Brevet FR2660062A1 — publié le 19910927

L'invention concerne un dispositif permettant une régulation de température de précision pour un liquide de refroidissement destiné a refroidir des appareils de faible puissance Le refroidissement des appareils fonctionnant l'électricité implique la dissipation de la part de l'énergie électrique transformée en chaleur; la variation de température des composants de ces appareillages, notamment lorsqu'il s'agit de composants électroniques7 entrain une modification des caractéristiques de fonctionnement qu'il importe de contrôler.S'il s'agit7 a titre d'exemple7 d'un laser7 il est indispensable qu'en cours de travail l'appareil soit parfaitement régulé en température pour que ses performances restent constantes pendant la mEme séquence de travail; une des fanons d'y arriver est de le refroidir au moyen d'un liquide a température constante circulant a débit constant7 au voisinage immédiat des zones a refroidir7 pour que la différence de température, entre l'entrée et la sortie, soit la plus constante possible lorsque l'appareil fonctionne a puissance constante; la définition d'une température constante au sens de l'invention est que sa variation n'est pas décelable avec les moyens de mesure disponibles dans l'installation7 et n'a pas de conséquences sur le fonctionnement de l'installation a refroidir. Suivant le niveau de la température a réguler, les moyens a mettre en oeuvre sont complètement différents et si les sources de froid primaires restent les mêmes, c'est-a dire principalement l'eau et l'air7 le nombre d'étages de l'installation varie. Plus particulièrement lorsqu'vil s'agit de réguler une température de liquide située entre ZOvC et une température voisine mais inférieure de la température d'ébullition de l'eau sous la pression atmosphérique7 l'utilisation de l'eau du réseau d'eau de ville est bien adaptée; seulement sa température varie suivant les saisons7 les conditions d'échange peuvent varier dans le temps pour de multiples causes, dont le dépit sur les parois des échangeurs de sels minéraux7 ou de corps étrangers tels que des sables.Pour remédier a cet inconvénient dans une installation classique7 on utilise un échangeur avec de l'eau de ville dans le compartiment primaire et un liquide de refroidissement dans le compartiment secondaire; on constitue ensuite une boucle de régulation qui consiste à placer sur le circuit secondaire7 a un emplacement choisi en fonction de la précision recherchée7 un système de mesure de la température7 qui compare la température du liquide de refroidissement à une plage de température de référence fixe ou réglable et qui transmet des informations permettant de faire varier de manière continue ou discontinue le débit d'eau sur le circuit primaire. Dans la plage de température admise, les ordres peuvent etre donnés7 suivant des lois pré-établies, a une vanne qui s'ouvre plus ou moins.Suivant la sophistication du systèmes on peut avoir des vannes qui fonctionnent en "tout ou rien", ou des vannes a ouverture proportionnelle, dont le niveau d'ouverture est définie a intervalle de temps régulier, en fonction de la température lue ss un instant précis, ou des vannes a ouverture proportionnelle intégrale dérivée7 dites P.l.D qui prennent en compte les mesures précédentes et le niveau de température dans la plage pour réaliser un lissage. En effet, compte tenu de l'inertie thermique des systèmes, il y a un décalage entre l'ordre donné en fonction de la température observée et l'effet correspondant; on constate alors des oscillations de température qui sont inacceptables pour l'application.On peut chercher a y remédier en élaborant le système pour, par exemple, en réduire l'inertie thermique, ou en rajoutant des points de mesure qui permettent d'anticiper les variations de température; mais la sophistication de ces systèmes est conteuse et n'est pas toujours envisageable car il n'existe pas toujours sur le marché, de matériel adapté r notamment des vannes; ou bien celles qui existent sont trop chères pour le type d'installation a refroidir. L'invention apporte une solution au problème de régulation de température capable de garantir, a l'entrée du système a refroidir, une température située à l'intérieur d'une plage de température définie a l'avance mais qui7 pour une puissance a dissiper donnée reste constante7 c'est a dire que ses variations ne sont pas décelables par les moyens de mesure disponibles sur l'installation; plus particulièrement pour une installation destinée a refroidir un LNSER à barreau solide t'YG" d'une puissance de quelques centaines de Watt, une installation selon l'invention peut garantir une température à plus ou moins un dixième de degré par rapport à une température affichée, et des oscillations inferieures au dixième de degré. L'invention a7 en outre, l'avantage d'utiliser un matériel simple, robuste et bon marché. La Fig.1 représente un schéma simplifié de l'installation ramenée aux seuls éléments indispensables à la compréhension du fonctionnement du dispositif. La Fig.2 est un graphique portant en ordonnée la température et en abscisse le temps en secondes; il montre l'évolution de la température à la sortie (11) Fig.1 de l'échangeur (3) en cours de fonctionnement pour une puissance évacuée de 4000W dans un échangeur pouvant évacuer un maximum de 6000W. La Fi.8 est un graphique du me me type que le précédent pour une puissance évacuée de BOOM. La Fig.4 est un graphique du me me type que le précédent pour une puissance évacuée de 5000W. Nous allons nous attacher a décrire seulement les éléments de l'installation qui sont indispensables à la compréhension de son principe de fonctionnement. Il va sans dire que les sections de passage des conduits doivent être adaptées aux débits des fluides caloporteurs qui sont nécessaires à l'évacuation des calories; cela résulte de techniques parfaitement connues. Lwinstallat-ion de régulation de température d'un liquide de refroidissement7 comprend un circuit primaire (1) Fig.17 et un circuit secondaire (2 > 7 couplés par un échangeur (3). Le circuit primaire (1) est alimenté en fluide caloporteur qui peut êtrè de I'eau de ville ou tout autre source d'eau sous pression dont la température est notablement plus basse que la température du liquide caloporteur du circuit secondaire (2) à réguler, ou bien7 un fluide réfrigérant qui agit par évaporation au niveau du compartiment primaire de l'échangeur (3); nous considérons pour la suite des explications que le circuit primaire est refroidi à l'eau de ville et que la température a réguler est supérieure à ZO C et inférieure à ROOtC; le circuit primaire comprend une électrovanne (4) fonctionnant en "tout ou rien" qui est susceptible couper ou de laisser passer la totalité du débit d'eau dans l'échangeur (3 > 7 suivant quelle est ou non excitée par un courant électrique.Le circuit secondaire (2) contient le liquide de refroidissement qui peut être de l'eau déminéralisée pour éviter les dépôts au niveau des zones à refroidir (5 > ; le liquide de refroidissement traverse l'échangeur (3) dans lequel il cède sa chaleur au circuit primaire (?), a la sortie de cet échangeur (3 > , une sonde de température (6) mesure la température qui est transmise à une unité de traitement (7) qui en fonction de la mesure excite ou non l'électrovanne (4) du circuit primaire (1)7 ensuite il débouche dans un bac de lissage de température (8) dont nous décrirons la fonction plus loin; puis une pompe (9) aspire le liquide de refroidissement à la base de ce bac de lissage de température t8) pour l'envoyer dans le système à refroidir (5) qui est pressurisé ainsi que toute la suite du circuit secondaire (2) jusqu'à son retour (35) dans le bac de lissage de température (8); lorsque le liquide de refroidissement ressort du système à refroidir (5 > 7 en ayant absorbé de la chaleur, il est- envoyé directement à l'entrée de l'échangeur (3) dans lequel il cède ses calories à l'eau du circuit primaire (1). Dans une variante de l'invention le bac de lissage de température (8) fonctionne à la pression atmosphérique7 la pompe (9) est par conséquent en permanence en charge à l'aspiration (10), et cela à une hauteur de colonne d'eau constante qui est sensiblement égale à la hauteur d'eau équivalente dans le bac de lissage de température (8), ce qui évite de nombreux problèmes de variation de débit.Nous allons décrire maintenant le fonctionnement de l'installation; l'hypothèse de départ7 pour faciliter la compréhension, est que la quantité de calories à évacuer est sensiblement constante pendant la période considérée et la température à l'entrée (12) du liquide de refroidissement dans l'échangeur (3) est sensiblement constante pour un régime de fonctionnement donné.Dans un premier temps, l'électrovanne (4) est fermée en fin d'un cycle de circulation d'eau dans le circuit primaire (1); la fermeture de l'électrovanne (4) a été provoquée par ce que la sonde de température (6) à la sortie ( du compartiment secondaire de l'échangeur (2) indiquait que la limite de température basse (14) Fig.2 de la plage de consigne (13) était atteinte; la température du liquide de refroidissement à la sortie ( Fig.1 de l'échangeur (3) monte progressivement a une vitesse qui dépend de la vitesse de réchauffement de l'eau du compartiment primaire de l'échangeur (3), et de la puissance à dissiper;Lorsque le liquide de refroidissement atteint, au niveau de la sonde (6), la température haute (15) Fig.2 de la plage de consigne (13 > 7 l'ordre est donné par l'unité de traitement (7) Fig.1 d'ouvrir l'électrovanne (4) et l'eau recommence à circuler dans le circuit primaire (1); progressivement la température du liquide de refroidissement sortant de l'échangeur (3) s'abaisse; lorsque la température basse (16) Fig.2 de la plage de consigne (13) est atteinte l'électrovanne (4) Fig.1 est a nouveau fermée et le cycle de réchauffement précédemment décrit recommence; le temps d'abaissement de la température dépend du volume du compartiment primaire et donc du temps de renouvellement du liquide. Pour fier les idées, nous avons modélisés dans ce qui suit, l'installation.Supposons que la plage de consigne (13) Fig.2 soit de O,2 C, que la puissance à évacuer7 sous forme de chaleur, varie entre 800W et 5000W, que le débit du circuit secondaire (2) soit de 10 I/mn et qu'on pose par hypothèse que la capacité d'échange de l'échangeur (3) soit de 6000W à pleine puissance; l'élévation de température dans le circuit secondaire (2) de refroidissement à la sortie (17) du système à refroidir (5), dans l'hypothèse ou le liquide de refroidissement est de l'eau, est environ de 1,1 C pour une puissance a dissiper de 800W et 5,7 C environ pour une puissance à dissiper de 4000W.Si on suppose, pour simplifier, que l'écart de température moyen entre les circuits primaire (1) et secondaire (2) est de 20 C, cela donne un coefficient global d'échange de l'ordre de 300W/0C; Si le volume du compartiment primaire de l'échangeur (3) est de l'ordre de 0,361, le temps ( Fig.2 de remontée de la température à la sortie (11) Fig.1 du circuit secondaire (2) est de l'ordre de 2,9 secondes pour une puissance de 4000W, et le temps (19) Fig.2 de refroidissement est alors de 5 secondes pour un débit d'eau de ville de l'ordre de 17 l/mn et un échauffement moyen de 5 C dans le compartiment primaire de l'échangeur (3) Fig.1. Si on considère qu'un cycle complet (20) Fig.2 dure 7,5 secondes pour une puissance à évacuer de 4000W, le circuit secondaire (2) Fig.1 a débité pendant ce temps 172517 volume d'eau que nous appelons ci-après "charge"; la température moyenne de cette charge est montée d'environ 0,2 C en 2,5 secondes7 et a perdu environ 0,2 C en 5 secondes; en pratique cet écart est plus grand compte tenu de l'inertie thermique des appareils que nous n'avons pas pris en compte dans le modèle; l'eau du circuit secondaire (2) passe alors dans le bac de lissage de température (8) qui, dans l'exemple choisi, représente un volume d'environ 8 litres d'eau qui est donc constitué de charges successives de 172517 pendant que le mEme volume est aspiré a sa sortie (10) par la pompe (9); il y a en permanence7 dans ce cas particulier de l'ordre de six charges dans le bac de lissage de température (8) qui y restent en moyenne 48 secondes (21) Fig.2 pendant lesquelles la température s 'uniformise par convection et mélange pour se stabiliser à la sortie dans une fourchette de température inférieure à 0,1 C:: Il est évident que le bac régulation (8) Figez doit titre connu pour éviter qu'il y ait des zones de stagnation qui limiteraient le temps de séjour; dans une variante préférée de l'invention le bac de lissage de température (8) a une forme parallèlépipédique allongée, avec une section (22 > sensiblement carrée dans le plan perpendiculaire à la grande longueur (23) qui est environ 4 fois le cOté de la section carrée (22). Maintenant regardons ce qui se passe quand la puissance est faible par rapport à la puissance maximale admise ; prenons par exemple le cas du fonctionnement à 800W Fig.3 soit 16% de la puissance maximale. Si on applique brutalement le mye calcul pour une puissance de 800W, le temps de remontée en température (24) est d'environ 33 secondes (26) au lieu de 2,5 secondes dans le premier cas, et le temps de refroidissement (25) est de l'ordre de 5 secondes; le temps global de cycle (27 > passe alors à 38 secondes c'est à dire qu'il y a de l'ordre d'une charge dans le bac de lissage de température (8) Fig.1; alors que dans l'exemple précédent on avait l'équivalent de six charges dans le bac de lissage de température (8)7 il n'y en a plus qu'une d'ou le risque d'avoir a la sortie une température qui oscille dans une plage supérieure à 0,1 C parce que les échanges de chaleur auront du mal à se faire; en effet dans l'exemple indiqué Fig.37 dans la séquence de 48 secondes (29) prise en compte, il y a un déficit de chaleur matérialisé par la surface hachurée (29 > qui indique une baisse de température; si on considère la me me séquence de 48 secondes (21) Fig.2 du premier exemple, on se rend compte que la variation de quantité de chaleur dans le bac de lissage de température est quasiment nulle en fonction du cycle; dans ce deuxième exemple Fig.3 on peut aussi remarquer que la variation de température à la sortie ( Fig.1 de l'échangeur (3) risque d'être bien supérieure a 0,2 degré du fait que la température continue à chuter après la fermeture de l'électrovanne (4) pendant une période beaucoup plus longue. Nous avons étudié Fig.3 le- cas où la puissance à évacuer est faible par rapport à la capacité de l'échangeur; si au contraire la puissancee à évacuer est proche de la capacité de l'échangeur (31, soit par exemple 5000W, on constate que le temps (33) Fig.4 de remontée de la température dans l'échangeur (3) Fig.1, après fermeture de la vanne (4) est ramené à une seconde tandis que le temps (34) Fig.4 de chute de cette température est toujours de 5 secondes; le nombre de charges dans le bac de lissage de température passe à huit contre 6 dans le premier cas Fig.2; on pourrait être tenté de conclure que plus on est près de la capacité d'échange de l'échangeur (3) plus on aura une température constante; en fait si on a des irrégularités de fonctionnement, la régulation sera incapable de contrtler le niveau de température dans le bac et il y aura une dérive par rapport à la température de consigne (31) Fig.2; si on prend en compte les inertie thermiques, et -une puissance a évacuer constante, on trouve que la température s'abaisse" lentement en cours de cycle et remonte rapidement des la fermeture de l'électrovanne (4) Fig.17 on observe alors en sortie de bac de lissage de température des oscillations supérieures a 071*C comme dans l'exemple où la puissance à évacuer est faible.En conclusion7 si on veut garder une bonne stabilité de la température de consigne7 il est important de garder une durée de cycle (20) Fig.2 relativement courte sans toutefois litre trop Fig.4; dans l'exemple choisi Fig.3, pour réduire le temps de cycle7 il suffit de réduire le débit d'eau de refroidissement du circuit primaire (1) Si la puissance à évacuer baisse; en pratique le réglage peut se faire de la fanon suivante: le dispositif refroidisseur étant branché en (30) et (17) sur l'appareil à refroidir (5), une température de consigne (31) Fig.2 est affichée au niveau de l'unité de traitement (7) Fig.1 avec une plage de température (13) Fig.2 a respecter7 le dispositif de refroidissement Fig.i est mis en route, puis l'appareil (5) dont les composants sont a refroidir; on contre que le temps de cycle (20) Fig.2 est convenable, par exemple entre 8 et 10 secondes environ dans les conditions de fonctionnement indiquées dans l'exemple chiffré, sinon on l'amène à cette valeur en agissant sur le débit d'eau du circuit primaire (t) Fig.1 par l'intermédiaire d'une vanne à commande manuelle (32) ou d'un détendeur, qui en réglant la pression règle le débit, et l'ensemble peut titre considéré comme stabilisé au bout de quelques minutes; si la plage de variation de puissance à évacuer est de l'ordre par exemple de 20% à 30% de part et d'autre d'un nominal, il suffit de caler le débit d'eau du circuit primaire une fois pour toute de manière à ce que7 par exemple, la capacité d'utilisation de l'échangeur ne depasse pas BOt.i dans ces conditions les variations de temps de cycle (e0) Fig.2, qui découlent de la variation de puissance, feront varier le nombre de charges du bac de lissage de température (8) Fig.1 dans une fourchette qui devra en général rester supérieure a 5 charges pour permettre d'obtenir une homogénéisation satisfaisante de température; si cette hogénéisation n'est pas suffisante on peut rajouter un deuxième bac de lissage de température en série avec le premier et mEme plus; si on veut pouvoir augmenter la durée de cycle (20) Fig.2 sans avoir à augmenter le volume du bac de lissage de température (8) Fig.1 on peut chercher à favoriser un régime d'écoulement turbulent qui favorise le mélange et donc les échanges de chaleur, en mettant par exemple des chicanes Nous avons pris comme exemple un système travaillant à une température supérieure à 20"C et inférieure a 100Cr mais il est bien évident que le me me principe de régulation peut s'appliquer a d'autres plages de régulation de température pour lesquelles il faudra adapter la nature des fluides caloporteurs et éventuellement pressuriser le circuit secondaire en mettant en oeuvre des techniques connues. Notamment, lorsqu'il s'agit d'utiliser un fluide réfrigérant opérant par évaporation, dans le circuit primaire7 il est nécessaire de rajouter un dispositif entre l'électrovanne (4) Fig.1 située ctité alimentation7 et l'entrée (36) de l'échangeur (3) de fanon a contrtler que la vapeur en sortie de l'échangeur soit toujours de la vapeur sèche, me me dans les périodes où l'electrovanne (4) est ouverte un temps suffisant pour autoriser le remplissage complet du compartiment primaire de l'échangeur qui est alors un évaporateur; ce contre peut titre fait au moyen d'un détendeur thermostatique connu ou par commande de l'électrovanne (4) par l'intermédiaire d'un système de régulation électronique qui analyse les températures d'entrée et de sortie du fluide primaire; cette régulation se superpose à celle- effectuée par la sonde de température (6) En contre partie la vanne (32) n'a plus de raison dextre; le réglage de la capacité d'échange de l'échangeur pour obtenir un nombre de charges suffisant dans le bac de lissage de température (22) se fait par réglage de la pression au niveau du compartiment primaire ce qui définit le différentiel de température. REVEND TION5 1-Dispositif de régulation et lissage de température caractérisé en ce qu'il est constitué d'un échangeur fluide-liquide (3) dont le compartiment primaire est alimenté par un circuit primaire (1) commandé par une éléctrovanne (4) fonctionnant en "tout ou rien", dont le circuit secondaire (2) comporte7 immédiatement a la sortie de l'échangeur (3) une sonde de température (6) ui est reliée à la dite électrovanne (4) par un dispositif électrique (7) permettant de la manoeuvrer7 puis un bac de lissage de température (8) dans lequel une pompe (9) vient prélever le liquide de refroidissement pour l'envoyer dans un circuit pressurisé passent pasle système à refroidir (5) puis par l'échangeur (3) avant de retourner au bac de lissage de température ( 2-Dispositif de régulation et lissage de température7 suivant la revendication précédente7 caractérise en ce que la sonde (6) mesure la température du liquide de refroidissement à la sortie (11) du compartiment secondaire de l'échangeur (3)7 la compare a une température de consigne (31) permettant de fermer la dite électrovanne (4)t lorsque la température atteint la température maximum autorisée (15)7 et de l'ouvrir lorsque la température atteint la température minimum autorisée (14)7 le volume de liquide de refroidissement envoyé dans le bac de lissage de température (8) pendant le temps de cycle (20) mesuré entre deux ordres d'ouverture de la dite électrovanne (4) restant très inférieur au volume du bac de lissage de température (8) de manière a ce que la température du liquide de refroidissement puisse s'y homogénéiser. 3-Dispositif de régulation et lissage de température, suivant lune quelconque des revendications précédentes7 caractérise en ce que les circuits primaires (1) et secondaires (2) utilisent l'eau comme liquide caloporteur. 4-dispositif de régulation et lissage de température, suivant l'une .quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le fluide caloporteur du circuit primaire (1) agit par évaporation d'un liquide dans le compartiment primaire de l'échangeur (3). 5-Dispositif de régulation et lissage de température7 suivant l'une quelconque des revendications précéentesJ caractérisé en ce que le bac de lissage de température (8) est à la pression atmosphérique. 6-Dispositif de régulation et lissage de température suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la capacité d'échange de l'échangeur (3) est réglée à partir du circuit primaire de manière à ce que le bac de lissage de température (8) puisse contenir au moins 5 fois le volume de liquide de refroidissement délivré pendant un cycle (20) correspondant à deux ouvertures successives de la dite électrovanne (4 > . 7-Dispositif de régulation et lissage de température suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que plusieurs bacs de lissage de température sont mis en série pour en améliorer l'homogénéisation. 8-Dispositif de régulation et lissage de température suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérise en ce que le ou les bacs de lissage comportent des chicanes permettant d'y augmenter les turbulences du liquide de refroidissement afin d'en accélérer les échanges.