Brevet FR2930019A1 — publié le 20091016

Procédé de refroidissement d'un élément confiné au moyen d'un fluide caloporteur L'invention concerne un procédé de refroidissement d'un élément confiné au moyen d'un fluide caloporteur. Par élément confiné, on entend un élément qui n'est pas directement en contact avec l'air extérieur, mais qui est au contraire logé dans un sous ensemble ayant un volume restreint. Par exemple, dans le cas où l'élément confiné est situé dans un aéronef, cela peut être aussi bien une pièce de l'aéronef, qu'un fluide circulant dans ledit aéronef, et non directement en contact avec un flux d'air extérieur à l'aéronef. L'élément confiné à refroidir peut aussi bien être situé dans le cockpit ou le fuselage de l'aéronef que dans un turboréacteur, ou la structure interne de la voilure de l'aéronef etc. Par fluide caloporteur, on entend un fluide apte à extraire la chaleur de l'élément confiné et à la transporter là où il faut la rejeter. Plus précisément l'invention concerne l'utilisation d'un fluide caloporteur comportant au moins une cétone fluorée, pour refroidir un tel élément confiné. L'invention trouve des applications dans toute industrie dans laquelle un élément produisant de la chaleur, ou soumis à de fortes températures, doit être maintenu à une température de fonctionnement relativement basse. Par exemple, dans le domaine de l'aéronautique, l'invention trouve des applications directement au sein des aéronefs. En effet, dans un aéronef, de nombreux systèmes et composants peuvent être amenés à de très fortes températures, notamment lorsque l'aéronef est en vol. Afin d'assurer une utilisation optimale de ces éléments, leur température doit continuellement être abaissée pour être maintenue à une température de fonctionnement acceptable. Par exemple, il est connu de munir un aéronef de moteurs annexes, en plus des turboréacteurs, destinés à produire de manière auxiliaire de l'énergie pour les systèmes électriques de l'aéronef. Des coeurs électriques, le plus souvent confinés à l'intérieur du volume interne de l'aéronef, gèrent et distribuent à bord l'énergie électrique produite par ces moteurs annexes, afin de la redistribuer selon les besoins. Ces coeurs électriques peuvent rapidement monter en température. Il est nécessaire de les refroidir en permanence, ou pour le moins régulièrement, pour éviter les surchauffes et maintenir la température de fonctionnement. Dans certains aéronefs, à condition que l'énergie qu'ils véhiculent ne soit pas trop importante, l'élévation de température des coeurs électriques peut être contrôlée par simple ventilation, à l'aide d'un flux d'air froid. Par contre, lorsque les coeurs électriques sont plus importants, leur température tend à augmenter de manière trop importante pour qu'une simple ventilation suffise. Il est alors connu d'utiliser un liquide de refroidissement, ou liquide caloporteur, pour refroidir les coeurs électriques et plus généralement pour les maintenir à une température de fonctionnement acceptable. Notamment, il est connu d'utiliser comme fluide caloporteur un mélange d'eau et de glycol. En effet, l'eau est connue pour avoir une capacité calorifique élevée qui permet de refroidir rapidement le coeur électrique. Cependant un des inconvénients majeur de ce fluide caloporteur de l'état de la technique est que la présence de l'eau rend le fluide conducteur d'électricité. Dans la mesure où ce fluide caloporteur est destiné à être utilisé au sein d'un coeur électrique et donc potentiellement à être en contact avec des composants électriques, il y a des risques de création de courts circuits ou arcs électriques au sein dudit coeur électrique. Ces courts circuits ou arcs électriques peuvent endommager le coeur électrique et entraîner des dommages de certains éléments de l'aéronef alimentés en énergie par ledit coeur électrique. Il est également connu d'utiliser des fluides caloporteurs dans différents systèmes d'échange thermique, par exemple pour refroidir un flux d'air chaud prélevé au niveau d'un turboréacteur avant de l'injecter dans le fuselage de l'aéronef, ou pour refroidir plus directement des composants situés dans le volume interne du fuselage de l'aéronef. Ainsi, à l'heure actuelle, des fluides caloporteurs de compositions différentes et ayant des propriétés variables, sont utilisés au sein d'un même aéronef, suivant l'utilisation qui doit en être faite. Dans l'invention, on propose un fluide caloporteur pouvant être utilisé aussi bien pour le refroidissement d'un coeur électrique confiné dans l'aéronef, que pour le refroidissement de gaz chauds, ou le refroidissement d'une pièce ou partie d'aéronef située dans l'aéronef. Plus généralement, dans l'invention, on cherche à fournir un fluide caloporteur pouvant être utilisé dès lors qu'il est nécessaire de refroidir un élément, et ce quelque soit l'endroit où cet élément à refroidir est situé. Notamment, le procédé de refroidissement selon l'invention peut avantageusement être utilisé dans les usines de production d'énergie, telles que les centrales nucléaires. Pour cela l'invention préconise d'utiliser comme fluide caloporteur un fluide composé essentiellement de cétones fluorées, c'est-à-dire comportant au moins 99% de cétones fluorées. Par cétone fluorée, on entend une cétone dont au moins un atome de carbone est lié à au moins un atome de fluor. Par exemple, le ou les composés du fluide caloporteur selon l'invention peuvent être choisis parmi le groupe de composés suivants : méthyl(perfluoromethyl)cétone (CF3COCH3), perfluoromethyl(trifluoroethyl)cétone (CF3CH2OOCF3), methyl(perfluooroethyl)cétone (C2F5COCH3), methyl(perfluoropropyl)cétone (F3CF2CF2COCH3), perfluoroethyl(perfluoropropyl)cétone (CF3CF2CF2COC2F5), methyl(octafluorobutyl)cétone (C2F5CFHCF2COCH3), di(perfluoropropyl)cétone (CF3CF2CF2COCF2CF2CF3). Préférentiellement le fluide caloporteur comporte au moins une cétone perfluorée. Par cétone perfluorée, on entend une cétone dans laquelle la majorité des atomes d'hydrogène sont remplacés par des atomes de fluor. En effet, ces molécules présentent des propriétés de rigidité diélectrique intéressantes notamment dans le cas où le fluide caloporteur est utilisé à proximité de composants électriques. Ainsi, on utilise avantageusement un fluide caloporteur comportant du dodecafluoro-2-methylpentan-3-one (CF3CF2COCF(CF3)2 tel que le fluide commercialisé par 3M sous la marque NOVEC 1230 �, comme fluide pour éteindre les incendies dans les aéronefs, comme cela est divulgué dans le brevet EP 1 261 398 et la demande EP 1 362 619. Avantageusement, le fluide caloporteur selon l'invention est un fluide volatil et inerte. L'invention a donc pour objet un procédé de refroidissement d'un élément confiné au moyen d'un fluide caloporteur, caractérisé en ce qu'on utilise un fluide comportant au moins 99% de cétone fluorée. Selon des exemples de mise en oeuvre du procédé selon l'invention il est possible de prévoir tout ou partie des caractéristiques supplémentaires suivantes : - le fluide caloporteur comporte au moins une cétone perfluorée. - le fluide caloporteur est composé majoritairement de cétones perfluorées. - la cétone perfluorée est CF3CF2COCF(CF3)2 - l'élément confiné comporte au moins un composant électrique. Par exemple, l'élément confiné est un coeur électrique. - le fluide caloporteur est projeté sous forme liquide sur l'élément à refroidir. - le fluide caloporteur est appliqué sous forme liquide par capillarité, sur l'élément à refroidir. - le fluide caloporteur est appliqué sous forme liquide, par le biais d'un échangeur thermique étanche, sur l'élément à refroidir. - le fluide caloporteur est récupéré, après utilisation, pour pouvoir être à nouveau utilisé pour refroidir un élément confiné. Par exemple, le fluide peut être utilisé en circuit fermé pour refroidir en permanence le même élément, ou en circuit ouvert pour être acheminé vers un autre élément à refroidir. - le fluide caloporteur est au moins partiellement condensé avant d'être à nouveau utilisé. Cela est notamment avantageux lorsque tout ou partie du fluide caloporteur, après utilisation, s'est évaporé. - l'élément confiné est situé dans le cockpit d'un aéronef, le volume interne du fuselage, ou forme tout ou partie de la peau de l'aéronef. - l'élément confiné est un fluide chaud circulant dans un échangeur thermique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures représentent : - Figures 1, 2 et 3 : Des représentations schématiques partielles de trois exemples, selon l'invention, de mise en contact entre un fluide caloporteur et un élément à refroidir. - Figures 4, 5, 6, 7 et 8 : Des exemples de récupération, en circuit fermé, du fluide caloporteur projeté conformément à la figure 1 ; - Figures 9 et 10 : Deux exemples de récupération, en circuit fermé, du fluide caloporteur appliqué conformément à la figure 3 ; Selon l'invention, le fluide caloporteur utilisé pour refroidir un élément chaud doit comporter au moins une cétone fluorée et préférentiellement au moins une cétone perfluorée. D'une manière générale, le fluide caloporteur utilisé selon l'invention a préférentiellement un point d'ébullition compris entre -10°C et +120°C à pression ambiante et une rigidité diélectrique supérieure à 2. La pression nominale de fonctionnement est préférentiellement comprise entre 0.1 bars et 10 bars. Le choix du point d'ébullition et de la pression nominale de fonctionnement permet d'optimiser le système. Par exemple pour refroidir un équipement ayant une température optimale de 80°C avec un système latent utilisant le NOVEC 1230 � comme fluide caloporteur on choisie une pression nominale à 2.6 bar afin d'adapter la température d'ébullition du fluide à la température objective. De plus, le fluide caloporteur est avantageusement inerte, de manière à éviter toute réaction entre le fluide caloporteur et la matière avec laquelle il est mis en contact. Exemple particulier Le fluide caloporteur actuellement commercialisé par la société 3M sous la marque NOVEC 1230 �, composé à 99,9% de cétone perfluorée CF3CF2COCF(CF3)2 présente de nombreux avantages lorsqu'il est utilisé, conformément à l'invention, en tant que fluide caloporteur. En effet, le NOVEC 1230 � a une rigidité diélectrique égale à 2,3 ce qui permet d'éviter la création d'arcs électriques dans le cas où le fluide est utilisé pour refroidir des composants électriques ou des éléments situés à proximité de composants électriques. De plus, la permittivité du NOVEC 1230 � est d'environ 1,84, ce qui participe à la protection contre les arcs électriques. Par ailleurs, le NOVEC 1230 � présente des propriétés de refroidissement particulièrement intéressantes pour son utilisation en tant que fluide caloporteur. En effet, sa chaleur latente est de 88 kJ/kg, sa capacité calorifique est de 1,103 kJ/kg°C en phase liquide et de 0,891 kJ/kg. °C en phase vapeur, avec une viscosité de 0,524 cp à 25 °C. En outre, le NOVEC 1230 � a une capacité à augmenter l'effet de serre de l'ordre de 1 GWP, quand celui du Galden � (fluide comportant des perfluoropolyethers, commercialisé par SOLVAY SOLEXIS), qui est actuellement utilisé dans les coeurs électriques des aéronefs, lui, est de l'ordre de 500 GWP. Ainsi, l'utilisation du NOVEC 1230 � comme fluide caloporteur pour refroidir un élément confiné dans un aéronef permet de mieux répondre aux nouvelles réglementations relative aux effets de serre et à la protection de l'atmosphère, imposées dans le domaine de l'aéronautique. Un autre intérêt de l'utilisation du NOVEC 1230 � comme fluide caloporteur dans un aéronef est qu'il permet d'homogénéiser l'ensemble des fluides utilisés sur l'aéronef dans la mesure où le NOVEC 1230 � peut être utilisé dans les aéronef comme fluide de protection contre le feu en cas d'incendies. Dans les exemples représentés aux figures 1 et 2, le fluide caloporteur, tel que par exemple le NOVEC 1230 �, est projeté sur un élément confiné 1, tel qu'un composant électrique logé dans un boîtier 2. Dans l'exemple de la figure 1, la projection se fait par un jet 3 unique acheminé jusqu'au boîtier 2 par un conduit d'arrivée de fluide 4. Dans l'exemple de la figure 2, le boîtier 2 comporte plusieurs composants 1, lesquels sont aspergés par plusieurs jets 3 de fluide caloporteur. Dans un autre exemple de réalisation, et tel que cela est représenté sur la figure 3, le fluide caloporteur peut être appliqué contre l'élément confiné 1 par capillarité. Par exemple, on utilise une pièce constituée d'un ou plusieurs réseaux capillaires 5 mis en contact direct avec l'élément confiné 1 d'une part, et avec un bain 6 de liquide caloporteur d'autre part. La pièce constituée d'un ou plusieurs réseaux capillaires 5 applique en permanence du fluide caloporteur sur l'élément confiné 1 à refroidir. En effet, au fur et à mesure que le fluide caloporteur s'évapore du fait de l'élévation de la température dudit fluide, la pièce constituée d'un ou plusieurs réseaux capillaires 5 s'imbibe à nouveau de fluide caloporteur sous forme liquide. La pièce constituée d'un ou plusieurs réseaux capillaires 5 peut être maintenue en contact serré contre l'élément confiné 1 par tout moyen connu, et notamment par collage, ficelage ou autre. Sur les figures 4, 5, 6, 7 et 8, sont représentés différents systèmes de refroidissement d'un élément confiné 1 logé dans un boîtier 2 au moyen d'un jet unique 3 de fluide caloporteur. Bien entendu, le jet de fluide caloporteur peut être pluriel, comme représenté sur la figure 2. Dans l'exemple représenté à la figure 4, le fluide caloporteur est projeté en phase liquide sur l'élément confiné 1, et du fait de la température ambiante dans le boîtier 2 reste en phase liquide. Le liquide caloporteur, après projection, retombe dans le fond 11 du boîtier 2. Une telle solution peut s'appliquer lorsque le point d'ébullition du liquide caloporteur est strictement supérieur à la température maximale à laquelle l'élément confiné 1 peut être soumis, et si les parois du boîtier 2 sont suffisamment froides pour maintenir une température ambiante inférieure audit point d'ébullition. Un conduit d'évacuation 15 débouchant sur le fond 11 du boîtier, permet d'acheminer le fluide caloporteur récupéré, et partiellement réchauffé, jusqu'à un échangeur thermique 7. Le fluide caloporteur y est refroidi de manière à retrouver sa température d'avant projection. Le liquide caloporteur est ensuite récupéré dans un réservoir 8, puis aspiré par une pompe 9, jusqu'au conduit d'arrivée de fluide caloporteur 4 débouchant dans le boîtier 2 afin d'être à nouveau projeté sur l'élément confiné 1 logé dans ledit boîtier 2. Sur la figure 5 est représenté un autre exemple de réalisation selon l'invention dans lequel la température à l'intérieur du boîtier 2 est telle qu'une partie seulement du fluide caloporteur projeté est vaporisé. Ainsi, une fraction 10 de fluide caloporteur projeté est transformée en gaz, une autre fraction dudit fluide caloporteur restant sous forme liquide et retombant sur le fond 11 du boîtier 2. La fraction liquide du fluide caloporteur projeté est directement récupérée dans une cuvette 12 ménagée à une extrémité du fond 11 en pente du boîtier 2. La fraction 10 de fluide caloporteur en phase gazeuse est, elle, aspirée par un conduit d'évacuation de gaz 13 pour être acheminée jusqu'à un échangeur thermique 7 situé à l'extérieur du boîtier caloporteur 2. La fraction 10 gazeuse est condensée sous forme liquide dans l'échangeur thermique 7. L'échangeur thermique 7 comporte un conduit d'évacuation de liquide 14 débouchant dans le fond 11 du boîtier 2 et apte à acheminer le fluide caloporteur recondensé depuis l'échangeur thermique jusqu'au boîtier 2. Le fluide caloporteur recondensé s'écoule alors jusqu'à la cuvette 12. Le fluide caloporteur accumulé dans la cuvette 12 est aspiré par une pompe 9 afin d'être à nouveau projeté par le conduit d'arrivée de fluide caloporteur 4 en un jet 3 de fluide sur l'élément confiné 1. Le dispositif tel que représenté à la figure 5 est un système latent dans la mesure où l'échange de chaleur se fait principalement par évaporation. Il n'y a donc besoin que de très peu de fluide caloporteur pour obtenir un refroidissement important de l'élément confiné 1. Cependant, afin d'éviter l'évaporation totale du fluide caloporteur et donc la perte de capacité de refroidissement, il peut être nécessaire, suivant les températures auxquelles l'élément confiné va pouvoir monter, de surdimensionner le dispositif et notamment la cuvette 12 et la quantité de fluide caloporteur utilisée, afin de prévenir tout dysfonctionnement. Dans l'exemple représenté à la figure 6, la température à l'intérieur du boîtier 2 est suffisante pour que l'ensemble du fluide caloporteur projeté 3 sur l'élément confiné 1 soit transformé en gaz. Le fluide caloporteur en phase gazeuse 10 est alors acheminé par un conduit d'évacuation de gaz 13 jusqu'à un échangeur thermique 7, dans lequel il est refroidi jusqu'à être recondensé en phase liquide. Le liquide caloporteur est alors acheminé par l'intermédiaire d'un conduit d'évacuation de liquide 14 jusqu'à un réservoir 8 dans lequel le fluide caloporteur en phase liquide est accumulé. Le fluide caloporteur accumulé dans le réservoir 8 est ensuite aspiré par une pompe 9 pour être à nouveau projeté sur l'élément confiné 1, en phase liquide, par le conduit d'arrivée de fluide 4 débouchant dans le boîtier 2. Ici, contrairement à la figure 5, dans la mesure où l'ensemble du fluide caloporteur est transformé en gaz après projection sur le composant 1, le réservoir 8 de récupération de liquide caloporteur en phase liquide peut être un réservoir adjacent et extérieur au boîtier 2. La position extérieure du réservoir 8 permet de maintenir le fluide caloporteur, avant projection dans le boîtier 2, à une température relativement basse. En effet dans le cas où le réservoir est ménagé dans le volume interne du boîtier, le fluide caloporteur accumulé dans ledit réservoir tend à se réchauffer, avant même d'avoir été projeté sur l'élément confiné 1 chaud, du fait même de la température ambiante au sein dudit boîtier 2. Dans l'exemple représenté à la figure 7, aucun échangeur thermique n'est requis pour ramener le fluide caloporteur en phase liquide. En effet, le fluide caloporteur est utilisé dans des conditions telles que les parois du boîtier 2 sont suffisamment froides pour que les vapeurs du fluide caloporteur soient recondensées directement par contact avec les parois froides du boîtier 2. Les gouttes 23 de fluide caloporteur recondensées tombent donc sur le fond 11 du boîtier 2, dans lequel est ménagé un réservoir 12 de récupération du fluide caloporteur en phase liquide. Une pompe 9 aspire alors le fluide caloporteur en phase liquide pour qu'il soit à nouveau projeté sur l'élément confiné 1. A la figure 8 est représenté un autre exemple de réalisation dans lequel le fluide caloporteur en phase gazeuse 10, après projection sur l'élément confiné à refroidir, est récupéré par un compresseur 16 amenant ensuite le fluide caloporteur en phase gazeuse haute pression dans l'échangeur thermique 7 dans lequel il doit être condensé. Le fluide caloporteur est alors récupéré sous forme liquide dans un réservoir 8, avant d'être projeté à nouveau sous forme liquide sur l'élément confiné 1. Sur les figures 9 et 10 sont représentés deux autres exemples de mise en contact du fluide caloporteur avec l'élément confiné 1 à refroidir. Le fluide caloporteur est appliqué sur le composant électrique à refroidir au moyen d'une pièce 5 constituée d'un ou plusieurs réseaux capillaires, baignant par au moins une extrémité 20 dans une cuvette 21 comportant un bain de fluide caloporteur sous forme liquide. Une seconde extrémité 22 de la pièce 5 constituée d'un ou plusieurs réseaux capillaires est appliquée contre l'élément confiné 1 à refroidir. Comme dans l'exemple représenté à la figure 7, les vapeurs de fluide caloporteur produites après application du fluide caloporteur sur l'élément confiné 1 sont directement recondensées en liquide par contact avec les parois froides du boîtier 2. Les gouttes 23 de liquide caloporteur s'écoulent alors le long des parois du boîtier 2 pour être récupérées au niveau de la cuvette 21 ménagée sur le fond 11 du boîtier 2. Dans l'exemple représenté à la figure 10, comme dans l'exemple représenté à la figure 5, une fraction du fluide caloporteur appliqué contre l'élément confiné 1 est évaporée en phase gazeuse 10, tandis qu'une autre fraction est maintenue en phase liquide et retombe sur le fond 11 du boîtier 2 pour, par la suite, s'écouler en direction de la cuvette 21, où le liquide est récupéré. La fraction en phase gazeuse 10 est amenée par un conduit d'évacuation de gaz 13 dans un échangeur thermique 7 externe au boîtier, dans lequel le gaz est recondensé. Le fluide recondensé est acheminé par un conduit d'évacuation de liquide 14 jusque dans le boîtier 2. Plus précisément, le conduit d'évacuation de liquide 14 débouche sur le fond 11 du boîtier 2, dans lequel le liquide va ensuite s'écouler jusqu'à la cuvette 21. Le fluide caloporteur s'accumule en phase liquide dans la cuvette 21 avant d'imbiber à nouveau la pièce 5 constituée d'un ou plusieurs réseaux capillaires et d'être appliqué sur l'élément confiné 1 à refroidir. Un des avantages de l'application par capillarité du fluide caloporteur, tel que représenté aux figures 3, 9 et 10 est qu'il permet de s'affranchir de toute pompe, nécessaire à la projection du fluide caloporteur. Ainsi, on minimise l'énergie nécessaire au fonctionnement du dispositif de refroidissement de l'élément confiné. Bien entendu, on adaptera le système de refroidissement utilisé selon le fluide caloporteur lui-même utilisé, et notamment selon son point d'ébullition, les pressions de travail à l'intérieur du boîtier, ainsi que les températures auxquelles l'élément confiné peut être soumis. Par exemple, l'heptafluoroisopropyltrifluorométhyl cétone ( CF3-C(0)-CF(CF3)2) possède une température d'ébullition à pression ambiante de 24 °C ; le 1,1,1,2,2,4,5,5,5-nonafluoro-4-(trifluoromethyl)-3-pentanone ( CF3- CF2-C(0)-CF(CF3)2) a une température d'ébullition à pression ambiante de 49°C et l'hexafluoropropyl-méthyl cétone ( CH3-C(0)-CF2-CHF-CF3 ) possède une température d'ébullition à pression ambiante de 77 °C. D'une manière générale, le fluide caloporteur préconisé par l'invention peut être utilisé en lieu et place de n'importe quel fluide caloporteur actuellement utilisé pour refroidir un élément, et ce sans adaptation particulière du dispositif de refroidissement. Ainsi, le procédé selon l'invention peut être directement appliqué, dans toute industrie, notamment sans modification lourde des protocoles et règles de sécurité. REVENDICATIONS1- Procédé de refroidissement d'un élément confiné au moyen d'un fluide caloporteur, caractérisé en ce qu'on utilise un fluide comportant au moins 99% de cétones fluorées. 2- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide caloporteur comporte au moins une cétone perfluorée. 3- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la cétone 10 perfluorée est CF3CF2COCF(CF3)2 4- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément confiné est un composant électrique. 5- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le fluide caloporteur est projeté sous forme liquide sur le composant électrique à 15 refroidir. 6- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le fluide caloporteur est appliqué sous forme liquide, par capillarité, sur le composant électrique à refroidir. 7- Procédé selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que 20 le fluide caloporteur est récupéré, après utilisation, pour pouvoir être à nouveau utilisé pour refroidir un élément confiné. 8- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le fluide caloporteur est au moins partiellement condensé avant d'être à nouveau utilisé. 25 9- procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'élément confiné est situé dans le fuselage ou le cockpit d'un aéronef. 10= Procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3, 5 à 9, caractérisé en ce que l'élément confiné est un fluide chaud circulant dans un échangeur thermique.