Brevet FR2979981A1 — publié le 20130315

Dispositif de transport de chaleur à pompage capillaire La présente invention est relative aux dispositifs de transport de chaleur à pompage capillaire, en particulier 5 les dispositifs passifs à boucle fluide diphasique. Il est connu du document FR-A-2949642 de tels dispositifs utilisés comme moyen de refroidissement pour convertisseur de puissance électrotechnique. Cependant, il est apparu que les phases de démarrage 10 étaient particulièrement délicates pour des puissances thermiques importantes, il peut se produire un assèchement de la mèche capillaire et donc un échec du démarrage. De plus, si le dispositif est soumis à des accélérations, il peut se produire un phénomène de 'cold 15 shock' dans le réservoir qui abaisse brutalement la pression et qui détériore la performance. Il est donc apparu un besoin d'augmenter la fiabilité du démarrage et du fonctionnement de telles boucles. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif 20 de transfert thermique à pompage capillaire, adapté pour extraire de la chaleur depuis une source chaude et pour restituer cette chaleur à une source froide au moyen d'un fluide de travail diphasique contenu dans un circuit général clos, comprenant : 25 - au moins un évaporateur, ayant une entrée et une sortie, et une masse microporeuse adaptée pour assurer un pompage capillaire de fluide en phase liquide - au moins un condenseur, ayant une entrée et une sortie, - un réservoir ayant un volume intérieur et au moins un 30 orifice d'entrée et/ou sortie, - un premier circuit de communication, pour du fluide essentiellement en phase vapeur, reliant la sortie de l'évaporateur à l'entrée du condenseur, - un deuxième circuit de communication, pour du fluide 35 essentiellement en phase liquide, reliant la sortie du condenseur au réservoir et à l'entrée de l'évaporateur, caractérisé en ce que le réservoir comprend plusieurs volumes distincts, les dits volumes distincts restant en communication fluide. Grâce à ces dispositions, on évite des mouvements de fluide trop importants dans le réservoir lorsque le dispositif est soumis à des accélérations, par exemple si celui-ci est à bord d'un véhicule de transport, et on évite ainsi un mélange dans le réservoir pouvant conduire à effet de 'cold shock', à savoir un abaissement brutal de la température de surface libre du liquide dans le réservoir qui entraine une baisse de la pression et une baisse de l'efficacité de la boucle. De même, la partition en plusieurs volumes distincts permet d'éviter un mélange qui pourrait intervenir du fait d'augmentations brusques de puissance thermique, en particulier le cas du démarrage. Dans divers modes de réalisation de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - le dispositif comprend une pluralité de parois internes formant des compartiments et adaptées pour séparer lesdits plusieurs volumes distincts ; ce qui est une solution simple de partition du volume intérieur ; - lesdits plusieurs volumes distincts communiquent par des passages de faible section, de préférence inférieure au 1/10 de la plus grande section du réservoir ; moyennant quoi le déplacement d'un volume distinct à l'autre est possible mais limité en débit ; - la pluralité de parois internes forment une structure de 30 compartiments régulière; moyennant les parois se supportent les unes par rapport aux autres ; - la structure de compartiment prend la forme d'une structure en nid d'abeille ; de sorte que la structure de compartiment présente un coût modéré car cette structure 35 est optimisée ; - le dispositif est principalement soumis à la gravité terrestre et la structure de compartiment comprend des cloisons inclinées ou verticales ; de sorte que les déplacements de fluides sont limités en cas d'accélération horizontale ; - la structure de compartiment est formée en acier inox ; moyennant quoi sa durabilité est très satisfaisante ; - la structure de compartiment est formée en plastique compatible avec le fluide de travail en particulier le méthanol ; moyennant quoi elle est compatible avec ce fluide communément utilisé, sa durée de vie est satisfaisante et son coût est faible ; - lesdits plusieurs volumes distincts sont formés dans une structure maillée serrée (tissu métallique) ; moyennant 15 quoi une alternative à la structure de parois est proposée ; - la structure de compartiment comprend un matériau à changement de phase conférant une inertie thermique ; moyennant quoi l'effet de 'cold shock' est encore 20 amoindri ; - le réservoir comprend un déflecteur de jet d'entrée ; moyennant quoi l'effet de jet produit par l'entrée du liquide dans le réservoir est limité à une zone restreinte ; 25 - le réservoir peut être adjacent à l'évaporateur ou le réservoir peut être intégré à l'évaporateur ; moyennant quoi l'intégration mécanique du réservoir peut être améliorée ; - le dispositif comprend en outre un organe anti retour 30 agencé entre le volume intérieur du réservoir et la masse microporeuse de l'évaporateur, et agencée pour empêcher que du liquide présent dans l'évaporateur ne se déplace vers le volume intérieur du réservoir ; - le dispositif est principalement soumis à la gravité, et 35 l'organe anti retour comprend un flotteur; le dispositif de transfert thermique est préférentiellement dépourvu de pompe mécanique ; de sorte que sa fiabilité est augmentée ; - le dispositif comprend en outre un élément d'apport 5 d'énergie au niveau du réservoir pour contrôler la mise en pression de la boucle lors du démarrage ; de sorte que le démarrage de la boucle peut être fiabilisé. D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de 10 plusieurs modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en regard des dessins joints sur lesquels : - la figure 1 est une vue générale d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention, 15 - la figure 2 est une variante du dispositif de la Figure 1, - la figure 3 montre de façon plus détaillée le réservoir du dispositif de la figure 2, - les figures 4a et 4b montre des structures de 20 compartiment dans le réservoir du dispositif des figures 1 et 2, - la figure 5 est analogue à la figure 3 et montre une variante du réservoir du dispositif de la figure 2. - la figure 6 est une variante du dispositif de la 25 Figure 1. Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. La figure 1 montre un dispositif de transport de chaleur à pompage capillaire, à boucle fluide diphasique. 30 Le dispositif comprend un évaporateur 1, ayant une entrée la et une sortie lb, et une masse microporeuse 10 adaptée pour assurer un pompage capillaire. A cet effet, la masse microporeuse 10 entoure un évidement longitudinal central borgne 15 en communication avec l'entrée la pour recevoir 35 du fluide de travail 9 à l'état liquide depuis un réservoir 3. L'évaporateur 1 est thermiquement couplé à une source chaude 11, comme par exemple un ensemble comprenant des composants électroniques de puissance ou tout autre élément générant de la chaleur, par exemple par effet joule, ou par tout autre processus. Sous l'effet de l'apport de calories au contact 16 de la masse microporeuse emplie de liquide, du fluide passe de l'état liquide à l'état vapeur et s'évacue par la chambre de transfert 17 et par un premier circuit de communication 4 qui achemine ladite vapeur vers un condenseur 2 ayant une entrée 2a et une sortie 2b. Dans l'évaporateur 1, les cavités libérées par la vapeur évacuée sont comblées par du liquide aspiré par la masse microporeuse 10 à partir de l'évidement central 15 susmentionné ; il s'agit du phénomène de pompage capillaire bien connu en soi. A l'intérieur dudit condenseur 2, de la chaleur est cédé par le fluide en phase vapeur à une source froide 12, ce qui provoque un refroidissement du fluide vapeur et son changement de phase vers la phase liquide, autrement dit sa condensation. Au niveau du condenseur 2, la température du fluide de travail 9 est abaissée en dessous de sa température d'équilibre liquide-vapeur, ce qui est aussi appelé sous-refroidissement ('sub cooling' en anglais) de sorte que le fluide ne peut pas repasser à l'état vapeur sans apport conséquent de chaleur. La pression de vapeur pousse le liquide en direction 30 de la sortie 2b du condenseur 2 qui débouche sur un deuxième circuit de communication 5, relié par ailleurs au réservoir 3. Le réservoir présente au moins un orifice d'entrée et/ou sortie 31, ici en l'occurrence sur la figure 1 un orifice d'entrée 31a et un orifice de sortie 31b distincts, et le réservoir 3 présente un volume intérieur 30, rempli du fluide caloporteur 9. Le fluide de travail 9 peut être par exemple de l'ammoniac ou tout autre fluide approprié, mais on peut choisir préférentiellement du méthanol. Le fluide de travail 9 est diphasique et se présente pour partie sous phase liquide 9a et pour partie sous phase vapeur 9b. Dans un environnement où une gravité s'exerce (verticale selon Z), la partie de phase gazeuse 9b se situe au dessus de la partie de phase liquide 9a et une interface liquide-vapeur 19 sépare les deux phases (surface libre du liquide dans le réservoir). C'est la température de cette surface de séparation 19 qui détermine la pression dans la boucle, cette pression 15 correspond à la pression de saturation du fluide à la température prévalant à la surface de séparation 19. Au niveau de la base du réservoir 34, la température du liquide est généralement inférieure à la température prévalant à la surface de séparation 19. 20 Pour un fonctionnement correct de la boucle à pompage capillaire, il faut éviter que la température qui prévaut à la surface de séparation 19 évolue rapidement, et éviter en particulier un mélange de la phase liquide 9a qui a tendance à ramener du liquide froid du bas du réservoir 25 vers le haut et donc de faire chuter la température de surface, et par la même la pression. Ce phénomène de chute brutale de température et de pression est appelé communément 'cold shock' et doit être évité. 30 Les premier et second circuits de communication fluide 4,5 sont de préférence des conduites tubulaires, mais il pourrait s'agir d'autres types de conduites ou de canaux de communication fluides (conduites rectangulaires, flexibles, etc.). 35 De même, le deuxième circuit de communication fluide peut être sous la forme de deux conduites indépendantes distinctes 5a,5b (cf. Fig 1) ou d'une seule conduite avec un raccord en 'T' 5c (cf. Fig 2). Ces configurations de conduites restent pertinentes 5 lorsque plusieurs et/ou plusieurs condenseurs sont connectés en parallèle. Dans tous les cas, le deuxième circuit de communication fluide 5 relie la sortie du condenseur 2b à l'entrée de l'évaporateur la, soit indirectement en passant par le réservoir (cas de deux conduites indépendantes) soit directement (cas ou d'une seule conduite avec 'T'). En vue d'éviter les phénomènes de mélange au sein du réservoir qui sont propices au phénomène de 'cold shock', il est prévu, à l'intérieur du réservoir plusieurs volumes distincts séparés les uns des autres mais lesdits volumes distincts restant en communication fluide. En particulier, et plus précisément, dans le réservoir peuvent être agencées une pluralité de parois internes 7 adaptées pour séparer lesdits plusieurs volumes distincts. Toutefois, selon une alternative, lesdits plusieurs volumes distincts peuvent être formés dans une structure maillée serrée (non représentée sur les figures), comme par exemple une structure de type paille de fer, ou encore une structure de type éponge ou une structure macroporeuse, ou encore un empilage de sphères creuses percées de petits orifices. De plus, avantageusement selon l'invention, le réservoir comprend un déflecteur de jet d'entrée 8 au voisinage de l'orifice d'entrée 31a ou de l'orifice d'entrée/sortie 31 selon la configuration de la deuxième conduite. Ce déflecteur de jet d'entrée empêche qu'une arrivée rapide de liquide dans le réservoir ne crée un bouillonnement ou un courant favorisant le mélange du 35 liquide. Il peut se présenter sous la forme d'un profilé en U orienté vers le bas, ou d'une cloche ou de toute autre forme créant une déviation suffisante de la trajectoire du jet d'entrée. La figure 3 montre une structure de compartiment 71, avec des parois verticales 7, c'est-à-dire orientées selon la direction de gravité. Il est toutefois à noter que les parois peuvent tout aussi bien être légèrement ou substantiellement inclinées, comme illustré par exemple sur le Figure 1. De préférence, la structure de compartiment est régulière, c'est-à-dire qu'un certain motif géométrique est répété plusieurs fois. Il est à noter que le réservoir peut avoir une forme quelconque, et en particulier parallélépipédique ou cylindrique. De plus, la structure de compartiment peut être formée en acier inox pour lui conférer une bonne durabilité. En outre, la structure de compartiment peut être formée en plastique compatible du fluide de travail et en particulier du méthanol ; moyennant quoi elle est compatible avec ce fluide communément utilisé pour les applications terrestres, sa durée de vie est satisfaisante et son coût est faible. Selon un aspect de la présente invention, lesdits plusieurs volumes distincts communiquent par des passages de section de faible, de préférence inférieure au 1/10 de la plus grande section du réservoir. Par exemple comme illustré sur la figure 3, les parois internes 7 présentent des orifices 70 dont la section de passage est petite, ceci afin de créer un amortissement hydraulique entre les volumes distincts. Les passages entre les volumes distincts peuvent aussi se situer à la base des compartiments, sans orifice sur la hauteur des compartiments. Dans ce cas, une grille 28 percée d'une pluralité de trous de faible section permet au fluide de se déplacer entre les compartiments en passant par une chambre de transfert 29 située dans la zone de base 34 du réservoir. Cette grille 28 dite aussi de diffusion peut avantageusement servir de support pour la structure de compartiments 71. La hauteur des parois peut être comprise entre 30% et 5 90% de la hauteur du réservoir, et sera choisie en particulier pour que la surface supérieure 19 du liquide ne dépasse pas l'extrémité supérieure des parois 7. De façon avantageuse, on peut choisir une structure en nid d'abeille de maille hexagonale ou un structure à 10 maille carrée, comme illustré respectivement aux figures 4a et 4b. Les compartiments de forme hexagonale 77, (respectivement carrée 78) communiquent entre par leur ouverture inférieure 76 (respectivement 79). De plus, la pluralité de parois peut comporter des 15 parois orientées différemment les unes des autres. En particulier, il peut y avoir certaines parois parallèles au plan XZ, d'autres parallèles au plan XY et d'autres parallèles au plan YZ : ainsi on peut limiter les mouvements selon toutes les directions dans l'espace, ce 20 qui est particulièrement avantageux si le dispositif est embarqué à bord d'un aéronef. Par ailleurs la taille des cellules ne doit pas être trop fine (inférieure au millimètre) sinon la structure piège le liquide par capillarité et demande un sur- 25 remplissage pour éviter d'assécher la boucle lors des démarrages en conditions froides ou des baisses de puissances. Selon un autre aspect avantageux de l'invention, la structure de compartiment comprend un matériau à changement 30 de phase conférant une inertie thermique à ladite structure qui concourt à limiter les écarts brusques de température. La figure 5 est analogue à la figure 3 et montre une variante du réservoir du dispositif avec une entrée de liquide en partie basse et sur le coté 35, ce qui peut 35 permettre de simplifier le déflecteur de jet d'entrée 8. Le déflecteur de jet d'entrée 8 peut alors se réduire à une plaque s'étendant horizontalement ou à une prolongation percée d'une multitude de trous du tube 5. De plus, comme illustré à la figure 6 (analogue à la 5 figure 1), le dispositif peut comprendre accessoirement en outre un organe anti-retour 6, agencé entre le volume intérieur 30 du réservoir et la masse microporeuse 10 de l'évaporateur, pour empêcher que du liquide présent dans l'évaporateur ne se déplace vers le volume intérieur du 10 réservoir. Cet organe anti-retour 6 permet d'éviter un mouvement de liquide depuis l'évaporateur en direction du réservoir lors du déclenchement de l'ébullition lors des phases de démarrage du système. De façon préférentielle, cet organe anti-retour 6 15 peut comporter un flotteur (non représenté en détail) dont la densité est légèrement inférieure à la densité du fluide en phase liquide. Par ailleurs, le dispositif peut comprendre en outre un élément d'apport d'énergie 36, par exemple un élément de 20 chauffage ou de mise en pression, situé au niveau du réservoir pour contrôler la mise en pression de la boucle lors du démarrage. Un système de commande 'Ctrl' 38 pilote, dans le cas d'un élément de chauffage, l'apport de calories sur cet élément de chauffage 36, en fonction d'une 25 information de température et/ou une information de pression délivrées par des capteurs (non représentés), et ceci afin d'assurer le démarrage de la boucle diphasique. L'élément chauffant peut être situé aussi bien dans la phase liquide et/ou la phase vapeur. Préférentiellement 30 cet élément est situé dans la phase liquide et génère de la vapeur vers la partie supérieure du réservoir. La régulation avec l'élément chauffant sera facilitée par la présence d'une source froide en contact de ce dernier (air ambiant, ou autre). De plus, ce système de commande 'Ctrl' 35 peut aussi préparer la boucle diphasique à une arrivée imminente et importante de calories sur l'évaporateur, ce qui permet d'anticiper la réaction de la boucle diphasique par rapport au besoin de dissipation thermique. Le dimensionnement de la boucle peut être ainsi optimisé pour des quantités de chaleur importante à évacuer. Avantageusement selon l'invention, le dispositif est dépourvu d'une quelconque pompe mécanique bien que l'invention n'exclut pas la présence d'une pompe mécanique d'appoint. REVENDICATIONS1. Dispositif de transfert thermique à pompage capillaire, 5 adapté pour extraire de la chaleur depuis une source chaude (11) et pour restituer cette chaleur à une source froide (12) au moyen d'un fluide de travail diphasique contenu dans un circuit général clos, comprenant : - au moins un évaporateur (1), ayant une entrée et une 10 sortie, et une masse microporeuse (10) adaptée pour assurer un pompage capillaire de fluide en phase liquide - au moins un condenseur (2), ayant une entrée et une sortie, - un réservoir (3) ayant un volume intérieur (30), et au 15 moins un orifice d'entrée et/ou sortie (31 ;31a,31b), - un premier circuit de communication (4), pour du fluide essentiellement en phase vapeur, reliant la sortie de l'évaporateur à l'entrée du condenseur, - un deuxième circuit de communication (5), pour du fluide 20 essentiellement en phase liquide, reliant la sortie du condenseur au réservoir et à l'entrée de l'évaporateur, caractérisé en ce que le réservoir (3) comprend plusieurs volumes distincts, lesdits volumes distincts restant en communication fluide. 25 2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant une pluralité de parois internes (7) formant des compartiments adaptés pour séparer lesdits plusieurs volumes distincts. 30 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel lesdits plusieurs volumes distincts communiquent par des passages de faible section, de préférence inférieure au 1/10 de la plus grande section du réservoir. 35 4. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 3, danslequel la pluralité de parois internes forme une structure de compartiments régulière. 5. Dispositif selon la revendication 4, principalement 5 soumis à la gravité terrestre, dans lequel les parois forment des cloisons inclinées ou verticales. 6. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 5, dans lequel la structure de compartiment prend la forme d'une 10 structure en nid d'abeille. 7. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, dans lequel la structure de compartiment comprend un matériau à changement de phase conférant une inertie thermique. 15 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le réservoir comprend un déflecteur de jet d'entrée (8) au voisinage de l'orifice d'entrée. 20 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le réservoir peut être adjacent à l'évaporateur ou le réservoir peut être intégré à l'évaporateur. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, 25 comprenant un organe anti retour (6) agencé entre le volume intérieur (30) du réservoir et la masse microporeuse (10) de l'évaporateur, et agencé pour empêcher que du liquide présent dans l'évaporateur ne se déplace vers le volume intérieur du réservoir. 30 11. Dispositif selon la revendication 10, principalement soumis à la gravité terrestre, dans lequel l'organe anti retour comprend un flotteur (60). 35 12. Dispositif de transfert thermique selon la selon l'unedes revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est dépourvu de pompe mécanique. 13. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, 5 comprenant en outre un élément d'apport d'énergie au niveau du réservoir pour contrôler la mise en pression de la boucle lors du démarrage.