Brevet FR2540278A1 — publié le 19840803

DISPOSITIF DE STOCKAGE D'ENERGIE THERMIQUE La présente invention concerne un dispositif de stockage d'énergie thermique dissipée par un équipement. La dissipation de puissances élevées par un équipement peut en perturber le fonctionnement Il est donc souvent nécessaire d'ab- sorber cette énergie afin d'assurer le contrôle de la température de fonctionnement C'est le cas des composants électroniques pour lesquels la puissance dissipée doit être absorbée très rapidement. Deux types de stockage d'énergie sont utilisés pour le refroi- dissement et le conditionnement d'équipements: Le premier type de réservoir thermique fonctionne sur le principe de l'accumulation d'énergie par "chaleur sensible": le stoc- kage de l'énergie est alors lié à la capacité calorifique d'une masse thermique, sans qu'il se produise un changement de phase. Toutefois, l'élévation de température de la masse thermique, provoquée par l'absorption d'énergie, n'est pas uniforme, ce qui diminue l'efficacité d'absorption De plus la température de condi- tionnement varie. Enfin un réservoir thermique utilisant l'accumulation par cha- leur sensible présente le plus souvent un poids et un volume importants, ce qui est préjudiciable à une application aéroportée par exemple. Le deuxième type de réservoir thermique fonctionne sur le principe de l'accumulation de l'énergie par "chaleur latente": Il se compose d'une enveloppe contenant un corps à chan- gement de phase En général initialement solide, le matériau fond en absorbant de l'énergie La fusion se produit à température constante si le matériau est un corps pur ou un eutectique. Cette solution présente l'avantage de ne pas modifier la température du conditionnement. Parmi les dispositifs connus appartenant à ce deuxième type, on peut citer les solutions proposées par les trois études suivantes pour résoudre un tel problème: 1) "Design Development and Space Qualification of a Proto- type Phase-Change-Material Device" Final Report E S A A. Abhat Stuttgart ( 06/76) 2) "Thermal Capacitor, Liquid Coolant to Phase Change Material Heat Exchanger for the NASA SKYLAB I AIRLOCK MODULE" Mc Donnell Douglas Astr C J Stafford St Louis ( 04/71) 3) "Thermal Control Through Fusible Materials" Motorola Aerospace Center V Duffy Arizona ( 07/70) Les deux premières études concernent la régulation thermique dans un satellite pour le maintien d'équipements a une température supérieure à 10 'C lors des cycles alternés soleil/ombre sur orbite. La troisième étude concerne la régulation thermique d'un équipement électronique embarqué dans un missile à 80 'C pendant mn de vol. Dans les trois cas, la puissance et le flux thermique dissipés sont respectivement de l'ordre de 80 W et 700 W/m Le corps fusible utilisé est de la paraffine à l'intérieur d'une structure en nid d'abeille afin de favoriser les échanges thermiques. Une telle solution utilisant une structure en nid d'abeille est inapplicable au cas o le flux thermique, donc le gradient thermique, est très élevé et o la puissance doit être absorbée en un temps très court, ce qui est par exemple le cas lors de la régulation thermique d'un émetteur état solide embarqué à bord d'un missile Dans ce cas précis la puissance électrique et le flux dissipés peuvent atteindre en effet respectivement 2500 W et 25000 W/m et la durée de fonctionnement exigée est de l'ordre de 50 secondes Or le nid d'abeille présente une résistance thermique élevée et par conséquent une médiocre conduction thermique et un gradient thermique impor- tant entre la source chaude et le corps fusible. La présente invention permet de remédier aux inconvénients précités et a pour objet un dispositif de stockage d'énergie par changement de phase d'un matériau permettant d'absorber très rapidement avec un faible gradient de température des flux ther- miques élevés dissipés par un équipement, ceci afin d'assurer son conditionnement thermique et le contrôle de sa température de fonctionnement à la température de changement de phase. Selon l'invention, le dispositif de stockage d'énergie thermique est un réservoir contenant un matériau à changement de phase auquel les flux de puissance sont transmis par l'intermédiaire d'une structure de transmission présentant une résistance thermique faible et une surface d'échanges thermiques optimisée avec le matériau à changement de phase. Selon l'invention, le dispositif de stockage d'énergie thermique dissipée par un équipement, comportant un réservoir fermé, réalisé en un matériau conducteur, en contact thermique intime avec Péquipement dissipant la puissance et rempli d'un matériau à chan- gement de phase auquel les flux thermiques sont communiqués par l'intermédiaire d'une structure de transmission contenue dans le réservoir, est caractérisé en ce que la structure de transmission, noyée dans le matériau à changement de phase, a une hauteur égale à l'épaisseur intérieure du réservoir, est fixée audit réservoir, et se compose d'ailettes conductrices en contact thermique avec les parois intérieures du réservoir et constituées par les plis d'une pluralité de bandes minces ondulées et juxtaposées. Un avantage du dispositif de stockage d'énergie selon l'inven- tion est une optimisation du poids et du volume. Un autre avantage de la présente invention est sa rigidité mécanique qui permet d'utiliser le dispositif comme support de composants électroniques ou comme cloison pour le système dans lequel il est incorporé. Un autre avantage de la présente invention est l'absence de pièce en mouvement donc un conditionnement fiable à une tempé- rature constante. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée faite ci-après avec référence aux figures ci- annexées qui représentent: Figs la à 1 d, les différents éléments formant une vue éclatée du dispositif de stockage d'énergie selon l'invention; Fig 2, un premier mode de réalisation de l'élément repré- senté par là figure 1 c; et Fig 3, un deuxième mode de réalisation de l'élément représenté par la figure l c. Ainsi qu'on l'a déjà mentionné, le problème posé est l'absorp- tion par un moyen statique, en un temps limité, d'un flux élevé de puissance dissipé par un équipement. Selon l'invention le moyen statique est un dispositif de stoc- kage d'énergie, ou réservoir, thermique contenant un matériau a changement de phase auquel les flux de puissance sont transmis par lintermédiaire d'une structure dite de transmission dont le rôle est de favoriser la conduction depuis l'enveloppe extérieure du réservoir vers le matériau à changement de phase et qui est donc fortement conductrice Etant donné le rôle qu'elle a à assumer, la structure de transmission présente une résistance thermique faible et, avec le matériau à changement de phase, une surface d'échanges thermiques très importante. Dans la suite de la description on appellera matériau PCM le matériau à changement de phase Son rôle est d'absorber la puis- sance dissipée par l'équipement sous forme de chaleur latente en maintenant une température voisine de la température de chan- gement de phase pendant la durée prévue. Le changement de phase peut être du type solide/gaz, li- quide/gaz ou solide/liquide. L'utilisation d'un matériau PCM à changement de phase so- lide/gaz ou liquide/gaz est peu souhaitable pour plusieurs raisons: 3 J L'augmentation non négligeable de la pression interne peut avoir des conséquences sur la rigidité du réservoir Le volume nécessaire à l'expansion du gaz implique un encombrement supérieur du réservoir De plus la transformation en gaz débutant au niveau des échanges thermiques entre la structure de transmission et le matériau PCM isole de par la présence du gaz en formation les ailettes du matériau PCM, ce qui a pour conséquence d'augmenter le gradient thermique entre celles-ci et le matériau PCM Il se forme donc un point chaud à la surface du réservoir, ce qui est justement à éviter. Selon un mode de réalisation préférentiel, on choisit donc un matériau PCM à changement de phase solide/liquide Les critères de choix sont indiqués dans la suite de la description. Les figures 1 a à 1 d représentent en une vue éclatée, les éléments mécaniques constitutifs du dispositif de stockage de flux thermique selon l'invention. L'enveloppe du réservoir a pour rôle de contenir le matériau PCM et la structure de transmission Elle est en contact thermique par ses faces avec l'équipement dissipateur d'énergie mais peut également supporter directement cet équipement L'enveloppe est par conséquent rigide Cette condition est en particulier indis- pensable lorsque sont implantés sur ses faces des composants électroniques qui doivent être maintenus fixes les uns par rapport aux autres La géométrie de l'enveloppe est de préférence adaptée à celle de l'équipement. Dans le mode de réalisation représenté par les figures 1 a à 1 d, l'équipement (non représenté) dissipe de l'énergie thermique sur l'une ou sur les deux faces 1, 2 d'une enveloppe en forme de cylindre peu épais Les deux faces 1,2 circulaires (Figs 1 a et 1 d) sont planes, parallèles et distantes de la hauteur nécessaire pour contenir le matériau fusible Une virole périphérique 4 (Fig 1 b) ferme le réservoir. Le diamètre intérieur Do de la virole 4 est égal au diamètre des faces supérieure et inférieure 1,2 et à celui de la structure de transmission qui, noyée dans le matériau PCM, est désignée par la référence 3 et est représentée schématiquement par la figure 1 c. Les dimensions du réservoir, donc de chaque élément, sont déterminées par le cas de fonctionraement prévu et défini par la puissance électrique dissipée par l'équipement, par la durée de fonctionnement, par le volume disponible pour ce réservoir, et par l'excursion admissible (en Oc) au-dessus du point de fusion. La forme circulaire des deux faces 1,2 n'est pas limitative et dépend, ainsi qu'on l'a déjà mentionné, de Péquipement qu'elles supporteront et du volume disponible. Le réservoir est destiné à être fermé définitivement après son remplissage avec le matériau PCM: Selon un mode de réalisation non limitatif, la paroi de la virole 4 présente deux percements 50, 60, diamétralement opposés et destinés à recevoir chacun un tube de remplissage 5,6 fixé de façon étanche à la virole 4 Une fois le réservoir rempli par le matériau PCM,ces ouvertures 50, 60 sont rebouchées afin de fermer hermé- tiquement le réservoir Le mode de remplissage sera décrit ulté- rieurement de façon détaillée. FABRICATION DU RESERVOIR Le réservoir thermique peut être réalisé par exemple de la façon suivante (dans le cas d'un réservoir cylindrique tel qu'illustré par les figures 1 a à 1 d): La structure de transmission 3 de hauteur h est d'abord fixée, par brasage au bain de sel par exemple, à deux tôles carrées ayant une certaine épaisseur e L'ensemble est ensuite découpé au dia- mètre D désiré Puis la virole 4 est elle-même découpée dans un tube dont le diamètre intérieur est D et dont le diamètre extérieur D et la hauteur H (= h+ 2 e) correspondent respectivement au diamètre et à la hauteur définitive du réservoir La virole 4 vient s'adapter à la périphérie de l'ensemble brasé et découpé 1, 2, 3 et est soudée sous argon aux faces 1 et 2 Le réservoir ainsi réalisé est rigide et indéformable en pression et en dépression Il est alors rempli puis bouché hermétiquement. CHOIX DU MATERIAU A CHANGEMENT DE PHASE Le matériau à changement de phase PCM est choisi selon un certain nombre de critères. En effet son rôle est d'absorber la puissance dissipée par léquipement (composants électroniques par exemple) sous forme de chaleur latente de fusion et de maintenir une température voisine de la température de fusion pendant la durée prévue. Le matériau ne doit pas être fondu pendant le stockage La température de fusion doit donc être supérieure à la température maximum de stockage et voisine de la température de fonction- nement prévue pour léquipement. Le matériau PCM doit présenter entre autres: une grande chaleur latente de fusion; une réversibilité complète de la transition solide/liquide; une grande conductivité thermique afin de limiter les gra- dients thermiques dans le matériau; une grande chaleur massique; une fiabilité de la solidification: il ne doit y avoir aucun retard à la solidification en dessous de la température de fusion; une expansion volumique la plus faible possible lors de la fusion; une faible pression de vapeur pour limiter la pression dans le réservoir lorsqu'on admet un volume de compensation; une facilité de mise en oeuvre en ce qui concerne la toxicité (pour les utilisateurs) et la corrosion (du réservoir, chimiquement inerte). un poids et un volume compatibles avec l'application à laquelle le réservoir est destiné. Le choix du matériau PCM doit correspondre à un compromis entre les caractéristiques techniques énoncées ci-dessus. Dans l'application dont il est question plus haut, à savoir la régulation thermique de composants électroniques à bord d'un mis- sile à une température de fonctionnement voisine de 800, le choix se porte de façon préférentielle mais non limitative sur l'acétamide (CH 3 CONH 2). DIMENSIONNEMENT DU RESERVOIR La structure de transmission 3, comme on l'a déjà mentionné, a pour rôle de favoriser la conduction de l'enveloppe du réservoir vers le matériau PCM Elle est de préférence métallique et la surface d'échanges thermiques qu'elle présente est suffisamment importante pour compenser la conductance médiocre dans le maté- riau PCM lui-même. Le flux à absorber par le réservoir exige une extension de la surface d'échange Ceci peut être réalisé par des "ailettes" perpen- diculaires aux faces supérieure et inférieure 1,2 du réservoir. Le problème de la réalisation de ces ailettes respectant un écartement qui permette de dissiper un flux très élevé et qui peut donc être très faible est déterminant et sera étudié et décrit plus en détail en référence aux figures 2 et 3. Une fois que le matériau PCM a été choisi, les dimensions du réservoir cylindrique et des ailettes' sont déterminées selon le principe suivant: On suppose la température du matériau PCM uniforme à la température de fusion, à l'instant initial t = O, ceci afin d'assurer un dimensionnement dans le cas le plus défavorable. Ainsi qu'on l'a déjà mentionné, les contraintes suivantes sont à la base du problème de régulation thermique à résoudre: la puissance P dissipée (en watts), le temps de dissipation to (en secondes), la surface A de chaque face du réservoir (en m) et l'excursion de température T (en 'c) admissible au-dessus du point de fusion Tfsont donnés. Il est possible d'optimiser, grâce à un modèle mathématique non décrit ici, le compromis entre le volume engendré par l'exten- sion de la surface de transmission par les ailettes et les différentes données précitées en considérant comme paramètres les constantes thermodynamiques des matériaux choisis pour le réservoir et le corps à changement de phase PCM. REMPLISSAGE DU RESERVOIR Le remplissage du réservoir se fait après l'assemblage complet de celui-ci. Le matériau PCM est introduit à l'état liquide à la tempé- rature maximum d'utilisation afin d'éviter une dilatation du maté- riau supérieure au volume du réservoir Pour permettre un remplis- sage uniforme du volume intérieure du réservoir par l'intermédiaire des tubes de remplissage 5; 6, les cellules formées par les ailettes de la structure de transmission 3 doivent communiquer entre elles. Dans le cas o le matériau PCM est très fluide à l'état liquide (cas de l'acétamide par exemple), les trous de communication peuvent être très réduits. Le réservoir rempli est fermé définitivement au niveau des ouvertures de remplissage 50, 60 La masse de matériau PCM incluse subit des variations volumiques dues à la dilatation ther- mique et à l'expansion au cours du changement de phase. La capacité du réservoir doit être prévue à partir de la masse volumique à la température de remplissage. A l'état solide, le matériau PCM est contracté et il existe un vide de retrait dans le réservoir Afin d'assurer une répartition homogène du vide de retrait à l'intérieur du réservoir, les orifices de communication entre cellules sont réalisés à proximité de la face du réservoir sur laquelle la solidification a lieu le plus tôt Ils sont ainsi obstrués rapidement par le matériau solidifié. La structure "à ailettes" est, de façon préférentielle mais non limitative, réalisée dans le même matériau métallique que l'enve- loppe du réservoir Le métal de l'enveloppe doit être surtout bon conducteur afin de répartir sur toute la surface du réservoir l'énergie dissipée: En effet dans le cas de composantes électro- niques par exemple, la position des composants peut engendrer une dissipation irrégulière de puissance sur la face De même le métal constituant les "ailettes" doit être très bon conducteur afin de transmettre au mieux ce flux thermique au matériau PCM. Selon les applications, le choix se porte principalement sur le cuivre ou l'aluminium pour des raisons de poids et de compatibilités électrochimiques avec les matériaux utilisés pour les équipements voisins ou avec le matériau PCM lui-même. MODES DE REALISATION DE LA STRUCTURE DE TRANS- MISSION La structure 3 à ailettes peut, étant donné les considérations pratiques précédentes, présenter les modes de réalisation préféren- tiels mais non limitatifs illustrés par les figures 2 et 3. Selon la figure 2, la structure 3 est constituée par une onde "plissée": Une feuille mince est pliée mécaniquement en accordéon avec un certain pas et sur une hauteur h correspondant à l'épaisseur intérieur du réservoir de façon à pouvoir être fixée à la paroi de celui-ci Cette technique de pliage permet d'obtenir des pas très faibles jusqu'à 1,16 mm avec une feuille d'épaisseur 0,2 mm. Pour faire communiquer les cellules entre elles, condition indispensable au remplissage du réservoir, deux ondes plissées juxta- posées 71,72 sont décalées latéralement l'une par rapport à l'autre. Ce mode de réalisation permet d'obtenir un bon contact métallique par brasage et par conséquent une bonne conduction thermique. Selon la figure 3, la structure 3 est constituée par une onde découpée en bandes de largeur h adaptée à l'épaisseur intérieure du réservoir de façon à pouvoir fixer les bandes à la paroi de celui-ci. Les bandes 70 sont pliées, posées sur la tranche et juxtaposées de façon à remplir le volume du réservoir (en cercles concentriques par exemple dans le cas d'un réservoir cylindrique). Cette deuxième solution est plus délicate technologiquement mais apporte une meilleure réponse à l'adaptation dimensionnelle et à l'isolement des cellules à la solidification De plus la souplesse de l'onde permet de s'adapter à des formes variées Le découpage de l'onde en bandes de largeur h permet de choisir l'épaisseur indépen- damment des standards de pliage. Enfin, pour répondre à l'exigence de communication des cel- lules, on pratique des rainures 7 sur la tranche de l'onde, de chaque c 8 té, les orifices ainsi pratiqués se trouvant placés à proximité des faces du réservoir. Cette deuxième solution présente une plus faible surface de contact entre l'onde et les faces du réservoir et une moins bonne planéité de la structure de transmission "à ailettes" 3 Le brasage de l'onde sur tranche (Fig 3) est donc plus délicat que celui de l'onde plissée de la figure 2. Le découpage des bandes peut se faire par électro-érosion, ce qui assure une tolerance très faible sur les hauteurs h de la structure 3. Selon un mode de réalisation préférentiel particulièrement destiné à une application aéroportée, la structure de transmission 3 est constituée d'ondes plissées (Fig 2) fabriquées à partir de feuilles d'aluminium d'épaisseur 0,2 mm Les plis sont au nombre de 22 tous les 25,4 mm et ont une hautaur h = 12,7 mm Le matériau à changement de phase PCM est de l'acétamide dont la température de fusion est de 810 C. L'enveloppe extérieure du réservoir cylindrique est en alu- minium également Les faces 1 et 2 ont chacune une épaisseur e = 0,8 mm Les diamètres extérieur et intérieur de la virole sont respectivement D = 250 mm et Do = 238 mm. Les résultats obtenus sont les suivants: Le flux absorbé s'élève à 25400 W/m 2 pendant 60 secondes La température de départ étant de 700 C environ, la température à la surface du réservoir n'augmente que de 180 C. On a ainsi réalisé un réservoir capable d'absorber des flux thermiques extrêmement importants tels que ceux dissipés par un équipement électronique, un émetteur "état solide" par exemple. De plus, étant léger peu encombrant, il est particulièrement destiné aux applications aéroportées. REVENDICATIONS 1 Dispositif de stockage d'énergie thermique dissipée par un équipement, comportant un réservoir fermé ( 1, 2, 4), réalisé en un matériau conducteur, en contact thermique avec l'équipement dis- sipant la puissance et rempli d'un matériau à changement de phase (PCM) auquel les flux thermiques sont communiqués par l'inter- médiaire d'une structure de transmission ( 3) contenue dans le réservoir, caractérisé en ce que la structure de transmission ( 3), noyée dans le matériau à changement de phase (PCM), se compose d'ailettes conductrices de, chaleur, qui ont une hauteur égale à l'épaisseur intérieure (h) du réservoir ( 1, 2, 4), qui sont en contact thermique intime avec les parois intérieures du réservoir ( 1,2) et qui sont constituées par les plis d'une pluralité de bandes minces ( 71, 72, ) ondulées et juxtaposées. 2 Dispositif de stockage d'énergie thermique selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que les bandes ( 71, 72) sont disposées de façon telle que les plis ont une hauteur (h) égale à l'épaisseur intérieure du réservoir ( 1, 2, 4). 3 Dispositif de stockage d'énergie thermique selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce que chaque bande ondulée ( 71) est -20 décalée latéralement par rapport à la bande ondulée voisine ( 72) de façon à faire communiquer entre eux les différents compartiments formés par les plis desdites bandes ( 71, 72) et la paroi intérieure du réservoir. 4 Dispositif de stockage d'énergie thermique selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que, après avoir été plissées, les bandes conductrices ( 70), de largeur (h) égale à l'épaisseur intérieure du réservoir ( 1, 2, 4), sont disposées de façon à être fixées par leur tranche sur la paroi intérieure du réservoir. Dispositif de stockage d'énergie thermique selon la reven- dication 4, caractérisé en ce que chaque compartiment, formé par un pli d'une bande ( 70) et les parois ( 1, 2) du réservoir, est mis en communication avec les compartiments voisins par des orifices ( 7) pratiqués sur les deux tranches de chaque bande ( 70) sur toute l'épaisseur de la bande. 6 Dispositif de stockage d'énergie thermique selon l'une quel- conque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau (PCM) remplissant le réservoir est à changement de phase solide- liquide, le réservoir étant rempli à la température maximum d'uti- lisation avec le matériau PCM en phase liquide. 7 Dispositif de stockage d'énergie thermique selon l'une quel- conque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le réservoir ( 1, 2, 4) et la structure de transmission ( 3) sont métalliques. 8 Dispositif de stockage d'énergie thermique selon la reven- dication 7, caractérisé en ce que la structure de transmission ( 3) est fixée au réservoir ( 1, 2, 4) par brasage. 9 Dispositif de stockage d'énergie thermique selon les reven- dications 6 et 7, caractérisé en ce que le réservoir ( 1, 2, 4) et la structure de transmission ( 3) sont en aluminium et le matériau (PCM) à changement de phase de l'acétamide. Dispositif de stockage d'énergie thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le réservoir ( 1, 2, 4) est cylindrique et d'épaisseur constante, l'équi- pement dissipant la chaleur étant porté par l'une et/ou l'autre des deux bases ( 1, 2) du cylindre.