WO2021185990A1 - Dispositif de régulation thermique - Google Patents

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WO2021185990A1
WO2021185990A1 PCT/EP2021/057002 EP2021057002W WO2021185990A1 WO 2021185990 A1 WO2021185990 A1 WO 2021185990A1 EP 2021057002 W EP2021057002 W EP 2021057002W WO 2021185990 A1 WO2021185990 A1 WO 2021185990A1
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thermal regulation
wall
housing
electrical
regulation wall
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PCT/EP2021/057002
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Amrid MAMMERI
Kamel Azzouz
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Valeo Systemes Thermiques
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to the field of devices for thermal regulation of electrical or electronic components, and it relates more particularly to a device for thermal regulation of electrical or electronic components liable to heat up during their operation.
  • the electrical or electronic components likely to be concerned by the present invention can consist of computer servers as well as electrical energy storage systems, in particular batteries, for motor vehicles.
  • thermal regulation devices make it possible to modify the temperature of an electric battery, whether it is when starting the vehicle in cold weather, by increasing its temperature for example, or whether it is in progress. driving or during a battery recharging operation, by reducing the temperature of this electric battery, which tends to heat up during use.
  • thermal regulation devices for electric batteries make use of heat exchangers.
  • the various battery cells of an electrical storage system can in particular be cooled by means of a cold plate inside which a cooling fluid circulates, the plate being in contact with the battery cells to be cooled. It has been observed that such heat exchangers can lead to inhomogeneous cooling of the electric batteries of the same electric storage system, thus leading to a decrease in the overall performance of the electric storage system.
  • These thermal regulation devices also have high thermal resistance due to the thicknesses of material present between the cooling fluid and the battery cells.
  • devices for cooling the electric battery elements of electric or hybrid cars comprising a hermetically sealed housing in which the battery elements of the electric energy storage system are partially immersed in a dielectric fluid.
  • a dielectric fluid tank being located outside the housing and connected to said housing in order to allow the circulation of the dielectric fluid.
  • Document FR3077683 discloses a device for cooling the cells of electric batteries which also comprise a hermetic case in which a dielectric fluid is placed, but in which the dielectric fluid is projected onto the cells by a circuit and appropriate projection means. In contact with the cells which have heated up during their operation, the projected dielectric fluid tends to vaporize and the vapor propagates in the casing and in particular along the walls delimiting the casing.
  • Document FR3077683 discloses the presence of a condensation wall, comprising within it a refrigerant fluid circuit, the wall being said to be condensing in that the temperature of this wall allows the vapor to condense so that the dielectric fluid takes up a again. liquid form.
  • the invention falls within this context and aims to offer an alternative to the thermal regulation devices of electronic systems comprising electrical or electronic components, whether they are computer servers, motor vehicle batteries or any other type of electronic system whose components are liable to heat up during operation or of their recharging, by proposing a thermal regulation device which is capable of bringing the electrical or electronic component to the desired temperature within a defined time.
  • the present invention relates to a thermal regulation device for at least one electrical or electronic component, the temperature of which must be regulated, said electrical or electronic component being in particular capable of giving off heat during its operation
  • the regulation device thermal device comprising a housing configured to house the at least one electrical or electronic component and means for thermal regulation of this electrical or electronic component, including at least one device for spraying dielectric fluid onto the at least one electrical or electronic component
  • the thermal regulation device being characterized in that the housing comprises at least one thermal regulation wall composed at least of a base material and having a specific thermal capacity of between 890 J / Kg / K and 1300 J / Kg / K.
  • the thermal regulation means housed in the housing, or at least partially in the housing, may consist of at least one dielectric fluid circuit, intended to project the dielectric fluid, in a liquid state, towards each electrical or electronic component by means of the dielectric fluid projection device.
  • the projection device can take the form, for example, of at least one projection nozzle arranged on this circuit and configured to spray the dielectric fluid towards the electrical or electronic component.
  • each electrical or electronic component here participates in forming an electronic system housed in the housing and which may consist of computer means or electrical energy storage means, for example for the power supply of a vehicle. automobile.
  • the thermal regulation wall is configured to participate in regulating the temperature of the electrical or electronic components of the thermal regulation device by its own thermal inertia.
  • the thermal regulation wall is configured according to the invention, by its structure and in particular the type of material which composes it and / or the arrangement of these materials, to have sufficient thermal inertia to absorb heat. released by the operation of electrical or electronic components and to evacuate it into a second stroke outside the case.
  • the use of such a thermal regulation wall also has an advantage when the dielectric fluid is two-phase.
  • the dielectric fluid has a phase change temperature such that, when the dielectric fluid is projected onto the electrical or electronic component, the heat released by the latter during its operation tends to vaporize the dielectric fluid coming into contact. with the electrical or electronic component.
  • the thermal regulation wall then makes it possible to ensure the condensation of said two-phase dielectric fluid in contact with it.
  • a wall with a specific heat capacity of between 890 J / Kg / K and 1300 J / Kg / K has characteristics suitable for ensuring this thermal regulation by inertia in a sufficiently efficient manner to allow appropriate thermal regulation.
  • the thermal regulation wall is composed of the base material and at least one refrigerant fluid conduit provided in the thickness of the thermal regulation wall.
  • the refrigerant fluid duct combined with the base material in the thickness of the thermal regulation wall, makes it possible to increase the specific heat capacity of the thermal regulation wall and thus improve the thermal regulation of electrical or electronic components and of the housing in general, and to allow where appropriate, when the dielectric fluid is two-phase, that the latter can condense in contact with said thermal regulation wall.
  • the presence of a refrigerant fluid conduit also makes it possible to circulate refrigerant fluid in the direction of other zones of the housing in order to thermally regulate these other zones and thus improve the thermal regulation of the housing in general and therefore of the electrical components or electronics housed there.
  • the base material represents at least 90% of the mass of the thermal regulation wall and the refrigerant fluid conduit represents between 2% and 7% of the mass of the thermal regulation wall.
  • the thermal regulation wall is composed of the base material and at least one phase change material formed in the thickness of the thermal regulation wall.
  • the presence of a phase change material, combined with the base material in the thickness of the thermal regulation wall, makes it possible to increase the thermal capacity mass of the thermal regulation wall and thus improve the thermal regulation of the electrical or electronic components and of the housing in general, and to allow, where appropriate, when the dielectric fluid is two-phase, that it can condense on contact with said thermal regulation wall.
  • phase change material is advantageously in the form of a module, that is to say a local cavity filled with phase change material and embedded, without communication, in the thickness of the thermal regulation wall.
  • the thermal regulation wall can for example be overmolded on each of the phase change material modules.
  • the base material represents at least 90% of the mass of the thermal regulation wall and the phase change material represents between 1% and 5% of the mass of the thermal regulation wall.
  • the thermal regulation wall has a specific heat capacity of between 1150 J / Kg / K and i250J / Kg / J, the base material representing at most 90% of the mass of the regulation wall. thermal.
  • the base material represents 90% of the mass of the thermal regulation wall
  • the phase change material represents 4% of the mass of the thermal regulation wall
  • the refrigerant fluid duct represents 6% of the mass of the thermal regulation wall.
  • thermal regulation wall allows optimal cooling of the housing via this thermal regulation wall when the electronic or electrical components present in the housing are in rapid charge, ensuring general cooling of the housing when the dielectric fluid is single-phase and condensation of the dielectric fluid when the latter is two-phase and comes into contact with said thermal regulation wall.
  • the risks of potential overheating of electronic or electrical components are greater in the event of rapid charging and the distribution of the different materials in the composition mentioned above makes it possible to manage these high risks of overheating.
  • the refrigerant fluid conduit and the phase change material extend in the thickness of the thermal regulation wall over a first distance corresponding to 5% of a length of the regulation wall. thermal and over a second distance taken in the thickness of the thermal regulation wall equal to 2mm.
  • the housing comprises a dielectric fluid recovery tank and at least one side wall bordering the recovery tank, the thermal regulation wall being formed by the at least one side wall of the housing.
  • the recovery tank is intended to collect the dielectric fluid after it has been sprayed towards the electrical component.
  • the dielectric fluid circuit is configured to allow the dielectric fluid to be sprayed in a loop, the dielectric fluid contained in the recovery tank being reinjected into the dielectric fluid circuit.
  • the thermal regulation means comprise a cooling system, traversed by a heat transfer fluid and associated with a cooling wall of the housing, the cooling wall being separate from the thermal regulation wall.
  • a cooling circuit in at least one wall defining the box makes it possible to ensure that the temperature of this wall is maintained for a long period of time at a temperature allowing the exchange of calories with each electrical or electronic component giving off heat. heat during their operation, and for example allowing the condensation of the two-phase dielectric fluid when it is in vapor form along this wall, vaporized under the effect of the heat given off by the electrical or electronic component on which the dielectric fluid is projected.
  • the cooling system is housed in the thickness of the cooling wall, in particular in the form of a pipe winding in the cooling wall, and it comprises a fluid inlet coolant and a coolant outlet, each in fluid communication with the pipe defining the cooling system.
  • the arrival of heat transfer fluid allows admission of a heat transfer fluid inside the cooling system, while the heat transfer fluid outlet allows the heat transfer fluid to be evacuated from the cooling system and therefore to the evacuation of the heat captured from the fluid. dielectric.
  • the housing comprises a base comprising a bottom wall from which extends a plurality of side walls which define a housing configured to house the at least one electrical or electronic component, the housing also comprising a cover. covering the housing, the at least one thermal regulation wall being provided in the base of the housing and / or in the cover of the housing.
  • the housing recovery tank is then provided in the housing and is delimited by the bottom wall and the side walls of the housing.
  • the thermal regulation wall can be provided in the base of the housing, and more precisely in a side wall of the housing, while the cooling wall comprising the cooling system can be provided in the cover of the housing.
  • the thermal regulation wall has a thickness of between 3mm and 5mm.
  • the base material of the thermal regulation wall is aluminum.
  • FIG.i is a general view of an electrical storage system housed in a motor vehicle, comprising a thermal regulation device and electrical or electronic components;
  • FIG.2 is a general perspective view of a housing of the thermal regulation device of Figure 1 comprising the electrical or electronic components, a dielectric fluid circuit for circulating a dielectric fluid and a thermal regulation wall according to a first embodiment;
  • FIG.3 is a sectional view of a housing of the thermal regulation device comprising a thermal regulation wall according to a second embodiment
  • FIG.4 is a graph illustrating a test on a thermal regulation device comprising a thermal regulation wall similar to that illustrated in Fig. 3, with a composition of a first type;
  • FIG.5 is a graph illustrating a test on a thermal regulation device comprising a thermal regulation wall similar to that illustrated in Fig. 3, with a composition of a second type;
  • FIG.6 is a graph illustrating a test on a thermal regulation device comprising a thermal regulation wall similar to that illustrated in Fig. 3, with a composition of a third type;
  • FIG.7 is a general perspective view of the housing of the thermal regulation device of Figure 1 or Figure 2 comprising a cooling system.
  • the characteristics, variants and the different embodiments of the invention may be associated with each other, in various combinations, as long as they are not incompatible or exclusive to each other. It is in particular possible to imagine variants of the invention comprising only a selection of characteristics described below in isolation from the other characteristics described, if this selection of characteristics is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from in the state of the prior art.
  • thermal regulation device will be described in relation to an electrical energy storage system for a motor vehicle, but it should be understood that such an application is not limiting. and that it could in particular be applied in the context of the invention to electrical or electronic components equipping other electronic systems, and for example computer servers.
  • FIGS. 1 and 2 an electrical storage system 1, able in particular to equip a motor vehicle V with electric or hybrid motorization, is illustrated.
  • Such an electrical storage system 1 is in particular intended to supply electrical energy to the motor vehicle V with a view to its movement.
  • the electrical storage system 1 comprises a thermal regulation device 2 configured to cool or raise the temperature each electrical or electronic component 4 forming part of the electrical storage system 1, these components being in particular liable to heat up during their operation or during operation. their load.
  • this thermal regulation device 2 comprises at least one housing 6 which is configured to receive a plurality of said electrical or electronic components 4, here taking the form of battery cells 8, and it further comprises thermal regulation means. 10 capable of regulating the temperature of the electrical or electronic components 4 inside this housing 6, it being understood that other configurations of the electrical storage system 1 could be implemented according to the invention as soon as this system comprises a thermal regulation device according to the invention.
  • the housing 6 comprises a plurality of walls which define inside this housing a housing 12, more particularly visible in FIG. 2, which is configured to receive at least the battery cells 8 and the thermal regulation means. 10.
  • the walls defining the housing 6 form in particular a base 14 and a cover 16, each of the walls have an internal face 18 facing the housing 12 of the housing 6 and an external face 20, opposite to the internal face 18 and facing the interior. opposite of housing 12.
  • the base 14 includes a bottom wall 22 and a plurality of side walls 24. More specifically, the bottom wall 22 is in the shape of a quadrilateral, and the plurality of side walls 24 each extend from one side. of the bottom wall 22, in a vertical direction V of the housing 6, perpendicular to the bottom wall 22.
  • the cover 16 has a shape substantially identical to that of the bottom wall 22, therefore here in the form of a quadrilateral, and is arranged to cover the base 14 of the housing 6 and close the opening between the side walls 24 through which the electrical or electronic components 4 are placed in the housing 12. On comprises in particular that the cover 16 is arranged overhanging the base 14, in contact with the free edges of the plurality of side walls 24, when the electrical storage system 1 is mounted on the vehicle.
  • the thermal regulation means 10 include in particular a dielectric fluid circuit 26, configured to transport a dielectric fluid and allow its use to cool the electrical 4 or electronic components. More particularly, this dielectric fluid circuit 26 comprises at least one device 28 for projecting the dielectric fluid in the direction of the electrical or electronic components 4, the temperature of which must be regulated, in particular because of a rise in temperature during their operation.
  • Each projection device 28 may in particular consist of a projection nozzle fitted to an outlet orifice of the dielectric fluid circuit 26 and configured to allow the spraying of the dielectric fluid on at least one of the electrical or electronic components 4.
  • the dielectric fluid is in this case capable of capturing calories emanating from the corresponding electrical or electronic component 4, if necessary by vaporizing under the effect of this supply of calories.
  • the dielectric fluid circuit 26 is arranged in the housing 6 such that it sprays the dielectric fluid on each of the battery cells 8.
  • the dielectric fluid circuit 26 is here formed by a tubular duct 30 disposed projecting from the internal face 18 of the side walls 24, this tubular duct 30 being equipped at regular intervals with projection devices 28, allowing a homogeneous projection of the dielectric fluid on the battery elements 8.
  • the dielectric fluid circuit 26 and the tubular conduit 30 could be made in the thickness of the plurality of side walls 24, and / or in the thickness of the cover 16 of the housing 6 .
  • the dielectric fluid can either flow along these battery cells and drop by gravity into the bottom of the housing 6 and more particularly in a recovery tank 32 formed in part by the bottom wall 22 before being reinjected into the tubular duct 30, keeping a liquid state throughout its cycle, or else being vaporized under the effect of temperature battery cells 8, then condensed in contact with the walls defining the housing 12 and whose temperature allows the condensation of the fluid.
  • the dielectric fluid is liable to flow, this time along the walls of the housing 6 to enter the recovery tank 32.
  • the recovery tank 32 is provided with a hose 34 for discharging the dielectric fluid as well as a recirculation pipe 36.
  • the dielectric fluid recovered inside the recovery tank 32 in liquid form, is then discharged in outside said recovery tank 32 by the discharge hose 34 which is in communication with the recirculation pipe 36 of the dielectric fluid.
  • the recirculation line 36 is equipped with a pump 38 for sucking the dielectric fluid out of the recovery tank 32 and directing it to a dielectric fluid inlet 40 connected to the tubular duct 30.
  • the dielectric fluid circuit 26, provided with the projection device (s) 28 here in the form of projection nozzles, is able to spray the dielectric fluid in the liquid state towards the battery cells 8 in order to cool them as mentioned above. It is thus understood that the dielectric fluid passes through a circulation loop comprising the recovery tank 32 of the dielectric fluid in the liquid state, the recirculation pipe 36 of the dielectric fluid equipped with the pump 38, the dielectric fluid circuit 26 and the nozzles. spray spraying the battery cells 8 with dielectric fluid.
  • Such a circuit is in particular implemented with a so-called two-phase dielectric fluid, that is to say a fluid whose change temperature makes it capable of being vaporized on contact with the electronic or electrical components onto which the fluid is projected.
  • the fluid chosen here must have an evaporating temperature at atmospheric pressure greater than 32, 33 or 34 degrees Celsius and a condensing temperature less than 31, 30 or 29 degrees Celsius.
  • the condensation of the dielectric fluid thus vaporized, necessary so that the dielectric fluid can recirculate in order to be projected again on the electronic or electrical components, is achieved by the presence of at least one thermal regulation wall 42, which also allows to regulate the temperature in the housing 12 of the housing 6.
  • the thermal regulation wall 42 is provided in the base 14 of the housing 6 and more particularly one of the side walls 24 of the base 14. It should be noted that this thermal regulation wall 42 can be formed by one or more walls of the base and for example the bottom wall 22. Furthermore, the thermal regulation wall 42 can form the cover 16 of the housing 6, arranged in covering the base 14 of said housing 6.
  • the thermal regulation wall 42 is composed of at least one base material, which may for example be aluminum, and it has a specific heat capacity of between 890 J / Kg / K and 1300 J / Kg / K, the tests carried out by the inventors in support of the invention being described below. In this way, the thermal regulation wall 42 has sufficient thermal inertia to ensure overall cooling of the housing 12 of the housing 6, without it being necessary to provide an additional cooling device.
  • thermal regulation wall 42 coming in addition to the dielectric fluid circuit, is used in particular for example in the case where the dielectric fluid is two-phase, that is to say that it has a phase change temperature such as that it vaporizes on contact with the electrical or electronic component 4, in accordance with what has been previously mentioned.
  • the specific thermal capacity of the thermal regulation wall 42 then allows it to be maintained at a temperature of a value lower than that of a condensation temperature of the dielectric fluid, which guarantees that on contact, the dielectric fluid passes from gaseous state to liquid state.
  • the thermal regulation wall 42 can also be implemented when the dielectric fluid is single phase, i.e. with a phase change temperature which cannot be reached during operation or charging. electronic or electrical components, the thermal regulation wall then having a role of general cooling of the electrical storage system 1. In such an electrical storage system, the components may be immersed in the dielectric fluid and the housing may not include a system dielectric fluid projection.
  • the thermal regulation wall 42 has a composition containing 100%, or at least 98%, of the base material.
  • a composition makes it possible to ensure sufficient thermal inertia when the temperature outside the housing 6 is not greater than 20 ° C and when the electronic components or electrics are in standard charge, that is to say in charge at medium intensity or over an extended period of time.
  • the specific heat capacity of the thermal regulation wall is close to the value of 890 J / Kg / K forming the lower limit of the range of values mentioned above.
  • the thermal regulation wall 42 is composed of the base material and at least one refrigerant fluid conduit 44 and / or at least one phase change material 46.
  • the thermal regulation wall 42 comprises two refrigerant fluid conduits 44 as well as two phase change materials 46.
  • Advantage is taken of such a configuration of the thermal regulation wall 42 in that it increases its thermal inertia capacity, in particular when the temperature outside the housing 6 is greater than 20 ° C, or more particularly when the charging conditions of the electronic or electrical components are close to the fast charging conditions, aimed at carrying out a charge complete in 15 minutes.
  • the refrigerant fluid conduit 44 comprises an inlet port and an outlet port for the coolant fluid, not shown, said ports possibly being common or distinct from one another.
  • the characteristics for one of the refrigerant fluid conduits 44 and one of the phase change materials 46 will be detailed, but it will be understood that these characteristics apply to all of the refrigerant fluid conduits 44 and the materials of phase change 46 constituting the thermal regulation wall 42. Also, it will be understood that the following description relates to a thermal regulation wall 42 forming one of the side walls 24 of the housing 6, but that the characteristics apply mutatis mutandis to a thermal regulation wall 42 forming the bottom wall 22 or the cover 16 of the housing 6.
  • the refrigerant fluid conduits 44 and the phase change material modules 46 are arranged next to each other along an elongation direction, here alternating with two conduits separated by a module and vice versa.
  • a thickness E of the thermal regulation wall 42 is defined, taken along a straight line perpendicular to a principal plane P, visible in FIG. 2, in which extends the thermal regulation wall 42, between the internal face 18 and the external face 20 of the latter.
  • the thickness E of the thermal regulation wall 42 is between 3mm and 5mm, and is preferably equal to 3.6mm.
  • a length G of the thermal regulation wall 42 is also defined as the dimension of the wall in the direction of elongation mentioned above, parallel to the main plane P of the thermal regulation wall 42.
  • the length G of the thermal regulation wall 42 corresponds to the vertical direction V of the housing 6, namely the direction perpendicular to the bottom wall 22.
  • phase change material modules 46 and the refrigerant fluid duct (s) 44 respectively extend over a first distance Di corresponding to 5% of the length G of the thermal regulation wall 42 defined above, and over a second distance D2 taken in the thickness E of the thermal regulation wall 42, equal to 2mm.
  • the base material represents at most 90% of the mass of said regulation wall.
  • thermal 42 the refrigerant fluid duct 44 represents between 3% and 6% of the mass of the thermal regulation wall 42 while the phase change material 46 represents between 1% and 5% of the mass of the thermal regulation wall.
  • FIGS. 4 to 6 show the values measured by the inventors making it possible to quantify and qualify the composition of the thermal regulation wall according to the invention, capable of participating in the cooling of the housing. It will be understood that during the operation or charging of the battery cells 8, the latter give off heat, it being understood that the heat release from the battery cells 8 varies as a function of the parameters of their operation or of their charge.
  • the tests carried out thus reflect several operating conditions, and more particularly several load conditions represented schematically in each of the figures by a diagram of the load power over time.
  • Figure 4 illustrates a test performed to reflect fast charging conditions, with sufficient power to fully charge electronic or electrical components in a reduced time of fifteen minutes.
  • the phase change material 46 was chosen with important storage properties, that is to say with a high thermal capacity of the order of 5500 J / Kg / K.
  • the thermal regulation wall exhibits suitable cooling properties with a composition of 4% phase change material, 6% coolant channels, and 90% base material here formed by aluminum. The result is a thermal regulating wall with a heat capacity of around 1207 J / kg / K.
  • Figure 5 illustrates a test performed to reflect standard charging conditions, with sufficient power to fully charge electronic or electrical components within thirty minutes.
  • the phase change material 46 was chosen with standard storage properties, here with a high heat capacity of around 2000 J / Kg / K.
  • the thermal regulating wall exhibits suitable cooling properties with a composition similar to what has been described above, namely 4% phase change material, 6% coolant channels, and 90% base material here formed by aluminum. The result is a thermal regulating wall with a heat capacity of around 1067 J / kg / K.
  • Figure 6 illustrates a test performed to reflect light load conditions, with reduced power and a charge time of the order of forty minutes.
  • the phase change material 46 was chosen with standard storage properties, here with a high thermal capacity of the order of 2000 J / Kg / K.
  • the thermal regulation wall exhibits suitable cooling properties with a composition different from what has been described above, and more particularly 2% phase change material, 3% coolant channels, and 95% coolant material. base here formed by aluminum. This results in a thermal regulation wall having a thermal capacity of the order of 982 J / kg / K.
  • the tests carried out thus make it possible to validate the interest of having a thermal regulation wall whose thermal capacity is between 890 J / Kg / K and 1300 J / Kg / K, with a thermal regulation wall at the same thermal capacity. of 890 J / Kg / K when the load or operating conditions are expected to be light or, on the contrary, a thermal regulation wall with a thermal capacity close to 1300 J / Kg / K when the load or operating conditions are expected to be intensive .
  • the thermal regulation wall 42 ensures their cooling and the condensation of the dielectric fluid when the latter is two-phase.
  • the thermal regulation wall 42 has a specific heat capacity of between 1150 J / Kg / K and 1250 J / Kg / K.
  • the thermal regulation wall 42 can in particular be composed of 90% of the base material, of 4% of phase change material 46 and of 6% of refrigerant fluid duct 44.
  • the thermal regulation means 10 of the thermal regulation device 2 comprise a cooling system 48. It should be considered that only the characteristics of the thermal regulation means 10 and the distinct characteristics of the first and second mode embodiment of the thermal regulation wall 42 will be described in the remainder of the detailed description. Also, it is understood that for the sake of clarity, the constituent elements of the thermal regulation wall 42 according to the second embodiment have not been shown, but that the cooling system 48 as will be described, can -be combined with one or the other of the embodiments of the thermal regulation wall 42.
  • the cooling system 48 is configured to cool one of the walls delimiting the housing 6. More particularly, the cooling system 48 comprises a heat transfer fluid circuit. The circulation of this heat transfer fluid, in particular at low temperature, allows the cooling of the wall of the corresponding housing 6 and thus the condensation of the two-phase dielectric fluid coming into contact with it. It should be understood that the system of cooling 48 can also be implemented when the dielectric fluid is single-phase, the cooling system 48 then having a role of general cooling of the electrical storage system 1.
  • the cooling system 48 can be housed in the thickness of the cover 16 of the housing 6.
  • the cover 16 then acts as a cooling wall 50 thanks to the heat transfer fluid circulating in the cooling system. 48.
  • the cooling system 48 can be provided in any one of the walls of the housing 6 as long as the latter is distinct from the at least one thermal regulation wall 42.
  • the cooling system 48 is shown in dotted lines in FIG. 4, and here takes the form of a coil, so as to allow cooling of the entire surface of the corresponding wall, here the cover 16, and subsequently cooling of the dielectric fluid which comes into contact with this wall after having been in contact with the battery cells 8.
  • the cooling system 48 here has the form of a duct housed in the thickness of a wall, with an inlet of coolant 52 and an outlet of coolant 54, each in fluid communication with the duct defining in the wall the cooling system 48.
  • the arrival of coolant 52 is provided to allow admission of a coolant inside the cooling system 48, or coolant circuit, while the outlet of coolant 54 is provided for allow evacuation of the heat transfer fluid out of the coolant cooling system 48, and therefore evacuation of the calories captured from the dielectric fluid.
  • the fluid inlet 52 is in fluid communication with a heat transfer fluid supply source, which may consist, as specified above, of an external network, not shown, or of a supply tank, not shown and intended to supply said cooling system 48 with heat transfer fluid.
  • the heat transfer fluid is able to cool the cooling wall 50, formed here by the cover 16, to keep it at a lower temperature. at a condensation temperature of the dielectric fluid, which guarantees that on contact, the dielectric fluid changes from its vapor state to a liquid state.
  • the cooling wall 50 acts as a condensation wall.
  • the heat transfer fluid circulating in the cooling system 48 may in particular consist of a cooling liquid, for example of the glycol water type, or a refrigerant fluid, and for example consist of glycol water, Ri34a or 12345 ⁇ , or still C02, without this list being exhaustive.
  • each of the side walls 24 of the base 14 can also form a cooling wall, equipped with a cooling circuit similar to that which has just been described.
  • the cooling wall may consist of a wall separate from the cover or from the walls of the base.
  • the cooling wall could, by way of example not shown, be positioned between one of the walls of the housing and the electrical or electronic components.
  • the cooling wall could then take the form of a plate arranged parallel to the corresponding wall.
  • the invention does indeed achieve the object it had set itself by proposing, by means that are simple to implement, a regulation of the temperature of battery cells by means of a thermal regulation wall composed of at least a base material and additionally at least one refrigerant fluid conduit and / or at least one phase change material.

Abstract

L'invention concerne un dispositif de régulation thermique (2) pour au moins un composant électrique ou électronique (4) dont la température doit être régulée, ledit composant électrique ou électronique (4) étant notamment susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement, le dispositif de régulation thermique (2) comportant un boîtier (6) configuré pour loger le au moins un composant électrique ou électronique (4) et des moyens de régulation thermique (10) de ce composant électrique ou électronique (4) parmi lesquels au moins un dispositif de projection (28) de fluide diélectrique sur l'au moins un composant, le dispositif de régulation thermique (2) étant caractérisé en ce que le boîtier comporte au moins une paroi de régulation thermique (42) composée au moins d'un matériau de base et présentant une capacité thermique massique comprise entre 890 J/Kg/K et 1300 J/Kg/K.

Description

Dispositif de régulation thermique
La présente invention se situe dans le domaine des dispositifs de régulation thermique de composants électriques ou électroniques, et elle concerne plus particulièrement un dispositif de régulation thermique de composants électriques ou électroniques susceptibles de s’échauffer lors de leur fonctionnement.
Les composants électriques ou électroniques susceptibles d’être concernés par la présente invention peuvent aussi bien consister en des serveurs informatiques qu’en des systèmes de stockage d’énergie électrique, notamment des batteries, pour des véhicules automobiles.
Dans le domaine des véhicules automobiles, des dispositifs de régulation thermique permettent de modifier une température d’une batterie électrique, que ce soit lors d’un démarrage du véhicule par temps froid, en augmentant sa température par exemple, ou que ce soit en cours de roulage ou lors d’une opération de recharge de la batterie, en diminuant la température de cette batterie électrique, qui tend à s’échauffer au cours de son utilisation.
D’une manière générale, de tels dispositifs de régulation thermique de batteries électriques font appel à des échangeurs de chaleur. Les différentes cellules de batterie d’un système de stockage électrique peuvent notamment être refroidies au moyen d’une plaque froide à l’intérieur de laquelle circule un fluide de refroidissement, la plaque étant en contact avec les cellules de batterie à refroidir. Il a pu être constaté que de tels échangeurs de chaleur peuvent conduire à un refroidissement non homogène des batteries électriques d’un même système de stockage électrique, entraînant alors une diminution de la performance globale du système de stockage électrique. Ces dispositifs de régulation thermique présentent en outre une résistance thermique élevée en raison des épaisseurs de matière présentes entre le fluide de refroidissement et les cellules de batterie.
Dans le but d’apporter une réponse à ces différentes problématiques, plusieurs dispositifs sont connus.
On connaît notamment des dispositifs de refroidissement des éléments de batterie électriques de voitures électriques ou hybrides comprenant un boîtier fermé hermétiquement dans lequel les éléments de batterie du système de stockage d’énergie électrique sont partiellement plongés dans un fluide diélectrique. On assure de la sorte un échange thermique entre les éléments de batterie et le fluide diélectrique, une cuve de fluide diélectrique étant située à l’extérieur du boîtier et reliée audit boîtier afin de permettre la circulation du fluide diélectrique.
Toutefois, l’immersion des cellules de stockage électrique dans un fluide, notamment diélectrique, ne permet pas un refroidissement homogène des cellules. Le document FR3077683 divulgue un dispositif de refroidissement des cellules des batteries électriques qui comportent également un boîtier hermétique dans lequel est disposé un fluide diélectrique, mais dans lequel le fluide diélectrique est projeté sur les cellules par un circuit et des moyens de projection appropriés. Au contact des cellules qui se sont échauffées lors de leur fonctionnement, le fluide diélectrique projeté a tendance à se vaporiser et la vapeur se propage dans le boîtier et notamment le long des parois délimitant le boîtier. Le document FR3077683 divulgue la présence d’une paroi de condensation, comprenant en son sein un circuit de fluide réfrigérant, la paroi étant dite de condensation en ce que la température de cette paroi permet de condenser la vapeur de sorte que le fluide diélectrique reprend une forme liquide.
Il convient de comprendre que plus les cellules des batteries électriques dégagent de chaleur, plus la paroi de condensation doit être froide pour assurer le retour à l’état liquide du fluide diélectrique préalablement vaporisé au contact des cellules. Or, les fabricants et équipementiers automobiles cherchent à proposer des solutions de charge rapide des batteries électriques de leurs véhicules, de manière notamment à permettre une recharge complète des batteries dans une durée de l’ordre de 10 à 20 minutes. Ces opérations, dite de charge rapide ou « fast charge » en anglais, sont ainsi génératrices de forts dégagements de chaleur de la part des cellules des batteries électriques. L’apport conséquent de fluide réfrigérant, c’est-à-dire la fréquence élevée à laquelle le fluide réfrigérant doit être évacué hors du boîtier avec les calories captées et réintroduit dans le boîtier pour en récupérer de nouvelles, est consommateur d’énergie. Il se peut par ailleurs que la présence de fluide réfrigérant puisse ne pas suffire au refroidissement rendu nécessaire par l’opération de charge rapide.
L’invention s’inscrit dans ce contexte et a pour objectif d’offrir une alternative aux dispositifs de régulation thermique des systèmes électroniques comportant des composants électriques ou électroniques, qu’il s’agisse de serveurs informatiques, de batteries de véhicules automobiles ou de tout autre type de systèmes électroniques dont les composants sont susceptibles de s’échauffer lors de leur fonctionnement ou de leur recharge, en proposant un dispositif de régulation thermique qui soit susceptible d’amener le composant électrique ou électronique à la température souhaitée dans un temps défini.
Dans ce contexte, la présente invention concerne un dispositif de régulation thermique pour au moins un composant électrique ou électronique dont la température doit être régulée, ledit composant électrique ou électronique étant notamment susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement, le dispositif de régulation thermique comportant un boîtier configuré pour loger le au moins un composant électrique ou électronique et des moyens de régulation thermique de ce composant électrique ou électronique parmi lesquels au moins un dispositif de projection de fluide diélectrique sur l’au moins un composant électrique ou électronique, le dispositif de régulation thermique étant caractérisé en ce que le boîtier comporte au moins une paroi de régulation thermique composée au moins d’un matériau de base et présentant une capacité thermique massique comprise entre 890 J/Kg/K et 1300 J/Kg/K.
Les moyens de régulations thermiques logés dans le boîtier, ou au moins partiellement dans le boîtier, peuvent consister en au moins un circuit de fluide diélectrique, destiné à projeter le fluide diélectrique, dans un état liquide, vers chaque composant électrique ou électronique au moyen du dispositif de projection de fluide diélectrique. Le dispositif de projection peut prendre la forme par exemple d’au moins une buse de projection agencée sur ce circuit et configurée pour pulvériser le fluide diélectrique vers le composant électrique ou électronique.
Tel que cela été précisé, chaque composant électrique ou électronique participe ici à former un système électronique logé dans le boîtier et pouvant consister en des moyens informatiques ou des moyens de stockage d’énergie électrique, par exemple pour l’alimentation électrique d’un véhicule automobile.
Selon l’invention, la paroi de régulation thermique est configurée pour participer à réguler la température des composants électriques ou électroniques du dispositif de régulation thermique par sa propre inertie thermique. En d’autres termes, la paroi de régulation thermique est configurée selon l’invention, par sa structure et notamment le type de matériau qui la compose et/ou l’agencement de ces matériaux, pour avoir une inertie thermique suffisante pour absorber la chaleur dégagée par le fonctionnement des composants électriques ou électroniques et pour l’évacuer dans un deuxième temps à l’extérieur du boîtier. L’utilisation d’une telle paroi de régulation thermique présente également un avantage lorsque le fluide diélectrique est diphasique. On comprend par diphasique que le fluide diélectrique présente une température de changement de phase telle que, lorsque le fluide diélectrique est projeté sur le composant électrique ou électronique, la chaleur dégagée par ce dernier lors de son fonctionnement tend à vaporiser le fluide diélectrique entrant en contact avec le composant électrique ou électronique. La paroi de régulation thermique permet alors d’assurer la condensation dudit fluide diélectrique diphasique à son contact.
Les inventeurs ont pu déterminer qu’une paroi avec une capacité thermique massique comprise entre 890 J/Kg/K et 1300 J/Kg/K présente des caractéristiques propres à assurer cette régulation thermique par inertie de manière suffisamment efficace pour permettre une régulation thermique appropriée d’un boîtier logeant un ou plusieurs composants électriques ou électroniques dont le fonctionnement ou la charge implique un dégagement de chaleur.
Selon une caractéristique de l’invention, la paroi de régulation thermique est composée du matériau de base et d’au moins un conduit de fluide réfrigérant ménagé dans l’épaisseur de la paroi de régulation thermique.
Le conduit de fluide réfrigérant, combiné au matériau de base dans l’épaisseur de la paroi de régulation thermique, permet d’élever la capacité thermique massique de la paroi de régulation thermique et d’améliorer ainsi la régulation thermique des composants électriques ou électroniques et du boîtier en général, et de permettre le cas échéant, lorsque le fluide diélectrique est diphasique, que celui-ci puisse se condenser au contact de ladite paroi de régulation thermique. Avantageusement, la présence d’un conduit de fluide réfrigérant permet en outre de faire circuler du fluide réfrigérant en direction d’autres zones du boîtier pour réguler thermiquement ces autres zones et améliorer ainsi la régulation thermique du boîtier en général et donc des composants électriques ou électroniques qui y sont logés.
Selon une caractéristique de l’invention, le matériau de base représente au moins 90% de la masse de la paroi de régulation thermique et le conduit de fluide réfrigérant représente entre 2% et 7% de la masse de la paroi de régulation thermique. Selon une caractéristique de l’invention, la paroi de régulation thermique est composée du matériau de base et au moins d’un matériau à changement de phase ménagé dans l’épaisseur de la paroi de régulation thermique.
Conformément à ce qui a pu être évoqué précédemment pour le conduit de fluide réfrigérant, la présence d’un matériau à changement de phase, combinée au matériau de base dans l’épaisseur de la paroi de régulation thermique, permet d’élever la capacité thermique massique de la paroi de régulation thermique et d’améliorer ainsi la régulation thermique des composants électriques ou électroniques et du boîtier en général, et de permettre le cas échéant, lorsque le fluide diélectrique est diphasique, que celui-ci puisse se condenser au contact de ladite paroi de régulation thermique.
Le matériau à changement de phase est avantageusement sous forme de module, c’est-à-dire de cavité locale remplie de matériau à changement de phase et noyée, sans communication, dans l’épaisseur de la paroi de régulation thermique. La paroi de régulation thermique peut par exemple être surmoulée sur chacun des modules de matériau à changement de phase.
Selon une caractéristique de l’invention, le matériau de base représente au moins 90% de la masse de la paroi de régulation thermique et le matériau à changement de phase représente entre 1% et 5% de la masse de la paroi de régulation thermique.
Selon une caractéristique de l’invention, la paroi de régulation thermique présente une capacité thermique massique comprise entre 1150 J/Kg/K et i250J/Kg/J, le matériau de base représentant au plus 90% de la masse de la paroi de régulation thermique.
Selon une caractéristique de l’invention, le matériau de base représente 90% de la masse de la paroi de régulation thermique, le matériau à changement de phase représente 4% de la masse de la paroi de régulation thermique et le conduit de fluide réfrigérant représente 6% de la masse de la paroi de régulation thermique.
Une telle configuration de la paroi de régulation thermique permet un refroidissement optimal du boîtier via cette paroi de régulation thermique lorsque les composants électroniques ou électriques présents dans le boîtier sont en charge rapide, en assurant un refroidissement général du boîtier lorsque le fluide diélectrique est monophasique et la condensation du fluide diélectrique lorsque celui- ci est diphasique et entre en contact de ladite paroi de régulation thermique. Les risques de surchauffe potentielle des composants électroniques ou électriques sont plus élevés en cas de charge rapide et la répartition des différents matériaux dans la composition évoquée ci-dessus permet de gérer ces risques de surchauffe élevés.
Selon une caractéristique de l’invention, le conduit de fluide réfrigérant et le matériau à changement de phase s’étendent dans l’épaisseur de la paroi de régulation thermique sur une première distance correspondant à 5% d’une longueur de la paroi de régulation thermique et sur une deuxième distance prise dans l’épaisseur de la paroi de régulation thermique égale à 2mm.
Selon une caractéristique de l’invention, le boîtier comprend un réservoir de récupération du fluide diélectrique et au moins une paroi latérale bordant le réservoir de récupération, la paroi de régulation thermique étant formé par la au moins une paroi latérale du boîtier.
Le réservoir de récupération est destiné à récolter le fluide diélectrique après que celui-ci ait été pulvérisé en direction du composant électrique. Ainsi, le circuit de fluide diélectrique est configuré pour permettre la projection en boucle de fluide diélectrique, le fluide diélectrique contenu dans le réservoir de récupération étant réinjecté dans le circuit de fluide diélectrique.
Selon une caractéristique de l’invention, les moyens de régulation thermique comprennent un système de refroidissement, parcouru par un fluide caloporteur et associé à une paroi de refroidissement du boîtier, la paroi de refroidissement étant distincte de la paroi de régulation thermique.
La présence d’un circuit de refroidissement dans au moins une paroi définissant le boîtier permet de s’assurer que la température de cette paroi est maintenue pendant une longue durée à une température permettant l’échange de calories avec chaque composant électrique ou électronique dégageant de la chaleur lors de leur fonctionnement, et par exemple permettant la condensation du fluide diélectrique diphasique lorsqu’il est sous forme vapeur le long de cette paroi, vaporisé sous l’effet de la chaleur dégagée par le composant électrique ou électronique sur lequel le fluide diélectrique est projeté.
Selon une caractéristique de l’invention, le système de refroidissement est logé dans l’épaisseur de la paroi de refroidissement, notamment sous forme de conduite serpentant dans la paroi de refroidissement, et il comporte une arrivée de fluide caloporteur et une sortie de fluide caloporteur, chacune en communication fluidique avec la conduite définissant le système de refroidissement. L’arrivée de fluide caloporteur permet une admission d’un fluide caloporteur à l’intérieur du système de refroidissement, tandis que la sortie de fluide caloporteur permet une évacuation du fluide caloporteur hors du système de refroidissement et donc une évacuation des calories captées du fluide diélectrique.
Selon une caractéristique de l’invention, le boîtier comprend une base comprenant une paroi de fond depuis laquelle s’étend une pluralité de parois latérales qui définissent un logement configuré pour loger le au moins un composant électrique ou électronique, le boîtier comprenant également un couvercle en recouvrement du logement, la au moins une paroi de régulation thermique étant ménagée dans la base du boîtier et/ou dans le couvercle du boîtier.
Le réservoir de récupération du boîtier est alors ménagé dans le logement et est délimité par la paroi de fond et les parois latérales du boîtier.
La paroi de régulation thermique peut être ménagée dans la base du boîtier, et plus précisément dans une paroi latérale du boîtier, tandis que la paroi de refroidissement comprenant le système de refroidissement peut être ménagée dans le couvercle du boîtier.
Selon une caractéristique de l’invention, la paroi de régulation thermique présente une épaisseur comprise entre 3mm et 5mm.
Selon une caractéristique de l’invention, le matériau de base de la paroi de régulation thermique est de l’aluminium.
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit d’une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés d’autre part, sur lesquels :
[Fig.i] est une vue générale d’un système de stockage électrique logé au sein d’un véhicule automobile, comprenant un dispositif de régulation thermique et des composants électriques ou électroniques ;
[Fig.2] est une vue générale en perspective d’un boîtier du dispositif de régulation thermique de la figure 1 comprenant les composants électriques ou électroniques, un circuit de fluide diélectrique de circulation d’un fluide diélectrique et une paroi de régulation thermique selon un premier mode de réalisation ;
[Fig.3] est une vue en coupe d’un boîtier du dispositif de régulation thermique comprenant une paroi de régulation thermique selon un deuxième mode de réalisation ;
[Fig.4] est un graphique illustrant un test sur un dispositif de régulation thermique comprenant une paroi de régulation thermique semblable à celle illustrée sur la figure 3, avec une composition d’un premier type ;
[Fig.5] est un graphique illustrant un test sur un dispositif de régulation thermique comprenant une paroi de régulation thermique semblable à celle illustrée sur la figure 3, avec une composition d’un deuxième type ;
[Fig.6] est un graphique illustrant un test sur un dispositif de régulation thermique comprenant une paroi de régulation thermique semblable à celle illustrée sur la figure 3, avec une composition d’un troisième type ;
[Fig.7] est une vue générale en perspective du boîtier du dispositif de régulation thermique de la figure 1 ou de la figure 2 comprenant un système de refroidissement.
Les caractéristiques, variantes et les différentes formes de réalisation de l’invention peuvent être associées les unes avec les autres, selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes aux autres. On pourra notamment imaginer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites par la suite de manière isolée des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieur.
Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence.
Dans la description détaillée qui va suivre, le dispositif de régulation thermique selon l’invention va être décrit en relation avec un système de stockage d’énergie électrique de véhicule automobile, mais il doit être compris qu’une telle application n’est pas limitative et qu’elle pourrait notamment être appliquée dans le contexte de l’invention à des composants électriques ou électroniques équipant d’autres systèmes électroniques, et par exemple des serveurs informatiques. Sur les figures 1 et 2, un système de stockage électrique 1, apte notamment à équiper un véhicule V automobile à motorisation électrique ou hybride, est illustré. Un tel système de stockage électrique 1 est notamment destiné à fournir une énergie électrique au véhicule V automobile en vue de son déplacement.
Le système de stockage électrique 1 comporte un dispositif de régulation thermique 2 configuré pour refroidir ou monter en température chaque composant électrique ou électronique 4 formant partie du système de stockage électrique 1, ces composants étant notamment susceptibles de s’échauffer lors de leur fonctionnement ou de leur charge.
Plus particulièrement, ce dispositif de régulation thermique 2 comprend au moins un boîtier 6 qui est configuré pour recevoir une pluralité desdits composants électriques ou électroniques 4, prenant ici la forme d’éléments de batterie 8, et il comprend en outre des moyens de régulation thermique 10 aptes à réguler la température des composants électriques 4 ou électroniques à l’intérieur de ce boîtier 6, étant entendu que d’autres configurations du système de stockage électrique 1 pourraient être mises en œuvre selon l’invention dès lors que ce système comprend un dispositif de régulation thermique conforme à l’invention.
Plus particulièrement, le boîtier 6 comprend une pluralité de parois qui définissent à l’intérieur de ce boîtier un logement 12, plus particulièrement visible à la figure 2, qui est configuré pour recevoir au moins les éléments de batteries 8 et les moyens de régulation thermique 10. Les parois définissant le boîtier 6 forment notamment une base 14 et un couvercle 16, chacune des parois présentent une face interne 18 tournée vers le logement 12 du boîtier 6 et une face externe 20, opposée à la face interne 18 et tournée à l’opposé du logement 12.
La base 14 comprend une paroi de fond 22 et une pluralité de parois latérales 24. De manière plus précise, la paroi de fond 22 est de la forme d’un quadrilatère, et la pluralité de parois latérales 24 s’étendent chacune depuis un coté de la paroi de fond 22, suivant une direction verticale V du boîtier 6, perpendiculairement à la paroi de fond 22.
Le couvercle 16 présente une forme sensiblement identique à celle de la paroi de fond 22, donc ici sous la forme d’un quadrilatère, et est agencé pour recouvrir la base 14 du boîtier 6 et fermer l’ouverture entre les parois latérales 24 par laquelle les composants électriques 4 ou électroniques sont placés dans le logement 12. On comprend notamment que le couvercle 16 est disposé en surplomb de la base 14, en contact des bords libres de la pluralité de parois latérales 24, lorsque le système de stockage électrique 1 est monté sur le véhicule.
Les moyens de régulation thermique 10 comportent notamment un circuit de fluide diélectrique 26, configuré pour transporter un fluide diélectrique et permettre son utilisation pour refroidir les composants électriques 4 ou électroniques. Plus particulièrement, ce circuit de fluide diélectrique 26 comporte au moins un dispositif de projection 28 du fluide diélectrique en direction des composants électriques 4 ou électroniques dont la température doit être régulée, notamment à cause d’une montée en température lors de leur fonctionnement. Chaque dispositif de projection 28 peut notamment consister en une buse de projection équipant un orifice de sortie du circuit de fluide diélectrique 26 et configurée pour permettre la pulvérisation du fluide diélectrique sur au moins un des composants électriques 4 ou électroniques. Le fluide diélectrique est dans ce cas susceptible de capter des calories émanant du composant électrique 4 ou électronique correspondant, le cas échéant en se vaporisant sous l’effet de cet apport de calories.
Tel que cela est visible à la figure 2, le circuit de fluide diélectrique 26 est agencé dans le boîtier 6 de telle sorte qu’il pulvérise le fluide diélectrique sur chacun des éléments de batterie 8. Le circuit de fluide diélectrique 26 est ici formé par un conduit tubulaire 30 disposé en saillie de la face interne 18 des parois latérales 24, ce conduit tubulaire 30 étant équipé à intervalles réguliers de dispositifs de projection 28, permettant une projection homogène du fluide diélectrique sur les éléments de batterie 8. Il convient de noter que, sans sortir du contexte de l’invention, le circuit de fluide diélectrique 26 et le conduit tubulaire 30 pourraient être réalisés dans l’épaisseur de la pluralité de parois latérales 24, et/ou dans l’épaisseur du couvercle 16 du boîtier 6.
Selon le type de fluide diélectrique choisi pour circuler dans ce circuit de fluide diélectrique 26, une fois pulvérisé sur les éléments de batterie 8, le fluide diélectrique peut soit ruisseler le long de ces éléments de batterie et chuter par gravité dans le fond du boîtier 6 et plus particulièrement dans un réservoir de récupération 32 formé en partie par la paroi de fond 22 avant d’être réinjecté dans le conduit tubulaire 30, en gardant pendant tout son cycle un état liquide, ou bien être vaporisé sous l’effet de la température des éléments de batterie 8, puis condensé au contact des parois définissant le logement 12 et dont la température permet la condensation du fluide. Dans ce deuxième cas, une fois condensé, le fluide diélectrique est susceptible de ruisseler, cette fois le long des parois du boîtier 6 pour venir dans le réservoir de récupération 32.
Le réservoir de récupération 32 est pourvu d’une durite d’évacuation 34 du fluide diélectrique ainsi que d’une conduite de recirculation 36. Le fluide diélectrique récupéré à l’intérieur du réservoir de récupération 32, sous forme liquide, est alors évacué en dehors dudit réservoir de récupération 32 par la durite d’évacuation 34 qui est en communication avec la conduite de recirculation 36 du fluide diélectrique. La conduite de recirculation 36 est équipée d’une pompe 38 pour aspirer le fluide diélectrique hors du réservoir de récupération 32 et le diriger vers une arrivée de fluide diélectrique 40 reliée au conduit tubulaire 30.
Le circuit de fluide diélectrique 26, pourvu du ou des dispositifs de projection 28 ici sous forme de buses de projection, est à même de pulvériser le fluide diélectrique à l’état liquide vers les éléments de batterie 8 afin de les refroidir comme évoqué précédemment. On comprend ainsi que le fluide diélectrique parcourt une boucle de circulation comprenant le réservoir de récupération 32 du fluide diélectrique à l’état liquide, la conduite de recirculation 36 du fluide diélectrique équipée de la pompe 38, le circuit de fluide diélectrique 26 et les buses de projection aspergeant les éléments de batterie 8 de fluide diélectrique.
Un tel circuit est notamment mis en œuvre avec un fluide diélectrique dit diphasique, c’est-à-dire un fluide dont la température de changement le rend susceptible d’être vaporisé au contact des composants électroniques ou électriques sur lesquels le fluide est projeté. A titre d’exemple, le fluide choisi ici doit présenter une température d’évaporation à pression atmosphérique supérieure à 32, 33 ou 34 degrés Celsius et une température de condensation inférieure à 31, 30 ou 29 degrés Celsius.
La condensation du fluide diélectrique ainsi vaporisé, nécessaire pour que le fluide diélectrique puisse recirculer afin d’être projeté de nouveau sur les composants électroniques ou électriques, est réalisé par la présence d’au moins une paroi de régulation thermique 42, qui permet par ailleurs de réguler la température dans le logement 12 du boîtier 6.
Dans l’exemple illustré, la paroi de régulation thermique 42 est ménagée dans la base 14 du boîtier 6 et plus particulièrement une des parois latérales 24 de la base 14. Il convient de noter que cette paroi de régulation thermique 42 peut être formée par une ou plusieurs parois de la base et par exemple la paroi de fond 22. Par ailleurs, la paroi de régulation thermique 42 peut former le couvercle 16 du boîtier 6, disposé en recouvrement de la base 14 dudit boîtier 6.
Selon l’invention, la paroi de régulation thermique 42 est composée au moins d’un matériau de base, pouvant être par exemple de l’aluminium, et elle présente une capacité thermique massique comprise entre 890 J/Kg/K et 1300 J/Kg/K, les tests réalisés par les inventeurs à l’appui de l’invention étant décrits ci-après. De la sorte, la paroi de régulation thermique 42 présente une inertie thermique suffisante pour assurer un refroidissement global du logement 12 du boîtier 6, sans qu’il soit nécessaire de prévoir un dispositif de refroidissement additionnel.
Une telle paroi de régulation thermique 42, venant en complément du circuit de fluide diélectrique, est notamment utilisée par exemple dans le cas où le fluide diélectrique est diphasique, c’est-à-dire qu’il présente une température de changement de phase telle qu’il se vaporise au contact du composant électrique 4 ou électronique, conformément à ce qui a été précédemment évoqué. La capacité thermique massique de la paroi de régulation thermique 42 lui permet alors d’être maintenue à une température de valeur inférieure à celle d’une température de condensation du fluide diélectrique, ce qui garantit qu’à son contact, le fluide diélectrique passe de l’état gazeux à un état liquide.
Il convient de comprendre que la paroi de régulation thermique 42 peut également être mise en œuvre lorsque le fluide diélectrique est monophasique, c’est-à-dire avec une température de changement de phase qui ne peut être atteinte lors du fonctionnement ou de la charge des composants électroniques ou électriques, la paroi de régulation thermique ayant alors un rôle de refroidissement général du système de stockage électrique 1. Dans un tel système de stockage électrique, les composants peuvent baigner dans le fluide diélectrique et le boîtier peut ne pas comporter de système de projection de fluide diélectrique.
Selon un premier mode de réalisation de l’invention, telle qu’elle peut être illustrée sur la figure 2 par exemple, la paroi de régulation thermique 42 présente une composition à 100%, ou au moins 98%, du matériau de base. Une telle composition permet d’assurer une inertie thermique suffisante lorsque la température en dehors du boîtier 6 n’est pas supérieure à 20°C et lorsque les composants électroniques ou électriques sont en charge standard, c’est-à-dire en charge à moyenne intensité ou sur une durée allongée. Dans ce contexte, la capacité thermique massique de la paroi de régulation thermique est proche de la valeur de 890 J/Kg/K formant la borne inférieure de la plage de valeurs précédemment évoquée.
Selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, la paroi de régulation thermique 42 est composée du matériau de base et d’au moins un conduit de fluide réfrigérant 44 et/ou au moins un matériau à changement de phase 46. Dans l’exemple illustré de la figure 3, la paroi de régulation thermique 42 comprend deux conduits de fluide réfrigérant 44 ainsi que deux matériaux de changement de phase 46. On tire avantage d’une telle configuration de la paroi de régulation thermique 42 en ce qu’elle accroît sa capacité d’inertie thermique, notamment lorsque la température en dehors du boîtier 6 est supérieure à 20°C, ou plus particulièrement lorsque les conditions de charge des composants électroniques ou électriques sont proches des conditions de charge rapide, visant à réaliser une charge complète en 15 minutes.
Le conduit de fluide réfrigérant 44 comprend un orifice d’entrée et un orifice de sortie du fluide réfrigérant, non représentés, lesdits orifices pouvant être communs ou distincts l’un de l’autre.
Dans la suite de la description seront détaillées les caractéristiques pour un des conduits de fluide réfrigérant 44 et un des matériaux de changement de phase 46 mais on comprend que ces caractéristiques s’appliquent à l’ensemble des conduits de fluide réfrigérant 44 et des matériaux de changement de phase 46 constitutif de la paroi de régulation thermique 42. Également, on comprend que la description qui va suivre est en relation avec une paroi de régulation thermique 42 formant une des parois latérales 24 du boîtier 6, mais que les caractéristiques s’appliquent mutatis mutandis à une paroi de régulation thermique 42 formant la paroi de fond 22 ou le couvercle 16 du boîtier 6.
Les conduits de fluide réfrigérant 44 et les modules de matériaux à changement de phase 46 sont disposés les uns à côté des autres le long d’une direction d’allongement, ici en alternance avec deux conduits séparés par un module et inversement.
On définit une épaisseur E de la paroi de régulation thermique 42, prise le long d’une droite perpendiculaire à un plan principal P, visible à la figure 2, dans lequel s’étend la paroi de régulation thermique 42, entre la face interne 18 et la face externe 20 de cette dernière. Selon l’exemple de l’invention, l’épaisseur E de la paroi de régulation thermique 42 est comprise entre 3mm et 5mm, et est préférentiellement égale à 3,6mm.
On définit également une longueur G de la paroi de régulation thermique 42 comme la dimension de la paroi selon la direction d’allongement précédemment évoqué, parallèlement au plan principal P de la paroi de régulation thermique 42. Dans l’exemple illustré de la figure 3, la longueur G de la paroi de régulation thermique 42 correspond à la direction verticale V du boîtier 6, à savoir la direction perpendiculaire à la paroi de fond 22.
Dans l’exemple illustré, et dans les tests réalisés par les inventeurs, les modules de matériau à changement de phase 46 et le ou les conduits de fluide réfrigérant 44 s’étendent respectivement sur une première distance Di correspondant à 5% de la longueur G de la paroi de régulation thermique 42 définie précédemment, et sur une deuxième distance D2 prise dans l’épaisseur E de la paroi de régulation thermique 42, égale à 2mm.
Dans ce deuxième mode de réalisation, dans lequel la paroi de régulation thermique 42 est composée de conduit de fluide réfrigérant 44 et/ou de matériau à changement phase 46, le matériau de base représente au plus 90% de la masse de ladite paroi de régulation thermique 42. Par ailleurs, le conduit de fluide réfrigérant 44 représente entre 3% et 6% de la masse de la paroi de régulation thermique 42 tandis que le matériau à changement de phase 46 représente entre 1% et 5% de la masse de la paroi de régulation thermique 42.
Les figures 4 à 6 rendent compte de valeurs mesurées par les inventeurs permettant de quantifier et qualifier la composition de la paroi de régulation thermique selon l’invention, susceptible de participer au refroidissement du boîtier. On comprend que lors du fonctionnement ou du chargement des éléments de batterie 8, ces derniers dégagent de la chaleur, étant entendu que le dégagement de chaleur des éléments de batterie 8 varie en fonction des paramètres de leur fonctionnement ou de leur charge. Les tests réalisés reflètent ainsi plusieurs conditions de fonctionnement, et plus particulièrement plusieurs conditions de charge représentées schématiquement sur chacune des figures par un diagramme de la puissance de charge au fil du temps. La figure 4 illustre un test réalisé pour refléter des conditions de charge rapide, avec une puissance suffisante pour charger complètement les composants électroniques ou électriques en un temps réduit de quinze minutes.
Dans ce contexte, le matériau à changement de phase 46 a été choisi avec des propriétés de stockage importantes, c’est-à-dire avec une capacité thermique élevée de l’ordre de 5500 J/Kg/K. La paroi de régulation thermique présente des propriétés de refroidissement appropriées avec une composition de 4% de matériau à changement de phase, de 6% de canaux de liquide de refroidissement, et de 90% de matériau de base ici formé par de l’aluminium. Il en résulte une paroi de régulation thermique présentant une capacité thermique de l’ordre de 1207 J/kg/K.
La figure 5 illustre un test réalisé pour refléter des conditions de charge standard, avec une puissance suffisante pour charger complètement les composants électroniques ou électriques en une durée de trente minutes.
Dans ce contexte, le matériau à changement de phase 46 a été choisi avec des propriétés de stockage standard, ici avec une capacité thermique élevée de l’ordre de 2000 J/Kg/K. La paroi de régulation thermique présente des propriétés de refroidissement appropriées avec une composition similaire à ce qui a été décrit précédemment, à savoir 4% de matériau à changement de phase, 6% de canaux de liquide de refroidissement, et 90% de matériau de base ici formé par de l’aluminium. Il en résulte une paroi de régulation thermique présentant une capacité thermique de l’ordre de 1067 J/kg/K.
La figure 6 illustre un test réalisé pour refléter des conditions de charge allégées, avec une puissance réduite et une durée de charge étant de l’ordre de quarante minutes.
Dans ce contexte, le matériau à changement de phase 46 a été choisi avec des propriétés de stockage standard, ici avec une capacité thermique élevée de l’ordre de 2000 J/Kg/K. La paroi de régulation thermique présente des propriétés de refroidissement appropriées avec une composition différente de ce qui a été décrit précédemment, et plus particulièrement 2% de matériau à changement de phase, 3% de canaux de liquide de refroidissement, et 95% de matériau de base ici formé par de l’aluminium. Il en résulte une paroi de régulation thermique présentant une capacité thermique de l’ordre de 982 J/kg/K. Les tests menés permettent ainsi de valider l’intérêt d’avoir une paroi de régulation thermique dont la capacité thermique est comprise entre 890 J/Kg/K et 1300 J/Kg/K, avec une paroi de régulation thermique à la capacité thermique proche de 890 J/Kg/K lorsque les conditions de charge ou de fonctionnement sont prévues peu intensives ou au contraire une paroi de régulation thermique à la capacité thermique proche de 1300 J/Kg/K lorsque les conditions de charge ou de fonctionnement sont prévues intensives.
Lors d’une phase de charge rapide d’éléments de batterie 8 de véhicule automobile, qui correspond aux conditions intensives telles qu’elles viennent d’être évoquées, ces éléments de batterie sont amenés à dégager une quantité importante de calories et il convient que la paroi de régulation thermique 42 assure leur refroidissement et la condensation du fluide diélectrique lorsque celui-ci est diphasique. Selon l’invention, dans ce contexte, la paroi de régulation thermique 42 présente une capacité thermique massique comprise entre 1150 J/Kg/K et 1250 J/Kg/K. La paroi de régulation thermique 42 peut notamment être composée à 90% du matériau de base, à 4% de matériau à changement de phase 46 et à 6% de conduit de fluide réfrigérant 44
Selon une alternative de l’invention, les moyens de régulation thermique 10 du dispositif de régulation thermique 2 comprennent un système de refroidissement 48. Il convient de considérer que seules les caractéristiques du moyen de régulation thermiques 10 et les caractéristiques distinctes du premier mode et deuxième mode de réalisation de la paroi de régulation thermique 42 vont être décrites dans la suite de la description détaillée. Également, on comprend que dans un souci de clarté, les éléments constitutifs de la paroi de régulation thermique 42 selon le deuxième monde de réalisation n’ont pas été représentés, mais que le système de refroidissement 48 tel qu’il va être décrit, peut-être combiné à l’un ou l’autre des modes de réalisation de la paroi de régulation thermique 42.
Le système de refroidissement 48, visible à la figure 4, est configuré pour refroidir une des parois délimitant le boîtier 6. Plus particulièrement, le système de refroidissement 48 comporte un circuit de fluide caloporteur. La circulation de ce fluide caloporteur, notamment à basse température, permet le refroidissement de la paroi du boîtier 6 correspondante et ainsi la condensation du fluide diélectrique diphasique venant à son contact. Il convient de comprendre que le système de refroidissement 48 peut également être mis en œuvre lorsque le fluide diélectrique est monophasique, le système de refroidissement 48 ayant alors un rôle de refroidissement général du système de stockage électrique 1.
Tel qu’illustré à la figure 4, le système de refroidissement 48 peut être logé dans l’épaisseur du couvercle 16 du boîtier 6. Le couvercle 16 joue alors le rôle de paroi de refroidissement 50 grâce au fluide caloporteur circulant dans le système de refroidissement 48. Il convient de considérer que selon l’invention, le système de refroidissement 48 peut être ménagé dans l’une quelconque des parois du boîtier 6 tant que celle-ci est distincte de la au moins une paroi de régulation thermique 42.
Dans cet exemple de réalisation, le système de refroidissement 48 est représenté en pointillés sur la figure 4, et prend ici la forme d’un serpentin, de manière à permettre un refroidissement de l’ensemble de la surface de la paroi correspondante, ici le couvercle 16, et consécutivement un refroidissement du fluide diélectrique qui vient au contact de cette paroi après avoir été au contact des éléments de batterie 8.
Le système de refroidissement 48 présente ici la forme d’un conduit logé dans l’épaisseur d’une paroi, avec une arrivée de fluide 52 caloporteur et une sortie de fluide 54 caloporteur, chacune en communication fluidique avec le conduit définissant dans la paroi le système de refroidissement 48. L’arrivée de fluide 52 caloporteur est prévue pour permettre une admission d’un fluide caloporteur à l’intérieur du système de refroidissement 48, ou circuit de fluide caloporteur, tandis que la sortie de fluide 54 caloporteur est prévue pour permettre une évacuation du fluide caloporteur hors du système de refroidissement 48 de fluide caloporteur, et donc une évacuation des calories captées du fluide diélectrique. A cette fin, l’arrivée de fluide 52 est en communication fluidique avec une source d’alimentation en fluide caloporteur, qui peut consister tel que précisé précédemment en un réseau externe, non représenté, ou en un réservoir d’alimentation, non représenté et destiné à fournir ledit système de refroidissement 48 en fluide caloporteur.
On comprend qu’à partir d’une circulation du fluide caloporteur à l’intérieur du système de refroidissement 48, le fluide caloporteur est apte à refroidir la paroi de refroidissement 50, formée ici par le couvercle 16, pour la maintenir à une température inférieure à une température de condensation du fluide diélectrique, ce qui garantit qu’à son contact, le fluide diélectrique passe de son état de vapeur à un état liquide. Dans ce cas présent, la paroi de refroidissement 50 joue le rôle d’une paroi de condensation.
Le fluide caloporteur circulant dans le système de refroidissement 48 peut notamment consister en un liquide de refroidissement, par exemple de type eau glycolée, ou un fluide réfrigérant, et par exemple consister en de l’eau glycolée, du Ri34a ou du 12345^, ou bien encore du C02, sans que cette liste soit limitative.
De manière alternative à ce qui a été précédemment décrit, chacune des parois latérales 24 de la base 14 peut également former une paroi de refroidissement, équipée d’un circuit de refroidissement semblable à celui qui vient d’être décrit. Toujours de manière alternative et non représenté, la paroi de refroidissement peut consister en une paroi distincte du couvercle ou des parois de la base. La paroi de refroidissement pourrait à titre d’exemple non représenté, être positionnée entre une des parois du boîtier et les composants électriques ou électroniques. La paroi de refroidissement pourrait alors prendre la forme d’une plaque disposée parallèlement à la paroi correspondante.
L’invention atteint bien le but qu’elle s’était fixé en proposant, par des moyens simples à mettre en place, une régulation de la température d’éléments de batterie au moyen d’une paroi de régulation thermique composée au moins d’un matériau de base et additionnellement d’au moins un conduit de fluide réfrigérant et/ou d’au moins un matériau à changement de phase.
L’invention ne saurait toutefois se limiter aux moyens et configurations exclusivement décrits et illustrés, et s’applique également à tous moyens ou configurations, équivalents et à toute combinaison de tels moyens ou configurations.

Claims

Revendications
1. Dispositif de régulation thermique (2) pour au moins un composant électrique ou électronique (4) dont la température doit être régulée, ledit composant électrique ou électronique (4) étant notamment susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement, le dispositif de régulation thermique (2) comportant un boîtier (6) configuré pour loger le au moins un composant électrique ou électronique (4) et des moyens de régulation thermique (10) de ce composant électrique ou électronique (4) parmi lesquels au moins un dispositif de projection (28) de fluide diélectrique sur l’au moins un composant, le dispositif de régulation thermique (2) étant caractérisé en ce que le boîtier comporte au moins une paroi de régulation thermique (42) composée au moins d’un matériau de base et présentant une capacité thermique massique comprise entre 890 J/Kg/K et 1300 J/Kg/K.
2. Dispositif de régulation thermique (2) selon la revendication précédente, dans lequel la paroi de régulation thermique (42) est composée du matériau de base et d’au moins un conduit de fluide réfrigérant (44) ménagé dans l’épaisseur de la paroi de régulation thermique (42).
3. Dispositif de régulation thermique (2) selon la revendication précédente, dans lequel le matériau de base représente au moins 90% de la masse de la paroi de régulation thermique (42) et le conduit de fluide réfrigérant (44) représente entre 2% et 7% de la masse de la paroi de régulation thermique (42).
4. Dispositif de régulation thermique (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la paroi de régulation thermique (42) est composée du matériau de base et au moins d’un matériau à changement de phase (46) ménagé dans l’épaisseur de la paroi de régulation thermique (42).
5. Dispositif de régulation thermique (2) selon la revendication précédente, dans lequel le matériau de base représente au moins 90% de la masse de la paroi de régulation thermique (42) et le matériau à changement de phase (46) représente entre 1% et 5% de la masse de la paroi de régulation thermique (42).
6. Dispositif de régulation thermique (2) selon la revendication 2 à 5, dans lequel la paroi de régulation thermique (42) présente une capacité thermique massique comprise entre 1150 J/Kg/K et 1250 J/Kg/ J, le matériau de base représentant au plus 90% de la masse de la paroi de régulation thermique.
7. Dispositif de régulation thermique (2) selon la revendication précédente, dans lequel le matériau de base représente 90% de la masse de la paroi de régulation thermique (42), le matériau à changement de phase (46) représente 4% de la masse de la paroi de régulation thermique (42) et le conduit de fluide réfrigérant (44) représente 6% de la masse de la paroi de régulation thermique (42).
8. Dispositif de régulation thermique (2) selon l’une quelconque des revendications 2 à 7, dans lequel le conduit de fluide réfrigérant (44) et le matériau à changement de phase (46) s’étendent dans l’épaisseur (E) de la paroi de régulation thermique (42) sur une première distance (Di) correspondant à 5% d’une longueur (G) de la paroi de régulation thermique (42) et sur une deuxième distance (D2) prise dans l’épaisseur (E) de la paroi de régulation thermique (42) égale à 2mm.
9. Dispositif de régulation thermique (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le boîtier (6) comprend un réservoir de récupération (32) du fluide diélectrique et au moins une paroi latérale (24) bordant le réservoir de récupération (32), la paroi de régulation thermique (42) étant formé par la au moins une paroi latérale (24) du boîtier (6).
10. Dispositif de régulation thermique (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de régulation thermique (10) comprennent un système de refroidissement (48), parcouru par un fluide caloporteur et associé à une paroi de refroidissement (50) du boîtier (6), la paroi de refroidissement (50) étant distincte de la paroi de régulation thermique (42).
11. Dispositif de régulation thermique (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le boîtier (6) comprend une base (14) comprenant une paroi de fond (22) depuis laquelle s’étend une pluralité de parois latérales (24) qui définissent un logement (12) configuré pour loger le au moins un composant électrique ou électronique (4), le boîtier (6) comprenant également un couvercle (16) en recouvrement du logement (12), la au moins une paroi de régulation thermique (42) étant ménagée dans la base (14) du boîtier (6) et/ou dans le couvercle (16) du boîtier (6).
12. Dispositif de régulation thermique (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la paroi de régulation thermique (42) présente une épaisseur (E) comprise entre 3mm et 5mm.
13. Dispositif de régulation thermique (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau de base de la paroi de régulation thermique (42) est de l’aluminium.
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