Brevet FR2413624A1 — publié le 19790727

L'invention concerne une installation de refroidissement par changement de phase et notamment une installation de refroidissement par changement de phase applicable à des circuits électroniques. Il est connu de refroidir des circuits électroniques ou des composants contenus dans une enceinte en utilisant la chaleur de vaporisation d'un fluide dans lequel baignent les composants à refroidir. Une telle installation est notamment représentée à la figure 1. Cette installation se compose d'une enceinte 1 entourant, au moins part#iellement, l'élément 2 à refroidir. L'élément a baigne dans un liquide 3. L'enceinte 1 comporte dans sa partie supérieure un condenseur 5. Le liquide, qui se vaporise au contact de l'élément 2 à refroidir, passe à l'état de vapeur 4 qui se recondense à la surface du condenseur 5. Le condensat retombe dans le liquide 3. Le condenseur 5 peut être parcouru par un second fluide de refroidissement, tel que de l'eau. Il peut également s'agir simplement d'une plaque échangeant la chaleur avec l'air ambiant par rayonnement et convection. Le principal inconvénient d'une telle installation est sa très grande sensibilité à la pénétration de l'air ambiant dans l'enceinte 1. En effet, l'enceinte 1 étant purgée d'air, le liquide caloporteur est uniquement surmonté d'une phase de vapeur saturante. La pression P qui règne dans l'enceinte 1 est celle de la vapeur saturante à la température de l'enceinte. Il règne alors une dépression intérieure tendant à faire pénétrer l'air extérieur dans l'enceinte au niveau des joints, des soudures, etc... Or, l'air qui se trouve dans l'enceinte 1 détériore le rendement thermique de l'installation. Comme il n1 est pas possible, en pratique, de réaliser un circuit totalement hermétique, de l'air pénètre nécessairement dans le circuit et les performances diminuent progressivement.A partir d'un certain moment, le rendement thermique est suffisamment mauvais pour nécessiter une purge de l'installation. Or, une telle purge est une opération relativement délicate à effectuer et risque d'entrainer une perte en vapeur de fluide caloporteur. La présente invention a pour but de créer une installation de refroidissement par changement de phase qui soit de construction simple, présentant un fonctionnement efficace et permettant de simplifier les opérations de purge sans entraîner de pertes notables de fluide caloporteur. A cet effet, l'invention concerne une installation du type ci-dessus, caractérisée en ce que l'enceinte est reliée à un vase d'expansion par l'intermédiaire d'une soupape tarée à une pression d'ouverture déterminée dépendant de la nature du fluide caloporteur et de la température maximale autorisée dans l'enceinte et/ou sur l'élément à refroidir, ce vase d'expansion étant muni d'un moyen d'évacuation du contenu du vase d'expansion. Le vase d'expansion constitue un moyen permettant de piéger l'air contenu dans l'enceinte. Le développement du vase d'expansion 6 donne une indication sur la quantité d'air contenue dans ce vase d'expansion. Lorsqu'on atteint une limite raisonnable, il convient alors de vider ce vase d'expansion en laissant s'échapper l'air qu'il contient. Si cette opération est effectuée après un temps de repos suffisant du dispositif, la plus grande partie de la vapeur de fluide caloporteur s'est alors condensée. La perte de vapeur du fluide caloporteur est alors extrêmement faible. L'opération de purge se fait dans des conditions extrêmement simples puisqu'il suffit d'ouvrir un robinet. De plus, l'installation fonctionne de façon à se régler automatiquement. En effet, des que la quantité d'air contenue dans 1' enceinte dépasse une certaine valeur et que la température augmente par suite d'une augmentation de la dissipation thermique de l'élément 2 à refroidir, l'élévation de la pression de l'enceinte commande l'ouverture automatique de la soupape. L'air qui passe alors dans le vase d'expansion réduit la quantité d'air du circuit de refroidissement proprement dit dont le rendement calorifique augmente. La quantité de chaleur évacuée augmente alors que la température se stabilise et le dispositif fonctionne dans de meilleures conditions. Lorsque la température diminue par suite d'une réduction de la dissipation thermique de l'élément 2 à refroidir, la diminution de la pression dans l'enceinte entraîne la fermeture de la soupape. L'air ainsi emprisonné peut être purgé avant l'ouverture suivante de la soupape ou être stocké dans le vase d'expansion jusqu'a ce que le volume d'air contenu dans le vase d'expansion atteigne une valeur déterminée, nécessitant une purge. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide des dessins annexés, dans lesquels La La figure 1 est un schéma d'une installation de refroidissement par changement de phase, selon l'art antérieur; - La figure 2 est un schéma analogue à celui de la figure 1 d'une installation de refroidissement par changement de phase selon l'invention. Selon la figure 2, l'installation de refroidissement par changement de phase de l'invention se compose d'une enceinte 1 entourant, au moins partiellement, l'élément 2 à refroidir. Le liquide de refroidissement 3 contenu dans l'enceinte l se vaporise en recevant la chaleur de l'élément 2 à refroidir et la vapeur 4 ainsi formée se refroidit et se condense en transmettant sa chaleur au condenseur Le condensat retombe dans le liquide 3. Un vase d'expansion 6 est relié à l'enceinte par une conduite 7 munie d'une soupape 8 coopérant avec un siège de soupape 9. La queue 10 de la soupape 8 est soumise à l'action d'un ressort de rappel ll maintenant la soupape 8 appliquée contre son siège 9 aussi longtemps que la pression qui règne dans l'enceinte 1 est inférieure d'une valeur prédéterminée à celle qui règne dans le vase d'expansion 6. Le vase d'expansion 6 est également muni d'un purgeur schématisé par un tube 12 et un robinet 13. L'installation décrite ci-dessus fonctionne comme suit L'élément 2 à refroidir dissipe une puissance thermique Oc. Entre l'élément 2 et le fluide caloporteur 3 en ébullition, la résistance thermique est 5 #ce. En l'absence d'air dans l'enceinte, la température de l'élément 2 est Tc, la température du fluide 3 est Te. La quantité de chaleur échangée entre l'élément 2 et le fluide 3 est donnée par la relation (1) Tc - Te = Sce Qc. Le condenseur 5 est à une température Tf fixée. La vapeur 4 du fluide caloporteur en contact avec le condenseur est à une température Tv. Entre la vapeur 4 et le condenseur 5, la résistance thermique est 3vf. Le principe du dispositif est de fournir au condenseur 5 la totalité de la puissance Qc dissipée par l'élément 2. Il existe alors la relation Tv - Tf = Svf Qc (2). La pression en tout point de l'enceinte est la pression de vapeur saturante du fluide caloporteur. La pression de la vapeur saturante ne dépend que de sa température. Comme en première approximation, la pression intérieure à l'enceinte est uniforme, la température est également uniforme. Il résulte que la température de la vapeur Tv est égale à la température du liquide Te, Tv = Te (3). La relation (2) Tv - Tf = evf Qc est alors équivalente à la relation (4) Te - Tf = Svf Oc. La relation (1) Tc - Te = Sce Oc permet de déterminer la température Te de l'élément 2 connaissant la température Tf du condenseur par la relation (5) obtenue en substituant la grandeur Te donnée par la relation (4) dans la relation (1) Tc = Tf + (#vf +$ce) Oc (5). Lorsque l'enceinte contient de l'air, la température de l'élément 2 est Tcl, la température du fluide 3 est Tel. La vapeur est produite à la température Tel. On admet qu'il n'y a pas d'air à la surface du liquide 3 car cet air est chassé par la vaporisation. La pression à la surface du liquide 3 est par conséquent la pression Pv (Tel) de la vapeur saturante à la température Tel à laquelle elle est produite. La pression dans l'enceinte est approximativement uniforme. La pression totale à la surface du condenseur 5 a par conséquent la même valeur Pv (Tel). A la surface du condenseur 5, la température de la vapeur est Tvl. La pression partielle de la vapeur est la pression de vapeur saturante Pv (Tvl) à la température Tvl. La pression totale Pv (Tel) est la somme de la pression partielle de la vapeur Pv (Tvl) et de la pression partielle de l'air Pa. Il existe par conséquent la relation Pv (Tel) = Pv (Tvl) + Pa (6). La pression de la vapeur saturante étant liée uniquement à sa température, la relation (6) équivaut à Tel = Tvl + KPa (7). Dans cette relation, KPa est d'autant plus grand que la pression partielle de l'air est plus importante. Donc, la température Tel du liquide est supérieure à la température Tvl de la vapeur d'une quantité d'autant plus importante que la quantité d'air contenue dans l'enceinte est plus grande La température Tvl de. la vapeur et la température Tf du condenseur sont liées par la relation Tvl - Tf = g vf Qc (8). La température Tel du liquide et la température Tvl de la vapeur sont liées par la relation Tel =-Tvl + KPa (7). Il existe entre la température Tcl de l'élément à refroidir et la température Tel du liquide, la relation Tcl - Tel = fce Oc (lu). Il existe par conséquent entre la température Tcl de l'élément à refroidir et la température Tf du condenseur, la relation Tcl = Tf + vf + 5ce) Oc + KPa (11). Cette relation montre que la température Tcl de l'élément 2 est d'autant plus élevée que la quantité d'air contenue dans l'enceinte est plus importante. Le principe du dispositif de refroidissement est de limiter la température de l'élément 2 à une valeur prédéterminée TcM en échangeant la chaleur qu'il produit avec le condenseur 5 dont la température est Tf. L'élément 2 atteint la température maximale ToM lorsque la quantité d'air contenue dans l'enceinte atteint la valeur maximale à ne pas dépasser. Il existe alors la relation TcM = (gvf + ssce) Oc + Tf + KPAM (12), KPAM étant la valeur que prend le nombre KPa lorsque la quantité maximale d'air pouvant être tolérée dans l'enceinte est atteinte. L'élément 2 atteint la température maximale TcM quand le liquide 3 atteint une température TeM déterminée par la résistance thermique Sce et la puissance thermique dissipée Oc car il existe la relation TcM - ToM = #ce Oc (13). Il a été dit que la pression dans l'enceinte dépend uniquement de la température du liquide en ébullition. En particulier, lorsque la température du liquide 3 atteint TeM, la pression dans l'enceinte atteint une valeur PM = Pv (TeM). Po désignant la pression atmosphérique qui règne dans le vase d'expansion, la soupape est tarée pour s'ouvrir sous une pression différentielle PM - Po. Lorsque la pression dans l'enceinte atteint PM, la soupape qui est soumise sur son autre face à la pression atmosphérique Po s'ouvre. Il s'échappe alors, dans le vase d'expansion de l'air mélangé à la vapeur du fluide caloporteur. Par suite, la quantité d'air contenue dans l'enceinte diminue. La pression à l'intérieur du vase est Po, la pression dans l'enceinte est PM, la différence entre ces deux pressions étant la cause de la fuite du mélange d'air et de vapeur qui se produit de l'enceinte 1 vers le vase d'expansion 6. La pression dans l'enceinte ne pouvant dépasser PM, la température du liquide 3 ne peut dépasser TeM. Il en résulte que la température du composant ne peut dépasser TcM. Si, lors de la mise en route de l'installation, l'enceinte 1 contient une quantité d'air trop importante pour permettre un fonctionnement correct selon le dispositif connu de la figure 1, le dispositif selon l'invention de la figure 2 fonctionne de la manière suivante Sous l'effet de la dissipation thermique de l'élément 2 à refroidir, la température de l'élément 2 et la température du liquide 3 augmentent simultanément. Lorsque la température de l'élément 2 atteint la valeur TcM, la température du liquide 3 atteint la valeur TeM et la pression dans l'enceinte atteint la valeur PM. La soupape 8 s'ouvre et il s'échappe dans le vase d'expansion un mélange composé d'air et de vapeur saturante.Par suite, la quantité d'air contenue dans l'enceinte diminue et revient progressivement à une valeur pour laquelle le rendement thermique de l'installation est suffisant. Ceci est caractérisé par ce que la température du liquide 3 et la pression dans l'enceinte n'ont plus tendance à augmente. De ce fait, la soupape 8 se referme alors que les températures et la pression conservent leurs valeurs. Lorsqu'à un certain moment, la puissance calorifique dissipée par l'élément 2 diminue, la pression régnant' dans l'enceinte 1 diminue également et la soupape 8 est appliquée sur son siège 9 par le ressort 11. Le mélange de gaz et de vapeur contenu dans le vase d'expansion 6 se refroidit progressivement et la vapeur du fluide caloporteur contenue dans le vase d'expansion 6 se condense et se recueille autour du siège 9 et de la soupape 8. Pour une certaine température de refroidissement, pratiquement toute la vapeur de fluide caloporteur est de nouveau condensée à l'état liquide et le vase d'expansion 6 ne contient plus que de l'air. Si, à la suite de cela, l'élément 2 dissipe de nouveau une forte puissance calorifique et que, par le fait des fuites, la quantité d'air contenue dans l'enceinte est de nouveau trop importante, le fonctionnement décrit ci-dessus peut se répéter. Une nouvelle quantité d'un mélange d'air et de vapeur de fluide caloporteur pénètre le vase d'expansion 6. Lors de l'ouverture de la soupape 8, le précédent condensat de fluide caloporteur revient dans l'enceinte 1. Puis la soupape 8 se referme de nouveau, la vapeur de fluide caloporteur se condense et il ne subsiste comme gaz dans le vase d'expansion 6 que de l'air à la pression atmosphérique. Lorsqu'une certaine quantité d'air est contenue dans le vase d'expansion 6, on procède à la purge de ce vase. Cette purge est effectuée lorsque le dispositif est complètement refroidi, de façon que la vapeur de fluide caloporteur soit complètement recondensée. Le vase d'expansion 6 offre, en outre, l'avantage de constituer un moyen diindication du volume d'air contenu dans le dispositif et par suite de la nécessité d'une purge qui se limite à la purge du vase d'expansion 6. L'invention s'applique au refroidissement d'éléments très divers et notamment de composants électroniques. REVENDICATIONS 10) Installation de refroidissement par changement de phase et notamment une installation de refroidissement comprenant une enceinte (1) reliée à élément (2) à refroidir ou l'entourant et contenant ou étant en communication avec un condenseur (5), l'enceinte (1) contenant un liquide (3) se vaporisant en prenant de la chaleur à élément (2) à refroidir, pour passer à l'état de vapeur (4), se recondenser au contact du condenseur (5) et revenir à l'état de liquide, installation caractérisée en ce que l'enceinte est reliée à un vase diexpansion (6) par l'intermédiaire d'une soupape (8, 9) tarée à une pression d'ouverture déterminée dépendant de la nature du fluide caloporteur et de la température maximale autorisée dans l'enceinte et/ou sur l'élément (2) à refroidir, ce vase dçexpansion étant muni d'un moyen (12, 13) d'évacuation du contenu du vase d'expansion. 20) Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la soupape est rappelée en position de fermeture par un ressort tare. 30) Installation selon la revendication l, caractérisée en ce que le moyen d'évacuation du vase d'expansion est constitué par un tube (12) muni d'un robinet (13).