Brevet FR2661888A1 — publié le 19911115

I METHODE POUR LE CONDITIONNEMENT THERMIQUE DES EQUIPEMENTS ELECTRONIQUES MONTES SUR LES AERONEFS ET SYSTELMES POUR SA MISE EN OEUVRE La présente invention a pour objet une méthode pour le conditionnement thermique des équipements montés sur les aéronefs Elle vise en outre des systèmes pour la mise en oeuvre de cette méthode. Sous certains aéronefs, notamment les avions mili- taires, sont fixés sous une structure inférieure de l'avion des nacelles renfermant des équipements électroniques Par équipements électroniques, on entend ici tous les disposi- tifs, systèmes, appareils et autres renfermant au moins un composant électronique Jusqu'à présent, on connaissait un certain nombre de dispositifs utilisés pour refroidir de l'air dynamique trop chaud au niveau de l'interface entre un aéronef et son environnement Un de ces systèmes est consti- tué d'une machine thermique composée d'un compresseur en série avec un échangeur et une turbine de détente Cet agen- cement est communément appelé "montage Bootstrap" Dans un tel agencement, la turbine de détente est alimentée par de l'air dont la pression est remontée par l'action d'un compresseur et dont la température est sensiblement égale à celle à la prise d'air grâce à l'action d'un échangeur La détente à travers la turbine s'accompagne d'un refroidisse- ment important de l'air Si le système refroidisseur de l'échangeur est de l'air dynamique prélevé, il est clair que le système bootstrap est un agencement de refroidissement de l'air dynamique autonome, c'est-à-dire fonctionnant sur air dynamique exclusivement Ce système présente l'inconvénient d'être volumineux, ce qui se traduit par un encombrement certain, et de présenter une masse relativement importante, ce qui n'est évidemment pas avantageux pour des aéronefs En outre, sa réalisation présente une certaine complexité qui, conjointement avec une mise au point particulièrement diffi- cile, se traduit par un prix de revient relativement élevé de l'ensemble. Un objet de la présente invention est de proposer une méthode permettant d'obvier aux inconvénients mentionnés ci-dessus grâce à une possibilité de mise en oeuvre au moyen de systèmes nouveaux présentant un rapport encombrement/ masse relativement réduit. Un autre objet de l'invention est de réaliser des systèmes permettant un conditionnement thermique efficace des équipements électroniques, tout en étant d'une comple- xité moindre ce qui se traduit par un prix de revient nettement moins élevé. La présente invention a donc pour, objet une mé- thode pour le conditionnement thermique des équipements électroniques montés sur les aéronefs, cette méthode étant caractérisée en ce que l'on capte un courant ou flux d'air dynamique que l'on transfère à des premiers moyens permet- tant de conférer au courant d'air un premier gradient négatif de température après quoi l'on transfère éventuelle- ment le courant d'air issu desdits premiers moyens de re- froidissement à des seconds moyens susceptibles de conférer un second gradient négatif de température audit courant d'air, après quoi on transfère le courant d'air issu direc- tement des premiers moyens de refroidissement ou éventuelle- ment combiné avec le flux d'air issu des seconds moyens de refroidissement au voisinage des équipements à refroidir, en réalisant ainsi un conditionnement thermique approprié desdits équipements électroniques. Dans un premier système de conditionnement ther- mique mettant en oeuvre la méthode de conditionnement ther- mique des équipements électroniques montés sur les aéronefs selon l'invention, ce système comporte: une prise d'air dynamique ménagée sur la nacelle ren- fermant les équipements électroniques et scindée en deux dérivations; des premiers moyens de refroidissement constitués par une turbine de détente, alimentée par une dérivation de la prise d'air dynamique; des seconds moyens de refroidissement constitués par un système de couples thermoélectriques, agencés pour que toutes les soudures froides forment un élément rapporté sur ou étant solidarisé à la conduite de sortie de tur- bine transférant l'air déjà refroidi vers les équipe- ments électroniques, les soudures chaudes du système de couple électronique étant agencées à l'intérieur de la seconde dérivation issue de la prise d'air dynamique. Dans cette première forme de réalisation, la tur- bine est avantageusement accouplée à un générateur de cou- rant continu alimentant le système à couples thermo-électri- que Bien que cette solution soit la plus avantageuse étant donné que l'énergie est fournie par la turbine de détente, il est évident que d'autres systèmes ou sources autonomes d'alimentation en courant continu peuvent alimenter en tout ou en partie le système à couple thermo-électrique. Dans une seconde forme de réalisation selon l'in- vention, le système de conditionnement thermique des équi- pements électroniques comporte: une prise d'air dynamique ménagée sur la nacelle et scindée en deux dérivations; des premiers moyens de refroidissement du flux d'air dynamique constitués par une turbine de type axial ou centripète alimentée par une première dérivation de la prise d'air dynamique; des seconds moyens de refroidissement constitués par un compresseur de type centrifuge couplé à l'arbre de la turbine et alimenté par la seconde dérivation de la prise d'air dynamique; des moyens permettant de transférer l'air refroidi issu de la turbine au voisinage immédiat des équipements électroniques; des moyens permettant de transférer l'air issu du compresseur soit vers l'extérieur si cet air est à une température supérieure à la température maximale de l'air prévue pour le refroidissement des équipements électroniques, soit au voisinage immédiat des équipe- ments électroniques à refroidir si la température est inférieure à la température maximale déterminée pour le refroidissement desdits équipements. Les moyens sélectifs de transfert de l'air sortant du compresseur peuvent être constitués d'une thermo-vanne à trois voies, dûment programmée pour s'ouvrir ou se fermer en fonction d'une température de consigne égale à la températu- re maximale. Dans une variante de cette seconde forme de réali- sation selon l'invention, le système de conditionnement thermique et la prise d'air dynamique alimentent uniquement la turbine tandis que le compresseur est alimenté par une prise d'air à l'intérieur de la nacelle. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion apparaîtront à la lecture de la description non limita- tive suivante de formes et de modes de réalisation selon l'invention, en référence aux dessins annexés dans lesquels: -20 Figure 1 est une vue schématique d'une première forme de réalisation permettant la mise en oeuvre de l'in- vention; Figure 2 est une vue schématique d'une seconde forme de réalisation permettant la mise en oeuvre de la méthode de l'invention; Figure 3 est une vue schématique d'une variante de la forme de réalisation de la Figure 2. Sur la Figure 1 est représenté un système de conditionnement thermique par refroidissement de l'air dyna- mique qui est capté par une prise d'air 1 puis immédiatement scindé en une dérivation la selon la flèche Fl et une déri- vation lb selon la flèche F 2 Le courant d'air transféré par le conduit de dérivation la est envoyé à une turbine de détente 2 accouplée à un générateur de courant continu 3 qui alimente par des câbles conducteurs 4 a, 4 b un système de couples thermoélectriques 5, 6 dont les soudures froides sont rassemblées dans un élément 5 rapporté à la conduite 7 qui transfère l'air selon F 3, F 4 sur un équipement électro- nique 8 destiné à être refroidi Une fois le refroidissement effectué, l'air est évacué selon F 5 par la conduite 9 vers l'extérieur L'air dynamique transféré par la dérivation lb selon la flèche F 2 est destiné à venir refroidir les soudu- res chaudes des couples thermoélectriques, incorporées dans un radiateur convecteur 6. Le système fonctionne de la manière suivante: Si la température de l'air à la sortie de la tur- bine 2 est suffisamment basse, cet air peut être utilisé directement pour refroidir le matériel 8, par exemple par convection forcée Dans ce cas, l'énergie électrique fournie par le générateur de courant continu 3, à partir de l'éner- gie mécanique récupérée sur l'arbre de la turbine 2, peut être utilisée pour toute application compatible de ce type d'alimentation électrique, les calories dégagées par le système étant évacuées dans le flux d'air extérieur. Dans le cas contraire, c'est-à-dire si le gradient négatif de température a T n'est pas suffisant pour attein- dre une température T O nécessaire pour un refroidissement correct de l'équipement électronique, il convient alors de mettre le système 5, 6 fonctionnant selon le principe de l'effet Pelletier sous tension continue à partir du généra- teur à courant continu, par exemple une magnéto 3 via les câbles électriques 4 a, 4 b Cette mise sous tension peut être commandée par un interrupteur non représenté sur le dessin, actionné après amplification, par un signal généré par une thermo-sonde disposée sur le conduit 7 En effet, dans les systèmes à effet Pelletier, comme cela est bien connu, il se produit une différence de température entre les faces soudées opposées du couple Lorsque le système 5, 6 est énergisé, l'élément 5 qui renferme les soudures froides confère par convection au courant dans la conduite 7 un gradient supplémentaire a T 2 qui vient s'ajouter au gradient négatif à T 1 en sortie de turbine et confère au flux d'air selon F 4 un abaissement de température suffisant pour réaliser le conditionnement thermique approprié de l'équipe- ment 8 éventuellement pourvu d'un dispositif de connexion approprié Il est clair que l'élément 5 peut être agencé de façon que le nombre de couple à énergiser soit fonction de la température de refroidissement Tr à atteindre On peut alors envisager un pilotage par thermo-sonde de façon à pouvoir régler de façon appropriée le nombre de couples thermoélectriques à énergiser Il est clair que de tels pilotages et régulations peuvent être réalisés par des agen- cements de composants électroniques disponibles dans le commerce. Dans la forme de réalisation de la Figure 2, une nacelle 11 est fixée sous un avion par l'intermédiaire d'une poutre 10 à partir de laquelle une prise d'air dynamique se fait selon fl puis se scinde en f 2 et en f 3 Le flux d'air f 3 est destiné à alimenter une turbine de type axial ou centripète 13 dont l'arbre de sortie 15 entraîne un compres- seur 14 alimenté en air dynamique selon la flèche f 2 Dans la nacelle 11 se trouve également un équipement électronique 16 émetteur de rayonnement ou de radiations thermiques R destiné à être refroidi par l'air issu de la turbine 13 selon la flèche f 6 et éventuellement par l'air sortant du compresseur C. En fait, ce système de refroidissement fonctionne de la manière suivante: La turbine 13, alimentée par l'air dynamique pré- levé à l'extérieur de l'aéronef selon fl, f 3 assure le re- froidissement de cet air par détente adiabatique et l'air sortant de la turbine selon f 6 sert à refroidir l'équipement électrique 16 dissipateur d'énergie calorifique, après quoi il est éliminé à l'extérieur de la nacelle selon f 7 Le com- presseur de type centrifuge 14 accouplé à l'arbre de sortie de la turbine 13 est destiné à récupérer l'énergie méca- nique développée sur ledit arbre 15 de ladite turbine 13 par la détente de l'air gazeux Dans la forme de réalisation de la Figure 2, l'air selon f 2 peut être d'une part évacué vers l'extérieur selon f 4 et si sa température est inférieu- re ou égale à une température de consigne égale à la tempé- rature maximale susceptible de permettre audit air d'être utilisé pour refroidir l'équipement électronique 16 éven- tuellement pourvu d'un dispositif de connexion approprié, il est alors transféré par actionnement d'une électro-vanne non représentée au dessin selon f 5 vers ledit équipement 16 conjointement avec l'air issu de la turbine 13 selon f 6, cet air étant également rejeté à l'extérieur selon f 7 après utilisation caloporteuse Il est donc clair que dans le cas o la température de l'air issu du compresseur est suffisam- ment basse pour être utilisée dans le refroidissement de l'équipement 16, le débit d'air de refroidissement issu du système sera la somme du débit passant dans la turbine et de celui transitant à travers le compresseur Il en résulte que le conditionnement thermique de l'équipement 16 sera amélio- ré dans une certaine mesure. Dans la variante de réalisation de la Figure 3, on retrouve les mêmes éléments constitutifs que dans la forme de réalisation de la Figure 2, sauf que l'alimentation du compresseur 14 se fait selon f 9 à partir d'un flux d'air prélevé directement dans la nacelle, par exemple, mais non exclusivement, à partir du flux d'air issu du système de convection incorporé à l'équipement électronique à refroidir 16 Un tel agencement présente trois avantages: D'une part, l'action du compresseur 14 qui s'ali- mente dans la nacelle 11, met cette dernière en dépression ce qui contribue à augmenter le taux de détente disponible pour la turbine et par voie de conséquence, le refroidisse- ment du gaz par détente dans cette dernière est accru. Par ailleurs, il se crée un écoulement forcé dans la nacelle entre la sortie de la turbine selon f 8 et l'entrée du compresseur 14 selon f 9, ce qui permet d'augmen- ter les vitesses de l'air sur l'équipement 16 à refroidir et donc d'améliorer les échanges thermiques entre ce dernier et l'air de refroidissement qui lui arrive selon f 8. En outre, le débit d'air prélevé à l'extérieur de l'avion est réduit, et étant donné que l'air passant par le compresseur 14 est prélevé dans la nacelle 11, il en résulte une réduction de la traînée de captation de la prise d'air dynamique, entrant dans le bilan global de traînée de l'avion. Dans tous les cas, il conviendra de réguler la perte de charge sur le circuit compresseur (f 9, 14, f 4) pour récupérer de façon effective l'intégralité de la puissance délivrée par la turbine 13. Les formes de réalisation des Figures 2 et 3 se caractérisent par rapport au système de base illustré sur la Figure 1 par des performances thermiques comparables, un en- combrement et une masse similaires, voire inférieurs, et un coût d'acquisition réduit. Il est clair que les systèmes décrits ci-dessus ne limitent en aucune façon la portée de l'invention qui englo- be toutes les modifications et variantes issues du même principe de base, c'est-à-dire le conditionnement thermique d'équipement électronique monté sur aéronef au moyen de l'air dynamique prélevé à l'extérieur et traité par la coopération de deux sortes de moyens différents visant à conférer audit air dynamique un gradient négatif de tempé- rature lui permettant d'être utilisé pour ledit condition- nement thermique Par ailleurs, il est bien évident que les systèmes selon les Figures 1, 2 et 3 incorporent différents capteurs de pilotage permettant l'ouverture et la fermeture de vannes de commande de l'entrée et de la sortie des flux d'air au niveau de la turbine, du compresseur et de l'équi- pement à refroidir, respectivement. REVENDICATIONS 1 Méthode pour le conditionnement thermique des équipements électroniques montés sur les aéronefs, caracté- risée en ce que l'on capte un courant ou flux d'air dynami- que que l'on transfère à des premiers moyens ( 2, 13) per- mettant de conférer audit flux d'air un premier gradient négatif de température après quoi l'on transfère éventuel- lement le courant d'air issu desdits premiers moyens de refroidissement ( 2, 13) à des seconds moyens ( 5, 14) sus- ceptibles de conférer un second gradient négatif de tempéra- ture audit flux d'air, après quoi on transfère le flux d'air issu directement des premiers moyens de refroidissement ou éventuellement combiné avec le flux d'air issu des seconds moyens de refroidissement au voisinage immédiat des équipe- ments électroniques ( 8, 16) à refroidir, en réalisant ainsi un conditionnement thermique approprié desdits équipements électroniques. 2 Système de conditionnement thermique pour la mise en oeuvre de la méthode selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte: une prise d'air dynamique ( 1) ménagée sur la nacelle renfermant les équipements électroniques ( 8) et scindée en deux dérivations (la, lb); des premiers moyens de refroidissement du flux d'air dynamique, constitués par une turbine de détente ( 2), alimentée par une dérivation (la) de la prise d'air dynamique ( 1); des seconds moyens de refroidissement constitués par un système de couples thermo-électriques ( 5, 6), agencés pour que toutes les soudures froides du système forment un élément ( 5) rapporté sur ou solidarisé à la conduite de sortie ( 7) de la turbine ( 2), transférant l'air déjà refroidi vers les équipements électroniques ( 8), à refroidir, les soudures chaudes du système des couples thermoélectriques ( 6) étant agencées à l'intérieur de dérivation (lb) issue de la prise d'air dynamique ( 1). 3 Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que la turbine ( 2) est accouplée à un générateur ( 3) de courant continu alimentant le système à couples thermo- électriques ( 5, 6). 4 Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le système à couples thermoélectriques ( 5, 6) est alimenté par une source de courant continu autonome. Système de conditionnement thermique pour la mise en oeuvre de la méthode de la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comporte: une prise d'air dynamique (fl, 10) ménagée sur la na- celle renfermant les équipements électroniques ( 16) et scindée en deux dérivations (f 2, f 3); des premiers moyens de refroidissement du flux d'air dynamique, constitués par une turbine de type axial ou centripète ( 13) alimentée par une première dérivation (f 3) de la prise d'air dynamique (fl, 10); des seconds moyens de refroidissement constitués par un compresseur ( 14) de type centrifuge, actionné par l'ar- bre de sortie ( 15) de la turbine ( 13) et alimenté en air dynamique par la seconde dérivation (f 2) de la prise d'air dynamique (f 1, 10); des moyens permettant de transférer l'air refroidi issu de la turbine ( 13) au voisinage immédiat des équipe- ments électroniques; des moyens permettant de transférer l'air issu du compresseur ( 14) soit vers l'extérieur de la nacelle ( 11) selon f 4 si cet air est à une température supé- rieure à la température maximale de l'air, prévue pour le refroidissement des équipements électriques ( 16), soit au voisinage immédiat de ces derniers si la tempé- rature de cet air est égale ou inférieure à la tempéra- ture maximale prévue pour le refroidissement desdits équipements ( 16). il 6 Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens sélectifs de transfert de l'air issu du compresseur ( 14) sont constitués par une thermo-vanne dûment programmée pour s'ouvrir ou se fermer en fonction d'une tem- pérature de consigne égale à la température maximale prévue pour le refroidissement. 7 Système selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'est prévu au moins sur le circuit de refroidisse- ment, en amont du compresseur ( 14) et en aval de la turbine ( 13) une sonde de température destinée à piloter la thermo- vanne. 8 Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que la prise d'air dynamique est agencée pour n'ali- menter que la turbine ( 13) tandis que le compresseur ( 14) est alimenté par une prise d'air à l'intérieur de la nacelle ( 11). 9 Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que la prise d'air à l'intérieur de la nacelle ( 11) pour le compresseur ( 14) est située sur le flux d'air de refroidissement issu des équipements électroniques ( 16). Système selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 9, caractérisé en ce que les équipements élec- troniques ( 16) sont équipés de dispositifs de convection appropriés.