WO2014139799A1 - Boucle fluide diphasique a pompage mecanique - Google Patents

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WO2014139799A1
WO2014139799A1 PCT/EP2014/053750 EP2014053750W WO2014139799A1 WO 2014139799 A1 WO2014139799 A1 WO 2014139799A1 EP 2014053750 W EP2014053750 W EP 2014053750W WO 2014139799 A1 WO2014139799 A1 WO 2014139799A1
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phase
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Jean Duval
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Atmostat
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    • F04B45/022—Pumps or pumping installations having flexible working members and specially adapted for elastic fluids having bellows with two or more bellows in parallel

Definitions

  • the present invention relates to a two-phase fluid loop with mechanical pumping requiring a fluid injection very regular flow.
  • a mechanical pumped two-phase loop comprising a positive displacement pump, in particular a bellows volumetric pump having a structure adapted to force the supply of fluid into the evaporator of the two-phase loop. It also relates to a two-phase high efficiency loop. It also relates to the use of a volumetric pump with very low flow rate, continuous and constant in a two-phase loop.
  • the invention makes it possible to force the supply of fluid into said two-phase fluid loop and to directly inject said fluid into said dynamic evaporator so that the flow rate fluid is as independent as possible from the temperature of the evaporator and so as to have a strictly continuous and regular fluid injection and stable evaporation.
  • the present invention is in the field of two-phase fluid loops which serve to cool power electronics, in particular integrated electronics.
  • a two-phase fluid loop is a heat transfer circuit, usually a closed loop, in which a fluid, initially in the liquid state, is evaporated to capture the heat of a hot source, and is then transferred to a condenser where the fluid the vapor state is condensed to return the heat to a cold source.
  • a two-phase fluid loop has a high cooling efficiency.
  • a two-phase pumped mechanical fluid loop is composed of one or more evaporators and one or more condensing zones and a pump that allows fluid circulation in the liquid state.
  • the fluid is found in two phases from the evaporation zone to the condensation zone.
  • the latent heat of vaporization and condensation makes the two-phase loop a very efficient heat transfer method.
  • no gas other than the vapor obtained by the evaporation of the fluid present in the liquid state must be present in the two-phase fluid loop.
  • the operation of the two-phase fluid loop can otherwise be altered, or even be very quickly blocked.
  • no leakage of the fluid in the vapor state or in the liquid state should occur. This is especially true when the fluid used is toxic, which may be the case for certain applications where a fluid is sought which is compatible with very low temperatures.
  • bellows pumps in particular.
  • the bellows are usually associated in pairs, in geometrical opposition.
  • an alternating movement initiated by a jack or a cam, for example, allows a pumping alternately and in phase opposition of the two bellows.
  • Figure 1 illustrates the variation curve of a fluid flow rate provided by a single bellows pump.
  • the fluid flow rate supplied is zero during the suction phase of the fluid, between two discharge phases, by the bellows.
  • the flow rate varies significantly between zero and a maximum value of the flow.
  • Figure 2 illustrates, in comparison with the curve 10, the interest of a pump with two bellows compared to a single bellows pump.
  • the curve 12 which is drawn therein indicates that in this case, there is always a discharge phase of a bellows during the suction phase of the other. This prevents the flow is zero during a half-period of the pump. Curve 12, however, still shows a strong variation in the flow rate provided on each half-period.
  • Curve 12 shows a lack of flow separating two consecutive phases of bellows discharge, during which the flow rate is low or zero. There is thus a large decrease in the evaporation pressure produced during this time of lack of flow. This time is therefore conducive to the appearance of phenomena known as cavitation or "water hammer". Risks of vibration and degradation of the pump may occur.
  • the bellows being arranged opposite each other, they generate a consequent bulk of the pump.
  • bellows pumps generally have an unsatisfactory seal due to the deformable materials used, for example organic materials.
  • piston pumps are also known.
  • the pistons are arranged axially or radially about an axis.
  • a cam or connecting rods connected to each piston makes it possible to control a reciprocating translation movement enabling each piston to move, and thus to vary the volume of a pumping chamber whose piston defines a wall.
  • piston pumps are designed for high flow rates involving high rotational speeds, which means that flow rates are too high for a loop. biphasic fluid with mechanical pumping.
  • FIG. 3 illustrates, in comparison with the curves 10 and 12, the advantage of a pump with three or more bellows, compared with a single bellows or double bellows pump.
  • the curve 14 shows firstly that the flow rate provided by the pump comprising more than two bellows is never zero. In addition, the variation of the flow rate provided by the bellows pump is smoothed. Therefore, the risks of cavitation are also reduced.
  • a piston transfer pump in which the mobile pumping element is a bellows alternately filled and emptied of hydraulic fluid put under high pressure by a piston driven by a cam.
  • Said pump further comprises at least two bellows piston pumping assemblies which are fed by a single intake circuit common to the assemblies on which is placed a flow control solenoid valve and which have a discharge circuit which can be single and common, or specific to each pumping unit.
  • the maximum possible pressure is too limited by the stiffness of the bellows and the transverse arrangement with cam follower does not allow miniaturization. It can not therefore be used to make a two-phase fluid loop with mechanical pumping integrated in a highly dissipative electronic system.
  • US 5,165,866 and US 2,553,247 are known a vertical bellows pump comprising a motion conversion mechanism comprising an eccentric cam member and a reciprocating member causing extension and contraction of the bellows in the vertical direction.
  • the eccentric cam member is supported by a spindle shaft and extends along a horizontal axis of the drive shaft.
  • diphasic loops are oriented towards gravitational two-phase fluid loops or diphasic fluid loops with capillary pumping.
  • the circulation of the liquid is provided by a capillary device without the intervention of a mechanical pump.
  • One of the technical problems that arises when using such a device is that the evaporation of the fluid is passive and therefore limited, which prohibits high thermal fluxes and high power densities.
  • the liquid can be captured by the capillary device only in the absence of acceleration. This is therefore only compatible with space activities, and a fortiori incompatible with an accelerated vehicle.
  • the present invention therefore aims to remedy these drawbacks.
  • Dynamic Evaporator Evaporator in which the changes of state and the exchanges of energy are activities by the projection speed of the diphasic mixture.
  • the high-speed spraying of the two-phase mixture on a curved surface causes phase separation due to their difference in inertia and makes it possible to obtain the contact of the liquid with the hot surface, without evaporation opposing it. .
  • the sealing describes the means implemented to ensure that there is no exchange of liquid or gaseous material between the inside and the outside of the two-phase fluid loop.
  • Sealing can be quantified by testing the leakage flow of a gas, called a tracer, between the outside and the inside of the test organ.
  • a relevant tracer is, for example, helium.
  • helium is the chemical element whose molecule is the smallest, present in the form of a monoatomic gas.
  • An "ultrahigh” type of sealing can be defined by a helium leakage flux of less than 1 G "7 Pa.m ⁇ s "! and beyond.
  • Very low flow rate a very small amount of liquid passing through a cross-section of the flow per unit of time. In the case of two-phase loop, it is considered that the flow is low when it is less than ten liters per minute and very low, when it is less than a few liters per minute.
  • Continuous flow rate amount of liquid passing through a straight section of the flow per unit of time, without any interruption.
  • Constant flow rate amount of liquid passing through a cross-section of the flow per unit of time that is always or for a long time in the same state and in the same quantity.
  • the subject of the invention is a two-phase mechanical pumping fluid loop comprising a dynamic evaporator, a condenser, an expansion vessel for regulating the pressure in said loop, a volumetric pump with a very low flow rate, continuous and constant, said pump the volumetric chamber being designed with a structure adapted to force the liquid feed into said dynamic evaporator of the two-phase loop, and to inject said liquid directly into said dynamic evaporator so as to have a liquid injection that is strictly continuous and at a constant rate, allowing a effective evaporation.
  • the volumetric pump comprises: at least three bellows equidistant around an axis called the bellows axis, at least three pushers adapted to move along respective push pins parallel to the bellows axes to control, each, the reciprocating movement of a pumping bellows , said pushers being guided in translation in the positive displacement pump housing, a motor for driving an axial cam, whose axis of rotation is parallel to the axis of the bellows.
  • the axial cam of said positive displacement pump being rotated to control the oscillations of the pushers according to their respective push axes
  • said axial cam comprising: at least one plate adapted to be rotated about an axial axis of cam, said platinum is inclined relative to the axis of said axial cam, a pusher ring being arranged around the plate, said pusher ring is secured to each of the pushers and free to rotate around the plate, and - a stop means preventing the rotation of the push ring around the axial cam axis.
  • the pusher axes of the positive displacement pump are parallel to the axial cam axis and to the bellows axes, and the pumping bellows are equidistributed angularly around the axial cam axis.
  • the invention makes it possible to meet the new specifications in the field of two-phase loop, particularly in terms of high level of heat dissipation, which seems to be a new technological solution for providing thermal control of electronic power equipment, in particular more electric aircraft of the future. .
  • the invention also makes it possible to produce a mechanical pumped two-phase loop whose liquid supply is forced with a bellows pump designed with a particular structure, adapted to have the very particular characteristics of tightness, of very low flow, constant and continuous and miniaturization.
  • FIG. 4 is a diagrammatic representation of a two-phase loop with mechanical pumping
  • FIGS. 5 and 6 show schematically examples of bellows pump used in the mechanical pump two-phase fluid loop
  • a mechanical pumped two-phase fluid loop (200) comprises a dynamic evaporator (202), a condenser (204), a regulated expansion vessel (206) which makes it possible to control the pressure in said loop a volumetric pump (20, 100) and reed with a very low, continuous and constant flow
  • said volumetric pump (20, 100) has a structure adapted to force the supply of the fluid in the dynamic evaporator of the two-phase loop, and for injecting said liquid directly into said dynamic evaporator (202) so as to have a strictly continuous and constant flow liquid injection and effective evaporation
  • the pump (20, 100) injects a liquid into the dynamic evaporator (202).
  • the dynamic evaporator (202), disposed downstream of the pump (20, 100), allows the liquid to be transformed into vapor in contact with a hot source to be cooled while accelerating the circulation of the two-phase mixture, due to the fact that gas expansion resulting from evaporation.
  • the bellows-type mechanical pump designed with a particular structure makes it possible to force the supply of liquid into said evaporator of the loop, independently of variations in pressure.
  • the hot source may for example be an electronic element to be cooled. The transformation of the liquid into vapor captures the large amount of heat produced by the electronic element.
  • the condenser (204) has a temperature sufficiently low that the vapor entering the condenser (204) is condensed into liquid. This transformation of the vapor into liquid makes it possible to transmit a large quantity of heat to a cold source.
  • the mechanical pumped two-phase fluid loop (200) preferably includes a pressure regulator (206) for stabilizing the operating temperature of said loop (200).
  • a pressure regulator (206) for stabilizing the operating temperature of said loop (200).
  • the pressure regulator (206) also has an expansion tank function to compensate for volume variations of the two-phase fluid in the two-phase fluid loop (200).
  • the pressure regulator (206) can be controlled mechanically.
  • the pressure regulator (206) may comprise a bellows actuated by a spring. This means also allows that there is no empty volume in the circuit when the loop is not activated by a heat flow.
  • the two-phase fluid flowing in the mechanical pumped two-phase fluid loop (200) is chosen from easily evaporable fluids such as water, a fluid of the alcohol family, acetone, ammonia or a type of refrigerant. FREON * ".
  • the fluid can be chosen from fluids having a vapor pressure of about 1 bar, between 50 and 150 ° C, without this being limiting.
  • a control device (208) controls the supply of the positive displacement pump (20, 100).
  • the control device (208) can furthermore control the pressure regulator (206).
  • the pump (20, 100) can thus be controlled to increase its speed of rotation when a need requires a flow rate provided by the higher displacement pump (20, 100), or the stoppage of the pump when the system to be cooled is himself arrested.
  • the control device (208) can be connected to the various members of the mechanical pumped two-phase fluid loop (200), such as the evaporator (202) or the condenser (204).
  • the control device (208) can also be connected to an external system for communicating information related to said mechanical pumped two-phase fluid loop (200).
  • FIG. 5 shows an example of a very low-flow, continuous and constant-flow sealed bellows pump having a structure that is particularly adapted to force the supply of the liquid into the two-phase pump-pumped loop and to inject said liquid directly into the dynamic evaporator (202) so as to have a strictly continuous and effective liquid injection and effective evaporation.
  • the pump (20) includes a plurality of pump bellows (22), for example three or more.
  • the pump bellows (22) have a substantially cylindrical shape. Pumping bellows (22) are adapted to deform axially along their respective axis Ai to suck and pump back the fluid to be pumped.
  • the axes Ai of the pump bellows (22) are preferably parallel to ensure the compactness of the pump (20).
  • the pumping bellows (22) are here made by welding together metal rings, here made by stamping in metal sheets.
  • the pump (20) also comprises a plurality of pushers (26). The pushers (26) are adapted to move along respective push axes to each control the pumping movement of a pump bellows (22).
  • each pusher (26) cooperates with a pumping bellows (22).
  • each pusher (26) has an end (28) integral with the pumping bellows (22) corresponding, such that the oscillatory movement (or reciprocating) of the pusher (26) along its axis Ai causes a deforming the corresponding pump bellows (22), alternately compression and expansion.
  • each pusher (26) is received in a housing formed in a housing (30) of the pump (20).
  • the pushers (26) are received in the housing (30) at their end (32), opposite the end (28) integral with the pump bellows (22). This guidance of the pushers is necessary to ensure that the bellows that are not self-guiding.
  • the oscillatory movement of each pusher (26) along its respective axis A ⁇ is controlled by an axial cam (34) driven in rotation about its cam axis A 2 .
  • the cam axis A ? is parallel to the axes A] pumping bellows (22) and pushers (26) for a better compactness of the pump.
  • the axial cam (34) is here driven in rotation by the output shaft (36) of a motor (38).
  • the pump bellows (22) are preferably uniformly angularly around the cam axis 2> in order to smooth the flow rate supplied by the pump as a function of time. For smoothing, a larger number of pumping bellows may also be considered.
  • the axial cam (34) comprises a plate (40), substantially flat, driven in rotation about the cam axis A 2 .
  • the plate is inclined with respect to the cam axis A 2 .
  • the plate (40) is rotatably mounted on the output shaft (36) of the motor (38). The plate then extends, in the plane of Figure 5, inclined with respect to Tax A 2 .
  • inclined is meant here that the plate is not included in a plane normal to the cam axis A 2 .
  • the plate (40) can be disassociated or integral with an output shaft (36) of the motor (38) driving the pump.
  • the axial cam (34) also comprises a pusher ring constituting a movable element (42) disposed around the plate (40). With reference to FIG. 5, said movable element (42) is thus formed by a ring.
  • the movable element (42) is rotatably mounted around the plate (40). To do this, a plurality of balls (44) is disposed between said movable member (42) and the plate 40,
  • said movable member (42) is a pusher ring disposed around the plate (40) and integral with each of the pushers (26).
  • the pushers (26) are subject to the movable ring, sliding in the radial direction.
  • the pushers (26) are associated with the movable ring with a ball joint,
  • the axial cam (34) finally comprises at least one abutment means (46) preventing rotation of the movable element (42) around the axial cam axis A 2 .
  • said stop means is formed of a pin fixed on the movable member (42) which abuts on a guide itself attached to the housing (30) of the pump (20).
  • the output shaft (36) of the motor (38) rotates the plate (40).
  • Rotation of the platen (40) causes an oscillating movement of the pusher ring (42), without rotation about the axial cam axis A 2 .
  • the oscillating movement of the pusher ring causes the oscillating movement of the different pushers (26) which thus controls the pumping of the pumping bellows
  • connection between the push ring and the pushers must be rotatable and slippery.
  • pumping bellows (22) delimit with the pump housing (30) pumping chambers.
  • the pumping chambers are defined inside the pumping bellows (22).
  • metal pumping bellows (22) makes it possible to seal the walls of the pumping bellows (22).
  • the pump bellows (22) can thus be welded to the housing (30) to ensure complete sealing of the pump chambers.
  • the welds between the housing (30) and the pumping chambers possible to obtain a leakage flux of less than 10 "7 Pa.m 3 .s helium.
  • the flux leakage helium through the gap between the housing (30) and the pumping chamber is less than 10 "7 Pa.nr. s "1, preferably 10 '10 Pa.nr .s".
  • An "ultrahigh" type sealing quality can be obtained.
  • the pumping chambers are supplied with liquid via a supply conduit (48) formed in the pump housing (30).
  • the pumping chambers are selectively brought into communication with the liquid by the supply conduit (48) by means of respective valves (50).
  • a discharge pipe (52) is also formed in the housing (30).
  • the delivery chambers are selectively brought into fluid communication with the discharge conduit (52) via a respective valve (54) and a flow rate damping device (56) schematically illustrated in the figure.
  • a damping device may in particular be formed of a bellows and a spring ensuring a resiliently biased assembly of the bellows in a defined space.
  • the pump (20) comprises at least three pumping bellows (22)), thus limiting the variations in the fluid flow rate at the outlet of the pump.
  • the pump (20) because of the specific configuration of the pump (20), in which the pump bellows are angularly distributed uniformly about the axis of the axial cam, the pump (20) has a good compactness respecting the requirement of miniaturization required for the integration of such a two-phase fluid loop, in particular with respect to the pumps having pumping bellows arranged in line next to one another or radially in a star.
  • This structure of the pump (20) makes it possible to respond to the specific need of the two-phase mechanical pumping loop which is: the efficiency of the two-phase loop with mechanical pumping.
  • the pump (20) as designed is very tight and has a very low flow rate of the order of 0.5 liters per minute, or even less. This flow rate is kept constant thanks to the regular reciprocating movement of the pushers (26). Thus, it is possible to force the supply of liquid to the dynamic evaporator (202).
  • the volumetric pump (20) designed meets exactly thehermodynamic criteria necessary to achieve a two-phase loop with efficient mechanical pumping, which are: sealing, a constant flow and continuous, a very low flow rate of the order of 0.5 liters per minute and good miniaturization.
  • the pump (100) of FIG. 6 differs from the pump (20) of FIG. 5, essentially in the number and structure of the pump chambers.
  • the volumetric pump casing (30) forms cavities (102) in which the pump bellows (22) are arranged.
  • Each pumping chamber is then delimited by the walls of the cavity (102) in which it is formed and the pumping bellows (22) therein.
  • the pumping chambers in this case correspond to the volume (104) of the cavity (102) located outside the pumping bellows (22).
  • each of the pushers (26) is guided in translation between its end (28) for controlling the pump bellows (22) and its opposite end (32). More specifically, the guide of the pushers (26) by the pump housing (30) is formed between the control end (28) and the point of the pusher where it is fixed to the movable member (42) of the axial cam (34).
  • the arrangement of the pumping chambers in the cavities (102) and the guide of the pushers (26) allows the pump (100) to be more compact.
  • the pump (100), the fluid output flow rate damping device (56) can be arranged in the pump housing (30), at the center of the cavities 102 formed in the pump housing (30). . This improves the compactness of the pump (100).
  • the pump (100) comprises five pumping bellows (22) equidistributed angularly about the axis of cam A2, for better compactness.
  • an odd number of pump bellows (22) further reduces the flow and pressure oscillations of the fluid at the pump outlet.
  • An odd number of pump bellows (22) also allows the vibration of the pump (100) to be reduced,
  • the invention presented makes it possible to solve the aforementioned problem by proposing a mechanical pumped two-phase fluid loop (200) comprising a dynamic evaporator (202), a condenser (204), an expansion vessel (206) making it possible to regulate the pressure in said loop, a volumetric pump (20, 100) sealed to very low, continuous, constant rate, said displacement pump (20, 100) having a structure adapted to force the fluid supply into said fluid loop diphasic and for directly injecting said fluid in said dynamic evaporator (202) so as to have a strictly continuous and efficient fluid injection and effective evaporation.
  • the positive displacement pump (20, 100) comprises at least three bellows (22) distributed about an axis called the bellows axis, at least three pushers (26) adapted to move along respective push axes. parallel to. bellows axes for controlling, each, the reciprocating movement of a pumping bellows (22), the pushing elements (26) being guided in translation in the positive displacement pump casing, a motor (38) for driving an axial cam (34) whose axis of rotation is parallel to the axis of the bellows.
  • the axial cam (34) of said positive displacement pump (20,100) being able to be rotated to control the oscillations of the pushers (26) according to their respective push axes
  • said axial cam comprising; at least one plate (40) adapted to be rotated about a cam axis (A 2 ), said plate (40) being inclined with respect to the axis of said axial cam (A 2 ), - a ring pusher (42) being arranged around the plate (40), said pusher ring (42) being integral with each of the pushers (26) and free to rotate around the plate (40), and at least one stop means (46) ) preventing rotation of the pusher ring (42) about the axial cam axis (A 2 ).
  • the pushrod axes of the positive displacement pump are parallel to the cam axis and to the bellows axes, and the pump bellows are uniformly angularly around the cam axis.
  • the pump bellows (22) of the positive displacement pump (20, 100) are welded cups of metal and are welded to the pump casing (30, 100) to define pumping chambers and to ensure the sealing of the chamber.
  • each of the pushers (26) are guided in translation in the pump housing (30) at its end opposite its end (28) controlling the pumping by the corresponding pump bellows (22) and that the pumping chambers being formed by the internal or external volume of the bellows of pump (22), the housing (30) forms cavities (102) in which the pump bellows (22) are arranged, the pump chambers are delimited by pump bellows (22) and the walls of the cavities (102). ,
  • the mechanical pumped two-phase fluid loop further comprises a device for damping the variations in the output flow rate of a fluid, disposed downstream of the pump bellows, preferably in the pump casing (30) or more precisely in the center of the plurality of cavities (102) formed in the pump housing.
  • the two-phase fluid pumped mechanical loop according to the invention comprises injection points of the liquid distributed in the evaporator so as to distribute the flow of liquid injected by the pump, so that the liquid titre of the two-phase fluid in the evaporator is as constant as possible.
  • the fluid contained in said mechanical pumped two-phase fluid loop is a chemical single-component fluid or a mixture comprising an evaporable part and an antifreeze part, evaporable or not.
  • the mechanical pump two-phase fluid loop further comprises a lubricating fluid for improving the life of the positive displacement pump (20, 100).
  • the two-phase mechanical pumping loop according to the invention is therefore of capital importance because it constitutes a very efficient heat transfer method.
  • the loop also has the advantage of evacuating the power necessary to ensure the proper functioning of electronic equipment. It also has the advantage of having a small footprint and reduced weight, simplicity of implementation, a supply of forced liquid to ⁇ evaporator very effective. It can thus be seen that it is possible to manufacture such a two-phase fluid loop with mechanical pumping.
  • the two-phase mechanical pumping loop according to the invention is not limited to the embodiments described and shown, but the skilled person will be able to make any variation consistent with his mind.

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Abstract

La présente invention concerne une boucle fluide diphasique à pompage mécanique nécessitant d'avoir une injection de fluide très continue. Boucle fluide diphasique (200) à pompage mécanique selon l'invention comprenant un évaporateur dynamique (202), un condenseur (204), un vase d'expansion (206) permettant de réguler la pression dans ladite boucle, une pompe volumétrique (20, 100) étanche à débit très faible, continu et constant, ladite pompe volumétrique (20, 100) étant conçue avec une structure adaptée pour forcer l'alimentation du liquide dans l 'évaporateur dynamique de ladite boucle fluide diphasique et pour injecter directement ledit liquide dans ledit évaporateur dynamique (202) de façon à avoir une injection de liquide strictement continue et à débit constant et une évaporation efficace. La pompe volumétrique selon l'invention est particulièrement destinée pour refroidir de l'électronique de puissance, notamment de l'électronique intégrée.

Description

BOUCLE FLUIDE DIPHASIQUE A POMPAGE MECANIQUE
La présente invention concerne une boucle fluide diphasique à pompage mécanique nécessitant d'avoir une injection de fluide très régulier en débit.
Elle concerne plus particulièrement une boucle diphasique à pompage mécanique comprenant une pompe volumétrique, notamment une pompe volumétrique à soufflet ayant une structure adaptée pour forcer l'alimentation du fluide dans l'évaporateur de la boucle diphasique. Elle concerne également une boucle diphasique à rendement élevé. Elle concerne aussi l'utilisation d'une pompe volumétrique étanche à débit très faible, continu et constant dans une boucle diphasique.
Elle concerne éventuellement une pompe à soufflet spécifique aux boucles diphasiques à pompage mécanique, L'invention permet de forcer l'alimentation du fluide dans ladite boucle fluide diphasique et d'injecter directement ledit fluide dans ledit évaporateur dynamique de façon à ce que le débit de fluide soit le plus indépendant possible de la température de l'évaporateur et de façon à avoir une injection de fluide strictement continue et régulière et une évaporation stable.
La présente invention se situe dans le domaine des boucles fluides diphasiques qui servent à refroidir de l'électronique de puissance, notamment de l'électronique intégrée.
Une boucle fluide diphasique est un circuit de transfert thermiquc.généralement en boucle fermée, dans laquelle un fluide, initialement à l'état liquide, est évaporé pour capter la chaleur d'une source chaude, puis est transféré dans un condenseur où le fluide à l'état vapeur est condensé pour restituer la chaleur à une source froide. Une telle boucle fluide diphasique présente un rendement de refroidissement élevé.
Une boucle fluide diphasique à pompage mécanique est composée d'un ou plusieurs évaporateurs et d'une ou plusieurs zones de condensation et d'une pompe qui permet la circulation du fluide à l'état liquide. On trouve le fluide en deux phases de la zone d'évaporation et jusqu'à la zone de condensation. La chaleur latente de vaporisation et de condensation fait de la boucle diphasique une méthode de transfert thermique très efficace. Cependant, pour un bon fonctionnement du condenseur de la boucle fluide diphasique, aucun gaz autre que la vapeur obtenue par l'évaporation du fluide présent à l'état liquide ne doit être présent dans la boucle fluide diphasique. Le fonctionnement de la boucle fluide diphasique peut autrement en être altéré, voire être très rapidement bloqué. De plus, aucune fuite du fluide à l'état vapeur ou à l'état liquide ne doit se produire. Ceci est d'autant plus vrai quand le fluide mis en œuvre est toxique, ce qui peut être le cas pour certaines applications où l'on recherche un fluide compatible avec des températures très basses.
Un des problèmes techniques qui se pose dans la réalisation des boucles fluides diphasiques est qu'une boucle diphasique dont l'alimentation en liquide n'est pas forcée de façon régulière dans un évaporateur est moins efficace.
Un autre problème technique qui se pose dans la réalisation des boucles fluides diphasiques est qu'elles doivent présenter une parfaite étanchéité, ceci pour empêcher toute intrusion de gaz incondensable. Une telle étanchéité peut, par exemple, être du type « ultravide ». Une étanchéité de type « ultravide » peut être définie par un flux de fuite inférieure à 10"7 Pa.m'.s ' . De ce fait, forcer l'alimentation du liquide avec une pompe tanche semble être une solution nécessaire pour la réalisation d'une boucle fluide efficace. Ainsi, la pompe doit avoir une structure et des caractéristiques très particulières en matière d' étanchéité et de débit.
Un autre problème technique résulte de l'intégration de la boucle fluide dans l'application, En effet l'architecture de l'application ne doit pas être totalement bouleversée par l'intégration de la boucle fluide diphasique, ce qui nécessite que tous les composants soient miniaturisés.
Il est connu de mettre en œuvre, dans une boucle fluide diphasique, une pompe de type centrifuge qui permet de générer un certain niveau de pression à l'entrée de F évaporateur. Malheureusement une pompe centrifuge n'est pas bien appropriée. En effet, les variations de dissipation de puissance thermique modifient la pression et le titre de vapeur dans Γ évaporateur et mènent ainsi à des fluctuations de débit dans la boucle. Il en résulte une instabilité de fonctionnement préjudiciable au transfert thermique.
Il est connu de placer, dans une boucle fluide diphasique comportant une pompe centrifuge, des rétrécissements à l'entrée de ! 'évaporateur et aux différents endroits de la boucle fluide diphasique pour atténuer les variations de perte de charge en fonction du régime de fonctionnement. Malheureusement ces rétrécissements provoquent des pertes de charge bien plus importantes que celles résultant de l'écoulement dans les tubulures de la boucle. Elles génèrent la part le plus importante des pertes de pression dans la boucle, donc un manque d'efficacité de la pompe.
D'autres types de pompes connues, pourraient être mises en œuvre pour réaliser une boucle fluide à pompage mécanique. Il existe notamment des pompes à soufflets, Les soufflets y sont habituellement associés par deux, en opposition géométrique. Ainsi, un mouvement alternatif, initié par un vérin ou une came, par exemple, permet un pompage en alternance et en opposition de phase des deux soufflets.
La figure 1 illustre la courbe 10 de variation d'un débit de fluide fourni par une pompe à soufflet unique. Comme on peut le voir, le débit de fluide fourni est nul durant la phase d'aspiration du fluide, entre deux phases de refoulement, par le soufflet- En outre, durant la phase de refoulement, le débit varie de manière importante entre zéro et une valeur maximale du débit.
La figure 2 illustre, en comparaison avec la courbe 10, l'intérêt d'une pompe à deux soufflets par rapport à une pompe à soufflet unique. La courbe 12 qui y est dessinée indique en effet que dans ce cas, il y a toujours une phase de refoulement d'un soufflet pendant la phase d'aspiration de l'autre. Ceci permet d'éviter que le débit soit nul durant une demi-période de la pompe. La courbe 12 montre cependant toujours une forte variation du débit fourni sur chaque demi-période.
Or, ces variations de débit sont préjudiciables à l'efficacité d'une boucle fluide diphasique de transfert thermique. Dans une telle boucle fluide diphasique, le débit de fluide doit être le plus constant possible pour éviter des à-coups d'évaporation pouvant entraîner des chocs mécaniques.
La courbe 12 montre un manque de débit séparant deux phases consécutives de refoulement des soufflets, lors de laquelle le débit est faible ou nul. Il se produit ainsi une forte diminution de la pression d'évaporation produite durant ce temps de manque de débit. Ce temps est donc propice à l'apparition des phénomènes dits de cavitation ou de « coups de bélier ». Des risques de vibration et de dégradation de la pompe peuvent apparaître.
En outre, les soufflets étant disposés l'un en face de l'autre, ils engendrent un encombrement conséquent de la pompe.
De plus, les pompes à soufflets présentent généralement une étanchéité peu satisfaisante du fait des matériaux déformables utilisés, par exemple des matières organiques. Par ailleurs, on connaît également les pompes à pistons. Les pistons y sont disposés axialement ou radialement autour d'un axe. Une came ou des bielles reliées à chaque piston permet de commander un mouvement alternatif de translation permettant à chaque piston de se déplacer, et ainsi, de faire varier le volume d'une chambre de pompage dont le piston définit une paroi.
Cependant, l'utilisation de pistons coulissant dans les chambres de pompage pour faire varier le volume des cliambres de pompage ne permet pas d'obtenir une étanchéité satisfaisante de type ultravide du fait du glissement d'un joint. La pompe à piston n'est donc pas adaptée aux exigences d' étanchéité d'une boucle fluide diphasique. En outre, les pompes à piston sont conçues pour de forts débits impliquant des vitesses de rotation élevées, donc des débits trop élevés pour une boucle fluide diphasique à pompage mécanique. Enfin, l'utilisation d'une disposition axiale des pistons autour d'un axe engendre un encombrement notable,
La figure 3 illustre, en comparaison avec les courbes 10 et 12, l'intérêt d'une pompe à trois souffletsou plus, par rapport à une pompe à soufflet unique ou à double soufflets opposés, La courbe 14 montre tout d'abord que le débit fourni par la pompe comprenant plus de deux soufflets n'est jamais nul. Par ailleurs, la variation du débit fourni par la pompe à soufflet est lissée.Donc, les risques de cavitation sont également diminués.
Il existe donc un besoin pour une pompe améliorée.
De la publication FR 2 903 456 est connue une pompe transfert à piston dans laquelle l'élément mobile de pompage est un soufflet alternativement rempli et vidé de liquide hydraulique mis en haute pression par un piston animé par une came. Ladite pompe comporte en outre au moins deux ensembles de pompage piston soufflet qui sont alimentés par un circuit d'admission unique commun aux ensembles sur lequel est placée une électrovanne de contrôle de débit et qui ont un circuit de refoulement qui peut être unique et commun, ou propre à chaque unité de pompage. Malheureusement, la pression maximale possible est trop limitée par la raideur des soufflets et la disposition transversale avec came de Pactionneur ne permet pas la miniaturisation. Elle ne peut donc être utilisée pour réaliser une boucle fluide diphasique à pompage mécanique intégré dans système électronique fortement dissipatif.
Des publications US 5 165 866 et US 2 553 247 sont connues une pompe à soufflet vertical comprenant un mécanisme de conversion de mouvement comprenant un élément de came excentrique et un élément à mouvement alternatif provoquant rallongement et la contraction du soufflet dans la direction verticale. L'élément de cames excentriques est supporté par un arbre de broche et s'étend le long d'un axe horizontal de l'arbre moteur. Malheureusement la disposition en ligne des soufflets, commandés par un axe transversal supportant des cames, ne permet pas la miniaturisation. Elle ne peut donc être utilisée pour réaliser une boucle fluide diphasique à pompage mécanique intégré dans système électronique fortement dissipatif.
Egalement, plusieurs travaux de recherche et développement sur les boucles diphasiqu.es sont orientés vers des boucles fluides diphasiques gravitaires ou des boucles fluides diphasîques à pompage capillaire. Dans ce dernier cas, la circulation du liquide est assurée par un dispositif capillaire sans l'intervention d'une pompe mécanique. Un des problèmes techniques qui se pose lors de l'utilisation d'un tel dispositif est que l'évaporation du fluide est passive, donc limité, ce qui interdit des flux thermiques importants et des densités de puissance élevées. En outre, le liquide ne peut être capté par le dispositif capillaire qu'en l'absence d'accélération. Ceci n'est donc compatible qu'avec des activités spatiales, et a fortiori incompatible avec un véhicule accéléré. La présente invention vise donc à remédier à ces inconvénients. Plus particulièrement, elle vise à réaliser une boucle diphasique efficace dont l'alimentation en liquide est forcée par une pompe présentant une spécificité adaptée uniquement à ladite boucle diphasique à pompage mécanique, notamment en matière d'étanchéité et de débit très faible, constant et continu, dans un evaporateur dynamique.
Dans la description qui suit, les termes ci-après auront la définition suivante :
Evaporateur dynamique : évaporateur dans lequel les changements d'état et les échanges d'énergie sont activités par la vitesse de projection du mélange diphasique. Par exemple la projection à grande vitesse du mélange diphasique sur une surface incurvée provoque une séparation des phases du fait de leur différence d'inertie et permet d'obtenir le contact du liquide avec la surface chaude, sans que l'évaporation s'y oppose.
Etanchéité : l'étanchéité décrit les moyens mis en œuvre pour s'assurer qu'il n'y a aucun échange de matière liquide ou gazeuse entre l'intérieur et l'extérieur de la boucle fluide diphasique.
L'étanchéité peut être quantifiée en testant le flux de fuite d'un gaz, appelé traceur, entre l'extérieur et l'intérieur de l'organe testé. Pour identifier une étanchéité de type « ultravide », un traceur pertinent est, par exemple, l'hélium. En effet, l'hélium est l'élément chimique dont la molécule est la plus petite, présent sous la forme d'un gaz monoatomique. Une étanchéité de type « ultravide », peut être définie par un flux de fuite à l'hélium inférieur à 1 G"7 Pa.m\s"! et au-delà.
Débit très faible : une très faible quantité de liquide traversant une section droite de l'écoulement par unité de temps. Dans le cas de boucle diphasique, on considère que le débit est faible lorsqu'il est inférieur à dix litres par minute et très faible, lorsqu'il est inférieur à quelques litres par minute.
Débit continue : quantité de liquide traversant une section droite de l'écoulement par unité de temps, sans aucune interruption.
Débit constant : quantité de liquide traversant une section droite de l'écoulement par unité de temps qui demeure toujours ou longtemps en même état et en même quantité.
L'invention a pour objet une boucle fluide diphasique à pompage mécanique comprenant un évaporateur dynamique, un condenseur, un vase d'expansion permettant de réguler la pression dans ladite boucle, une pompe volumétrique étanche à débit très faible, continu et constant, ladite pom e volumétrique étant conçue avec une structure adaptée pour forcer l'alimentation enliquide dans ledit évaporateur dynamique de la boucle diphasique, et pour injecter directement ledit liquide dans ledit évaporateur dynamique de façon à avoir une injection de liquide strictement continue et à débit constant, permettant une évaporation efficace.
Avantageusement la pompe volumétrique comprend : au moins trois soufflets équirépartis autour d'un axe appelé l'axe des soufflets, au moins trois poussoirs adaptés à se déplacer selon des axes de poussoirs respectifs parallèles aux axes des soufflets pour commander, chacun, le mouvement alternatif d'un soufflet de pompage, lesdits poussoirs étant guidés en translation dans le carter de pompe volumétrique, un moteur pour entraîner une came axiale, dont l'axe de rotation est parallèle à l'axe des soufflets.
Avantageusement la came axiale de ladite pompe volumétrique étant entraînée en rotation pour commander les oscillations des poussoirs selon leurs axes de poussoirs respectifs, ladite came axiale comprenant : au moins une platine adaptée à être entraînée en rotation autour d'un axe de came axiale, ladite platine est inclinée par rapport à l'axe de ladite came axiale, une bague poussoir étant disposée autour de la platine, ladite bague poussoir est solidaire de chacun des poussoirs et libre en rotation autour de la platine, et - un moyen de butée empêchant la rotation de la bague poussoir autour de l'axe de came axiale.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention les axes de poussoirs de la pompe volumétrique sont parallèles à l'axe de came axiale et aux axes des soufflets, et les soufflets de pompage sont équirépartis angulairement autour de l'axe de came axiale. L'invention permet de répondre aux spécifications nouvelles dans le domaine de boucle diphasique, notamment en matière de fort niveau de dissipation thermique, qui semble une nouvelle solution technologique pour assurer le contrôle thermique des équipements électroniques de puissance, notamment des avions plus électriques du futur.
L'invention permet également de réaliser une boucle diphasique à pompage mécanique dont l'alimentation en liquide est forcée avec une pompe à soufflet conçue avec une structure particulière, adaptée pour avoir les caractéristiques très particulières d'étanchéité, de débit très faible, constant et continu et de miniaturisation.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
Les figures 1, 2 et 3 représentent des courbes indiquant l'évolution du débit de sortie de différents types de pompes, en fonction du temps. La figure 4 représente sehématiquement une boucle diphasique à pompage mécanique,
Les figures 5 et 6 représentent sehématiquement des exemples de pompe à soufflet utilisé dans la boucle fluide diphasique à pompage mécanique,
Dans la suite de la description, les éléments identiques ou de fonction identique portent le même signe de référence et ne sont décrits qu'en regard de la figure 4 à des fins de concision et de clarté de la présente description.
Les figures 1, 2 et 3 ont été décrites précédemment.
Tel que représenté sur la figure 4, une boucle fluide diphasique (200) à pompage mécanique comprend un évaporateur dynamique (202), un condenseur (204), un vase d'expansion régulé (206) qui permet de piloter la pression dans ladite boucle, une pompe voïumétrique (20, 100) et anche à débit très faible, continu et constant, Ladite pompe voïumétrique (20, 100) a une structure adaptée pour forcer l'alimentation du fluide dans l'évaporateur dynamique de la boucle diphasique, et pour injecter directement ledit liquide dans ledit évaporateur dynamique (202) de façon à avoir une injection de liquide strictement continue et à débit constant et une évaporation efficace, La pompe (20, 100) injecte un liquide dans l'évaporateur dynamique (202). L'évaporateur dynamique (202), disposé en aval de la pompe (20, 100), permet la transformation du liquide en vapeur au contact d'une source chaude à refroidir tout en accélérant la circulation le mélange diphasique, du fait de l'expansion gazeuse résultant de Γ évaporât ion. La pompe mécanique à soufflet conçue avec une structure particulière permet de forcer F alimentation du liquide dans ledit évaporateur de la boucle, indépendamment des variations de pression, La source chaude peut par exemple être un élément électronique à refroidir. La transformation du liquide en vapeur permet de capter la grande quantité de chaleur produite par l'élément électronique.
Par ailleurs, la transformation du liquide en vapeur augmente la pression à l'intérieur de l'évaporateur dynamique (202). En effet, la vapeur occupe un volume grandement supérieur au liquide. La vapeur est ainsi projetée hors de l'évaporateur dynamique (202) vers le condenseur où la pression est faible, du fait de la faible température. La pompe ne doit ainsi fournir que l'énergie nécessaire à l 'injection strictement continue et régulière d'une quantité bien calibrée de liquide dans l'évaporateur (202). Une faible vitesse de rotation de la pompe est donc suffisante. La durée de vie de la pompe est d'autant plus longue. Le mélange diphasique circulant dans la boucle fluide diphasique à pompage mécanique
(200) permet d'évacuer cette chaleur depuis l'évaporateur dynamique (202) jusqu'au condenseur (204). Le condenseur (204) présente une température suffisamment basse pour que la vapeur arrivant dans ce condenseur (204) soit condensée en liquide. Cette transformation de la vapeur en liquide permet de transmettre une grande quantité de chaleur à une source froide.et de manière très 0
8 efficace. La baisse de pression qui en résulte participe au mouvement très rapide du mélange diphasique entre l'évaporateur et le condenseur.
La boucle fluide diphasique à pompage mécanique (200) comporte de préférence un régulateur de pression (206) pour stabiliser la température de fonctionnement de ladite boucle (200). Ainsi, la température dans la boucle fluide diphasique (200) peut être régulée par la stabilisation de la pression dans le régulateur. Le régulateur de pression (206) a également une fonction de vase d'expansion pour compenser les variations de volume du fluide diphasique dans la boucle fluide diphasique (200). En particulier, le régulateur de pression (206) peut être commandé mécaniquement. Dans ce cas, le régulateur de pression (206) peut comporter un soufflet actionné par un ressort. Ce moyen permet également qu'il n'y ait pas de volume vide dans le circuit quand la boucle n'est pas activée par un flux de chaleur.
Le fluide diphasique circulant dans la boucle fluide diphasique à pompage mécanique (200) est choisi parmi les fluides facilement évaporables tels que l'eau, un fluide de la famille des alcools, l'acétone, l'ammoniac ou un fluide frigorigène de type « FREON* ». En d'autres termes, le fluide peut être choisi parmi les fluides présentant une pression de vapeur d'environ 1 bar, entre 50 et 150°C, sans que cela soit limitatif.
Un dispositif de pilotage (208) permet de contrôler l'alimentation de la pompe volumétrique (20, 100). Le dispositif de pilotage (208) peut par ailleurs contrôler le régulateur de pression (206). La pompe (20, 100) peut ainsi être contrôlée pour augmenter sa vitesse de rotation lors d'un besoin nécessitant un débit fourni par la pompe volumétrique (20, 100) plus important, ou l'arrêt de la pompe quand le système à refroidir est lui-même arrêté. De plus, le dispositif de pilotage (208) peut être relié aux différents organes de la boucle fluide diphasique à pompage mécanique (200), tels que l'évaporateur (202) ou le condenseur (204). Par ailleurs, le dispositif de pilotage (208) peut également être relié à un système externe pour communiquer des informations liées à ladite boucle fluide diphasique à pompage mécanique (200).
Une telle boucle fluide diphasique à pompage mécanique (200) permet de dissiper une grande quantité de chaleur d'une source chaude à refroidir, avec un débit très faible de fluide dans ladite boucle. Une telle boucle fluide diphasique à pompage mécanique peut ainsi être miniaturisée pour présenter des dimensions limitées assurant une incorporation dans des espaces restreints. La figure 5 montre un exemple de pompe à soufflet étanche à débit très faible, continue et constant, ayant une structure particulièrement adaptée pour forcer l'alimentation du liquide dans la boucle diphasique à pompage mécanique et pour injecter directement ledit liquide dans l'évaporateur dynamique (202) de façon à avoir une injection de liquide strictement continue et efficace et une évaporation efficace. La pompe (20) comprend une pluralité de soufflets de pompage (22), par exemple trois ou plus. Les soufflets de pompage (22) ont une forme sensiblement cylindrique. Les soufflets de pompage (22) sont adaptés à se déformer axialcment selon leur axe Ai respectif pour aspirer puis refouler le fluide à pomper. Les axes Ai des soufflets de pompage (22) sont de préférence parallèles pour assurer la compacité de la pompe (20). Les soufflets de pompage (22) sont ici réalisés en soudant ensemble des anneaux métalliques, ici réalisés par estampage dans des feuilles métalliques. Pour assurer la déformation axiale des soufflets de pompage (22). la pompe (20) comprend également une pluralité de poussoirs (26). Les poussoirs (26) sont adaptés à se déplacer selon des axes de poussoirs respectifs pour commander chacun le mouvement de pompage d'un soufflet de pompage (22). Ici les axes des poussoirs sont confondus avec l'axe Ai du soufflet de pompage auquel ils sont respectivement associés. Plus précisément, chaque poussoir (26) coopère avec un soufflet de pompage (22). En d'autres termes, chaque poussoir (26) comporte une extrémité (28) solidaire du soufflet de pompage (22) correspondant, tel que le mouvement oscillatoire (ou de va et vient) du poussoir (26) selon son axe Ai provoque une déformation du soufflet de pompage (22) correspondant, alternativement une compression et une dilatation. Pour assurer le guidage rectiligne des poussoirs (26), chaque poussoir (26) est reçu dans un logement formé dans un carter (30) de la pompe (20). Ici, les poussoirs (26) sont reçus dans le carter (30) au niveau de leur extrémité (32), opposée à l'extrémité (28) solidaire du soufflet de pompage (22). Ce guidage des poussoirs est nécessaire pour assurer celui des soufflets qui ne sont pas autoguidants. l e mouvement oscillatoire de chaque poussoir (26) le long de son axe A{ respectif est commandé par une came axiale (34), entraînée en rotation autour de son axe de came A2. Ici, l'axe de came A? est parallèle au axes A] des soufflets de pompage (22) et des poussoirs (26) pour une meilleure compacité de la pompe. La came axiale (34) est ici entraînée en rotation par l'arbre de sortie (36) d'un moteur (38). Les soufflets de pompage (22) sont de préférence équirépartis angulairement autour de l'axe de came 2> afin de lisser le débit fourni par la pompe en fonction du temps. Pour assurer le lissage, un plus grand nombre de soufflets de pompage peut également être envisagé. En l'espèce, la came axiale (34) comporte une platine (40), sensiblement plane, entraînée en rotation autour de l'axe de came A2. La platine est inclinée par rapport à l'axe de came A2. Ici, la platine (40) est montée solidaire en rotation sur l'arbre de sortie (36) du moteur (38). La platine s'étend alors, dans le plan de la figure 5, de manière inclinée par rapport à Taxe A2.
Par inclinée, on entend ici que la platine n'est pas incluse dans un plan normal à l'axe de came A2. La platine (40) peut être dissociée ou monobloc avec un arbre de sortie (36) du moteur (38) entraînant la pompe.
La came axiale (34) comprend également une bague poussoir constituantun élément mobile (42) disposé autour de la platine (40). En référence à la figure 5, ledit élément mobile (42) est ainsi formé par un anneau. L'élément mobile (42) est monté libre en rotation autour de la platine (40). Pour ce faire, une pluralité de billes (44) est disposée entre ledit élément mobile (42) et la platine 40,
Avantageusement ledit élément mobile (42) est une bague poussoir disposée autour de la platine (40) et solidaire de chacun des poussoirs (26).
Par ailleurs, les poussoirs (26) sont assujettis à la bague mobile, de façon glissante dans la direction radiale. En particulier, les poussoirs (26) sont associés à la bague mobile avec une liaison rotule,
La came axiale (34) comprend enfin au moins un moyen de butée (46) empêchant la rotation de l'élément mobile (42) autour de l'axe de came axiale A2. Ici, ledit moyen de butée est formé d'un pion fixé sur l'élément mobile (42) qui vient en butée sur un guide lui-même fixé sur le carter (30) de la pompe (20).
Ainsi, l'arbre de sortie (36) du moteur (38) entraîne en rotation la platine (40). La rotation de la platine (40) provoque un mouvement oscillant de la bague poussoirs (42), sans rotation autour de l 'axe de came axiale A2. Le mouvement oscillant de la bague poussoir provoque le mouvement oscillant des différents poussoirs (26) qui commande ainsi le pompage des soufflets de pompage
(22). Pour que ces mouvements soient possibles, la liaison entre la bague poussoir et les poussoirs doit être rotulée et glissante.
Ces soufflets de pompage (22) délimitent avec le carter de pompe (30) des chambres de pompage. Ici, les chambres de pompage sont définies à l 'intérieur des soufflets de pompage (22). De plus, l'utilisation de soufflets de pompage (22) métalliques permet d'assurer l'étanchéité des parois des soufflets de pompage (22). Les soufflets de pompage (22) peuvent ainsi être soudés au carter (30) pour assurer l'étanchéité complète des chambres de pompage.
En particulier, les soudures entre le carter (30) et les chambres de pompage permettent d'obtenir un flux de fuite inférieur à 10"7 Pa.m3.s d'hélium. En d'autres termes, le flux de fuite de l'hélium à travers la soudure entre le carter (30) et les chambre de pompage est inférieur à 10"7 Pa.nr . s"1, de préférence 10'10 Pa.nr .s"'. Une qualité d'étanchcité de type « ultravide » peut être obtenue.
Les chambres de pompage sont alimentées en liquide via un conduit d'alimentation (48) formé dans le carter de pompe (30). Les chambres de pompage sont sélectivement mises en communication avec le liquide par le conduit d'alimentation (48) au moyen de clapets (50) respectifs.
Un conduit de refoulement (52) est également formé dans le carter (30). Les chambres de refoulement sont sélectivement mises en communication de liquide avec le conduit de refoulement (52) via un clapet (54) respectif et un dispositif d'amortissement des variations de débit (56) illustré schématiquement sur la figure. Un tel dispositif d'amortissement peut notamment être formé d'un soufflet et d'un ressort assurant un montage rappelé élastiquemenl du soufflet dans un espace délimité.
Du fait de la pluralité de soufflets de pompage (22) (notamment, la pompe (20) comprend au moins trois soufflets de pompage (22)), limitant ainsi les variations du débit de fluide en sortie de la pompe. En outre, du fait de la configuration spécifique de la pompe (20), selon laquelle les soufflets de pompage sont répartis angulairement de façon uniforme autour de l'axe de la came axiale, la pompe (20) présente une bonne compacité respectant l'exigence de miniaturisation requise pour l'intégration d'une telle boucle fluide diphasique, notamment par rapport aux pompes présentant des soufflets de pompage disposés en ligne les uns à coté ou radialement en étoile.
Cette structure de la pompe (20) permet de répondre au besoin spécifique de la boucle diphasique à pompage mécanique qui est : l'efficacité de la boucle diphasique à pompage mécanique. La pompe (20) telle que conçue, est très étanche et a un débit très faible de l'ordre de 0,5 litre par minute, voire même moins. Ce débit est maintenu constant grâce au mouvement alternatif régulier des poussoirs (26). Ainsi, il est possible de forcer l'alimentation en liquide à l'évaporateur dynamique (202). D'où l'efficacité de la boucle diphasique à pompage mécanique objet de la présente invention car la pompe volumétrique (20) conçue répond exactement aux critèresthermodynamiques nécessaires pour réaliser une boucle diphasique à pompage mécanique efficace, qui sont : Pétanchéité, un débit constant et continu, un débit très faible de l'ordre de 0,5 litre par minute et une bonne miniaturisation.
La pompe (100) de la figure 6 se distingue de la pompe (20) de la figure 5, essentiellement par le nombre et la structure des chambres de pompage.
Dans le cas de la pompe (100), en effet, le carter de pompe volumétrique (30) forme des cavités (102) dans lesquelles sont disposés les soufflets de pompage (22). Chaque chambre de pompage est alors délimitée par les parois de la cavité (102) dans laquelle elle est formée et le soufflet de pompage (22) qui s'y trouve. En d'autres termes, les chambres de pompages correspondent dans ce cas au volume (104) de la cavité (102) situé à l'extérieur du soufflet de pompage (22). Cette disposition des chambres de pompage permet de diminuer leur volume mort et, ainsi, d'optimiser la cylindrée de la pompe.
Dans ce cas, chacun des poussoirs (26) est guidé en translation entre son extrémité (28) de commande des soufflets de pompage (22) et son extrémité opposée (32). Plus précisément, le guidage des poussoirs (26) par le carter de pompe (30) est réalisé entre l'extrémité de commande (28) et le point du poussoir où il est fixé à l'élément mobile (42) de la came axiale (34).
La disposition des chambres de pompage dans les cavités (102) ainsi que le guidage des poussoirs (26) permet à la pompe (100) d'être plus compacte. Avantageusement, la pompe (100), le dispositif d'amortissement des variations de débit de sortie du fluide (56) peut être disposé dans le carter de pompe (30), au centre des cavités 102 formées dans le carter de pompe (30). Ceci permet d'améliorer la compacité de la pompe (100).
Ici, la pompe (100) comprend cinq soufflets de pompage (22), équirépartis angulairement autour de l'axe de came A2, pour une meilleure compacité. De plus, un nombre impair de soufflets de pompage (22) permet de réduire encore les oscillations de débit et de pression du fluide en sortie de pompe. Un nombre impair de soufflets de pompage (22) permet également la diminution des vibrations de la pompe (100),
L'invention présentée permet de résoudre le problème précédemment évoqué en proposant une boucle fluide diphasique (200) à pompage mécanique comprenant un évaporateur dynamique (202), un condenseur (204), un vase d'expansion (206) permettant de réguler la pression dans ladite boucle, une pompe volumétrique (20, 100) étanche à débit très faible, continu et constant, ladite pompe volumétrique (20, 100) ayant une structure adaptée pour forcer l 'alimentation du fluide dans ladite boucle fluide diphasique et pour injecter directement ledit fluide dans ledit évaporateur dynamique (202) de façon à avoir une injection de fluide strictement continue et efficace et une évaporation efficace.
Π est avantageux que ia pompe volumétrique (20, 100) comprenne au moins trois soufflets (22) équirépartis autour d'un axe appelé l'axe des soufflets, au moins trois poussoirs (26) adaptés à se déplacer selon des axes de poussoirs respectifs parallèles aux. axes des soufflets pour commander, chacun, le mouvement alternatif d'un soufflet de pompage (22), lesdîts poussoirs (26) étant guidés en translation dans le carter de pompe volumétrique, un moteur (38) pour entraîner une came axiale (34), dont l'axe de rotation est parallèle à l'axe des soufflets. Avantageusement la came axiale (34) de ladite pompe volumétrique (20,100) étant apte à être entraînée en rotation pour commander les oscillations des poussoirs (26) selon leurs axes de poussoirs respectifs, ladite came axiale comprenant ; au moins une platine (40) adaptée à être entraînée en rotation autour d'un axe de came (A2), ladite platine (40) étant inclinée par rapport à l'axe de ladite came axiale (A2), - une bague poussoir (42) étant disposée autour de la platine (40), ladite bague poussoir (42) étant solidaire de chacun des poussoirs (26) et libre en rotation autour de la platine (40), et au moins un moyen de butée (46) empêchant la rotation de la bague poussoir (42) autour de l'axe de came axiale (A2). Selon d'autres caractéristiques de l 'invention les axes de poussoirs de la pompe volumétrique étant parallèles à Taxe de came et aux axes des soufflets, et les soufflets de pompage étant équirépartis angulairement autour de l'axe de came.
11 est aussi avantageux que : les axes de poussoirs de la pompe volumétrique (20, 100) soient parallèles à l'axe de came
(A2) et à l'axe des soufflets, et les soufflets de pompage (22) soient équirépartis angulairement autour de l'axe de came axiale (A2). les soufflets de pompage (22) de la pompe volumétrique (20, 100) soient métalliques à coupelles soudées et soient soudés au carter (30) de pompe (20, 100) pour délimiter des chambres de pompage et pour assurer Pétanchéité de la chambre de façon à obtenir une étanchéité meilleure que 10~7 Pa.m3.s'' , de préférence une étanchéité de 10"8 Pa.nr'.s 1 et au- delà. chacun des poussoirs (26) soient guidés en translation dans le carter de pompe (30) au niveau de son extrémité opposée à son extrémité (28) commandant le pompage par le soufflet de pompage (22) correspondant et en ce que les chambres de pompage étant formées par le volume intérieur ou extérieur des soufflets de pompage (22). le carter (30) forme des cavités (102) dans lesquelles sont disposés les soufflets de pompage (22), les chambres de pompage soient délimitées par des soufflets de pompage (22) et les parois des cavités (102),
Il est également avantageux que la boucle fluide diphasique à pompage mécanique comprenne en outre un dispositif d'amortissement des variations de débit de sortie d'un fluide, disposé en aval des soufflets de pompage, de préférence dans le carter de pompe (30) ou plus précisément au centre de la pluralité des cavités (102) formées dans le carter de pompe.
Avantageusement, la boucle fluide diphasique à pompage mécanique selon Γ invention comprend, des points d'injection du liquide distribués dans l'évaporateur de façon à repartir le flux de liquide injecté par la pompe, de telle sorte que le titre liquide du fluide diphasique dans l'évaporateur soit le plus constant possible.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le fluide contenu dans ladite boucle fluide diphasique à pompage mécanique est un fluide monocomposant chimique ou un mélange comportant une partie évaporable et une partie antigel, évaporable ou non. P T/EP2014/053750
14
Selon d'autres caractéristiques de l'invention, la boucle fluide diphasique à pompage mécanique comprend en outre un fluide lubrifiant permettant d'améliorer la longévité de la pompe volumétrique (20, 100).
La boucle diphasique à pompage mécanique selon l'invention a donc une importance capitale car elle constitue une méthode de transfert thermique très efficace, La boucle présente en outre l'avantage d'évacuer la puissance nécessaire pour assurer le bon fonctionnement d'un équipement électronique, Elle présente en outre l'avantage d'avoir un faible encombrement et un poids réduit, une simplicité de mise en œuvre, une alimentation en liquide forcée à Γ évaporât eur très efficace. On voit donc qu'il est possible de réaliser de façon industrielle une telle boucle fluide diphasique à pompage mécanique.
La boucle diphasique à pompage mécanique selon l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais l'homme du métier saura y apporter toute variation conforme à son esprit.

Claims

REVENDICATIONS
1 ) Boucle fluide diphasiquc (200) à pompage mécanique comprenant un évaporatcur dynamique
(202), un condenseur (204), un vase d'expansion (206) permettant de réguler la pression dans ladite boucle, une pompe volumétrique (20, î 00) étanche à débit très faible, continu et constant, ladite pompe volumétrique (20, 100) étant conçue avec une structure adaptée pour forcer l'alimentât ion du liquide dans l 'évaporât eux dynamique de ladite boucle fluide diphasique et pour injecter directement ledit liquide dans ledit évaporateur dynamique (202) de façon à avoir une injection de liquide strictement continue et à débit constant et une évaporation efficace, ladite pompe volumétrique (20, 100) comprend :
au moins trois soufflets (22) équirépartis autour d'un axe appelé l'axe des soufflets, au moins trois poussoirs (26) adaptés à se déplacer selon des axes de poussoirs respectifs parallèles aux axes des soufflets pour commander, chacun, le mouvement alternatif d'un soufflet de pompage (22), lesdits poussoirs (26) étant guidés en translation dans le carter de pompe volumétrique,
un moteur (38) pour entraîner une came axiale (34), dont l'axe de rotation est parallèle à l'axe des soufflets. caractérisée en ce que la pompe volumétrique (20, 100) comprend en outre une came axiale (34) apte à être entraînée en rotation pour commander des oscillations des poussoirs (26) selon leur axe de poussoir respectif, ladite came axiale (34) comprend :
au moins une platine (40) adaptée à être entraînée en rotation autour d'un axe de came (A2), ladite platine (40) étant inclinée par rapport à l'axe de ladite came axiale (A2), une bague poussoir (42) étant disposée autour de la platine (40), ladite bague poussoir (42) étant solidaire de chacun des poussoirs (26) et libre en rotation autour de la platine (40), et au moins un moyen de butée (46) empêchant la rotation de la bague poussoir (42) autour de l'axe de came axiale (A2).
2) Boucle fluide diphasique à pompage mécanique selon la revendication 1 caractérisée en ce que les axes de poussoirs de la pompe volumétrique (20, 100) sont parallèles à l'axe de came axiale (A2) et à l'axe des soufflets, et les soufflets de pompage (22) sont équirépartis angulairement autour de l'axe de came (A2).
3) Boucle fluide diphasique à pompage mécanique selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que les soufflets de pompage (22) de la pompe volumétrique (20, 100) sont métalliques à coupelles soudées et sont soudés au carter (30) de pompe (20, 100) pour délimiter des chambres de pompage et pour assurer l'étanchéité de la chambre de façon à obtenir une étanchéité meilleure que 10"7 Pa.nr'.s"1, de préférence une étanchéité de 10"8 Pa.m3 s'1 et au-delà. 4) Boucle fluide diphasique à pompage mécanique selon Tune quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que, chacun des poussoirs (26) est guidé en translation dans le carter de pompe (30) au niveau de son extrémité opposée à son extrémité (28) commandant le pompage par le soufflet de pompage (22) correspondant et en ce que les chambres de pompage sont formées par le volume intérieur ou extérieur des soufflets de pompage (22).
5) Boucle fluide diphasique à pompage mécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le carter (30) forme des cavités (102) dans lesquelles sont disposées les soufflets de pompage (22), les chambres de pompage étant délimitées par les soufflets de pompage (22) et les parois des cavités (102).
6) Boucle fluide diphasique à pompage mécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'efle comprend en outre un dispositif d'amortissement des variations de débit de sortie d'un fluide, disposé en aval des soufflets de pompage, de préférence dans le carter de pompe (30), plus précisément au centre de la pluralité des cavités (102) formées dans le carter de pompe.
7) Boucle fluide diphasique à pompage mécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comprend, des points d'injections du liquide distribués dans l 'évaporateur de façon à repartir le flux de liquide injecté par la pompe de telle sorte que le titre liquide du fluide diphasique dans P évaporateur soit le plus constant possible.
8) Boucle fluide diphasique à pompage mécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le fluide contenu dans ladite boucle fluide diphasique est un fluide monocomposant chimique ou un mélange comportant une partie cvaporable et une partie antigel évaporable ou non.
9) Boucle fluide diphasique à pompage mécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un fluide lubrifiant permettant d'améliorer la longévité de la pompe volumétrique (20, 100).
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