source d'alimentation électrique (101, 201, 306, 401) et/ou la charge électrique (104, 204) .
3. Système électrique (100 - 400) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de refroidissement (150) comporte en outre des moyens (154, 155) d'évacuation de la chaleur émise par ladite partie du circuit électrique dans le fluide caloporteur électriquement conducteur, et/ou au moins un échangeur thermique (156) couplé au circuit de circulation (152) de fluide et apte à refroidir le fluide caloporteur électriquement conducteur.
4. Système électrique (100 - 400) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la pompe électromagnétique (108, 212) est du type à conduction ou à induction.
5. Système électrique (100 - 400) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la source d'alimentation électrique (101, 201, 306, 401) comporte des moyens de conversion statique (106, 206, 306, 406) d'une première tension et/ou un premier courant en une seconde tension et/ou un second courant différents de la première tension et/ou du premier courant et adaptés à l'alimentation électrique de la charge électrique (104, 204), les moyens de conversion (106, 206, 306, 406) étant reliés électriquement à la charge électrique (104, 204) .
6. Système électrique (100 - 400) selon la revendication 5, dans lequel les moyens de conversion (106, 206, 306, 406) comportent au moins un convertisseur statique de type DC/DC ou AC/DC ou DC/AC ou AC/AC.
7. Système électrique (100 - 400) selon l'une des revendications 5 ou 6, dans lequel les moyens de conversion (106, 206, 306, 406) comportent au moins un hacheur du type abaisseur de tension ou élévateur de tension ou à accumulation inductive, ou un onduleur de tension apte à réaliser une conversion de tension de type DC/AC triphasé, ou un redresseur de tension apte à réaliser une conversion de tension de type AC/DC et/ou un onduleur de courant apte à réaliser une conversion de courant de type DC/AC.
8. Système électrique (200) selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel la pompe électromagnétique (212) est du type à induction, la source d'alimentation électrique (201) est apte à délivrer une tension continue, et les moyens de conversion (206) comportent au moins un onduleur de tension .
9. Système électrique (100 - 400) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite partie du circuit électrique destinée à être refroidie comporte ledit élément électrique relié en série à la pompe électromagnétique (108) .
10. Système électrique (100 - 400) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit élément électrique relié en série à la pompe électromagnétique (108) comporte au moins un élément inductif faisant partie de la source d'alimentation électrique (101, 201, 306, 401) ou de la charge électrique (104, 204) .
11. Système électrique (100, 300, 400) selon l'une des revendications 1 à 7 ou 9 à 10, dans lequel la pompe électromagnétique (108) est du type à conduction et est reliée électriquement à un potentiel électrique destiné à être constant et nul.
12. Système électrique (100 - 400) selon l'une des revendications précédentes, le circuit électrique comportant en outre une capacité (160) reliée en parallèle à une source de tension (102, 202, 302) faisant partie de la source d'alimentation électrique (101, 201, 306, 401), la pompe électromagnétique (108) étant reliée électriquement en série avec la source de tension (102), entre la source de tension (102) et la capacité (160) .
13. Système électrique (100 - 400) selon l'une des revendications 1 à 11, le circuit électrique comportant en outre une capacité (170) reliée en parallèle à la charge électrique (104, 204), la pompe électromagnétique (108) étant reliée électriquement en série avec la charge électrique (104, 204), entre la charge électrique (104, 204) et la capacité (170) .
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