Brevet FR3017451A1 — publié le 20150814

Système de refroidissement de source chaude La présente invention concerne, de manière générale, un système de refroidissement de source chaude. Dans une application particulièrement intéressante, l'invention concerne un système de refroidissement d'une source chaude constitué par exemple par un transistor, tel qu'un transistor IGBT (pour « insulated gate bipolar transistor », en langue anglaise) ou un boîtier électrique, notamment embarqué à bord d'aéronefs. Plus particulièrement, l'invention concerne un système de refroidissement d'une source chaude fondé sur l'utilisation d'un circuit en boucle fermée contenant un fluide ayant une ou plusieurs phases. Un tel circuit en boucle fermée constitue un système de refroidissement d'une source chaude sous l'effet d'une source froide éloignée par l'intermédiaire d'échangeurs de chaleurs en relation d'échange thermique avec la source chaude et avec la source froide, respectivement. Il peut s'agir d'un circuit en boucle contenant un fluide ayant une seule phase. En se référant à la figure 1, un circuit 1 de fluide à une seule phase comprend une zone 2 relativement chaude en relation d'échange thermique avec une source chaude Sc et une zone 3 relativement froide en relation d'échange thermique avec une source chaude SF, dotées chacune d'un échangeur de chaleur, et constitue un système de refroidissement qui utilise principalement le transfert de chaleur par conduction du fluide dans le système. Le fluide se déplace par pompage actif dans le circuit au moyen d'une pompe P. Il peut encore s'agir d'une boucle diphasique, c'est-à-dire contenant un fluide ayant deux phases. Une boucle diphasique est un système qui utilise principalement les chaleurs latentes de changement d'état gaz-liquide d'un fluide qui se déplace par pompage actif ou par circulation passive auto-entretenue. Une boucle diphasique utilise un fluide qui se présente dans deux états différents, à savoir liquide et gaz. On a représenté sur les figures 2 et 3, sur lesquelles des éléments identiques à ceux de la figure 1 portent les mêmes signes de référence, un schéma de principe d'une boucle diphasique. Comme on le voit sur ces figures, une boucle diphasique comporte un circuit de fluide 1 en boucle fermée comprenant une partie chaude 2 équipée d'un évaporateur E qui prélève de la chaleur en provenance d'une source chaude S, (flèche F1) et une partie froide 3 dotée d'un condenseur C qui délivre de la chaleur à une source froide Sf (flèche F2). Au contact de la chaleur délivrée par la source chaude Sc, le fluide circulant dans le circuit 1 se vaporise dans l'évaporateur. La vapeur circulant dans le circuit est ensuite délivrée au condenseur. Le liquide en sortie du condenseur est ensuite amené vers l'évaporateur. Comme représenté, le circuit peut être doté d'un réservoir de contrôle 4 et d'un isolateur 5. Comme indiqué précédemment, la circulation du fluide dans le circuit de fluide en boucle fermée 1 peut être soit passive, soit active en utilisant une pompe. L'utilisation d'une pompe est avantageuse dans la mesure où elle augmente la vitesse de circulation du fluide. Toutefois, la fiabilité d'un système de refroidissement utilisant une pompe n'est plus compatible avec les exigences requises dans certains domaines, en particulier dans le domaine de l'aéronautique. L'utilisation d'un circuit fluidique en boucle fermée ayant une circulation passive auto-entretenue améliore considérablement la fiabilité. Toutefois, la vitesse de circulation du fluide n'est plus suffisante. Le but de l'invention est donc de palier ces inconvénients et de fournir un système de refroidissement d'une source chaude capable de garantir une vitesse de circulation d'un fluide de refroidissement dans un circuit fluidique en boucle fermée tout en conservant une fiabilité relativement importante. L'invention a donc pour objet un système de refroidissement d'une source chaude comprenant un circuit en boucle fermée contenant un fluide ayant une ou plusieurs phases et comprenant une zone relativement chaude et au moins une zone relativement froide et des moyens de transfert du fluide entre la zone relativement chaude et ladite zone relativement froide, les zones relativement chaude et relativement froide ayant chacune un échangeur de chaleur en relation d'échange thermique avec une source chaude et avec une source froide, respectivement. Selon une caractéristique générale de ce système, les moyens de transfert comportent une fluidyne. La fluidyne permet d'augmenter la vitesse de circulation du fluide dans le circuit sans utiliser de pompe et en conservant dès lors une fiabilité élevée. En outre, la fluidyne comporte un circuit de dérivation en communication avec le circuit en boucle fermée et comprenant une première colonne de liquide/gaz en relation d'échange thermique avec la source chaude et une deuxième colonne de liquide/gaz en relation d'échange thermique avec la source froide. Le circuit fermé de dérivation comporte en outre une conduite de gaz entre lesdites première et deuxième colonnes de liquide/gaz. Selon encore une autre caractéristique, le circuit en boucle fermée comporte deux clapets anti-retour placés respectivement en amont et en aval des zones de raccordement du circuit de dérivation au circuit fluidique en boucle fermée. Dans un mode de réalisation, le circuit de fluide contient un fluide à deux phases, et comporte un évaporateur et un condenseur, l'évaporateur et le condenseur étant respectivement en relation d'échange thermique avec la source chaude et la source froide. En variante, le circuit de fluide contient un fluide à une phase et comporte un vase d'expansion. Dans un mode de mise en oeuvre, la source chaude est un transistor, tel qu'un transistor IGBT ou un boîtier électrique. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : les figures 1 à 3, dont il a déjà été fait mention, illustrent la constitution et le principe de fonctionnement d'un circuit de refroidissement contenant un fluide ayant une phase et deux phases, respectivement ; les figures 4, 5, et 6 sont des schémas illustrant la structure et le principe de fonctionnement d'une fluidyne ; et les figures 7 et 8 sont des schémas synoptiques de modes de réalisation d'un système de refroidissement d'une source chaude conforme à l'invention. On se référera tout d'abord aux figures 4, 5, et 6 qui illustrent la structure générale et le principe de fonctionnement d'une fluidyne. Une fluidyne est un moteur de pompage de fluide basé sur le cycle de Stirling. Hormis des clapets, un tel dispositif est dépourvu de pièce mécanique en mouvement. Il s'agit en d'autres termes d'une « motopompe » de fonctionnement simple, fiable et facile à mettre en oeuvre. Comme on le voit, une fluidyne comporte un cylindre chaud 6 et un cylindre froid 7 contenant une fraction liquide et une fraction gazeuse et réunis par leur base et contenant un fluide. L'ensemble constitue, par exemple, un tube en U. Les extrémités supérieures des cylindres chaud et froid sont réunies par un régénérateur R comprenant essentiellement une conduite assurant la mise en communication de la fraction gazeuse des cylindres chaud et froid 6, 7. Le cylindre chaud 6 est par ailleurs en communication fluidique avec un tube T de pompage équipé d'une chambre 8 dotée de deux clapets 9 et 10 entre lesquels est amené le fluide issu du cylindre chaud 6. Le cylindre chaud 6 est en relation d'échange thermique avec une source chaude. Lors du chauffage, la fraction gazeuse présente dans le cylindre chaud 6 se dilate en exerçant une pression sur la colonne de liquide et est transférée par le régénérateur R vers la fraction gazeuse présente dans le cylindre froid 7 en exerçant une pression sur la colonne de liquide présente dans ce cylindre froid. Au contact de la source froide, le gaz se refroidit, son volume diminue et par conséquent sa pression baisse. Cette chute de pression provoque une élévation du niveau de fluide dans le cylindre froid 7 et par conséquent un transfert de gaz vers la fraction gazeuse de la source chaude. En d'autres termes, lors du chauffage de la source chaude, la dilatation résultante de la fraction gazeuse provoque une diminution du niveau de fluide dans la colonne chaude 6 et une poussée du fluide vers le tube de sortie T qui est refoulé, par le clapet anti-retour 10, vers la sortie de ce tube. Au contraire, l'augmentation de pression dans le cylindre froid sous l'effet du transfert de gaz chauffé provoque un rétablissement du niveau initial de liquide dans le tube chaud et une aspiration consécutive du fluide par le tube de sortie T à travers le clapet 9. En d'autres termes, lorsque la température est suffisante pour assurer le déséquilibre des colonnes d'eau dans le cylindre chaud et dans le cylindre froid, les colonnes d'eau prennent un mouvement oscillant et mettent en jeu les deux clapets d'aspiration et de refoulement d'eau 9 et 10. On notera que les modèles industriels de fluidyne sont capables de pomper environ 4,5 litres à la minute, à une hauteur de 2,5 mètres. En se référant maintenant à la figure 7, dans le but d'améliorer la fiabilité et les performances d'une colonne diphasique, on équipe une telle colonne d'une fluidyne afin de permettre une circulation active de fluide dans le circuit fluidique en boucle fermée et ce avec une fiabilité élevée. En d'autres termes, la boucle diphasique, soumise à la gravité, est complétée par une fluidyne. Le système comporte dès lors un petit circuit constituant une fluidyne dont la pression fluctue avec une constante de temps thermique courte et utilisation d'une liaison de gaz de petite section, c'est-à-dire calibrée et un circuit de puissance en boucle fermée de dimensions accrues dont la pression varie moins vite et équipé de deux clapets anti-retour. Le système de refroidissement illustré à la figure 7 comporte en effet une boucle diphasique 12 comportant un circuit fluidique en boucle fermée 13 équipé en évaporateur 14 et d'un condenseur 15 respectivement en relation d'échange thermique avec une source chaude Sc et une source froide SF. Par exemple, la source chaude est constituée par un transistor, par exemple un transistor IGBT, ou par la partie chaude d'un boîtier électrique. En fonctionnement, l'évaporateur vaporise le fluide, par exemple de l'eau qui circule dans le circuit fluidique 13, en prélevant des calories à la source chaude et fournit le gaz circulant dans une conduite de gaz 16 du circuit fluidique 13 au condenseur 15 au niveau duquel le gaz se liquéfie en délivrant des calories à la source froide SF. La fluidyne, désignée par la référence numérique générale 18, est quant à elle réalisée sous la forme d'une dérivation 19 dont l'entrée est raccordée à la sortie du circuit fluidique 13, en sortie du condenseur 15 et dont la sortie est raccordée en amont de l'évaporateur 14, en considérant la circulation du fluide dans le circuit fermé 13. Le circuit fermé de dérivation 19 comporte une première colonne de liquide/gaz 20 en relation d'échange thermique avec la source chaude S, et une deuxième colonne de liquide/gaz 21 en relation d'échange thermique avec source froide SF reliées par une conduite de gaz 22. On notera que si la longueur de la conduite de gaz est supérieure à une distance prédéfinie par exemple de 50 cm, la deuxième colonne de liquide/gaz et le condenseur 15 sont en relation d'échange thermique avec deux sources froides respectives SF1 et SF2. Des clapets anti-retour, tels que 23, par exemple à bille, à clapet, ..., sont prévus dans le circuit fluidique en boucle fermée 13, entre la zone de raccordement du condenseur 15 et la zone de branchement du circuit fermé de dérivation, d'une part, et entre la zone de raccordement de l'évaporateur 14 et la zone de raccordement du circuit 19 de dérivation au circuit fluidique fermé 13, d'autre part. Le fonctionnement de la fluidyne 18 est identique au fonctionnement décrit précédemment en référence aux figures 4 à 6. En d'autres termes, sous l'effet de la chaleur prélevée à partir de la source chaude, l'eau présente dans les colonnes d'eau 20 et 21 adopte un mouvement oscillant et met en jeu les clapets d'aspiration et de refoulement d'eau 22 assurant de la sorte un pompage de l'eau dans le circuit fermé 13. On obtient ainsi une circulation active du fluide dans le circuit 13 et ce dans un agencement particulièrement fiable dans la mesure où il ne comporte aucune pièce mobile. On notera que la boucle diphasique utilise un seul fluide dans deux états différents, liquide ou gaz. La fluidyne utilise un liquide et un gaz, le liquide ne se condensant pas et le gaz ne se vaporisant pas ou peu. Ces fluides peuvent être de diverses natures. On pourra par exemple utiliser de l'eau, de la vapeur d'eau ou de l'air. Par ailleurs, dans le circuit de dérivation de la fluidyne, le fluide liquide agit comme un piston et doit donc rester liquide. C'est donc le gaz présent dans la conduite de gaz 22 qui se dilate. Avantageusement, on pourra utiliser un gaz inerte tel que de l'azote dans la conduite de gaz 22, éventuellement maintenue à une température relativement plus froide pour éviter toute condensation. On notera enfin que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit. En effet, dans le mode de réalisation de la figure 7, le système de refroidissement comporte une boucle diphasique et une fluidyne qui assure une circulation active. Il serait également possible, en variante, de doter le système de refroidissement de plusieurs boucles diphasiques, par exemple au nombre de 3 ou un nombre quelconque de telles boucles, associées à une fluidyne commune pour assurer un pompage synchrone ou associées chacune à une fluidyne. En outre, la topologie des circuits du système de refroidissement peut être adaptée, en particulier en ce qui concerne la longueur des conduites, ou la position des zones de raccordement de la fluidyne au circuit de refroidissement. La position des zones tièdes/chaudes peut également être adaptée, en étant rapprochées ou éloignées de la source chaude. Par ailleurs, des échangeurs de chaleurs utilisés pour mettre en relation d'échange thermique le condenseur ou l'évaporateur avec les colonnes de liquide/gaz de la fluidyne peuvent le cas échéant être intégrés aux colonnes afin d'augmenter l'intégration de la boucle diphasique et de la fluidyne. Il serait également possible de prévoir un système d'amorçage de la fluidyne, ou de prévoir des capteurs de diverses natures, par exemple de température, de pression, ou d'état liquide/gazeux pour surveiller le fonctionnement du système de refroidissement. On notera en outre que les surfaces de liquide dans les cylindres chaud et froid de la fluidyne sont au même niveau ce qui, dans un aéronef, peut contraindre leur éloignement et leur position relative. On notera enfin que, selon un autre mode de réalisation visible sur la figure 8, l'invention s'applique également à un circuit en boucle contenant un fluide ayant une seule phase. Dans ce mode de réalisation, le système de refroidissement comporte une fluidyne 25 similaire à la fluidyne décrite en référence à 5, et un circuit fermé 26 doté de deux clapets 27 situés de part et d'autre de la zone de raccordement de la fluidyne au circuit fermé 26. Comme on le voit, le cylindre chaud 28 de la fluidyne est ici intégré à un échangeur de chaleur 29, lui-même en relation d'échange thermique avec une source chaude Sc. Le cylindre froid 29 est quant à lui associé à un échangeur de chaleur 29 en relation d'échange thermique avec une source froide SF et le circuit de fluide 26 est en relation d'échange thermique avec une source froide par l'intermédiaire d'un échangeur 29' ici intégré au vase d'expansion. Dans ce mode de réalisation, un vase d'expansion 30 est prévu sur le circuit fermé de refroidissement de la boucle diphasique. REVENDICATIONS1. Système de refroidissement d'une source chaude comprenant un circuit (12) en boucle fermée contenant un fluide ayant une ou plusieurs phases et comprenant une zone relativement chaude et au moins une zone relativement froide et des moyens de transfert du fluide entre la zone relativement chaude et ladite zone relativement froide, les zones relativement chaude et relativement froide ayant chacune un échangeur de chaleur en relation d'échange thermique avec une source chaude et avec une source froide, respectivement, caractérisé en ce que les moyens de transfert comportent une fluidyne (18). 2. Système selon la revendication 1, dans lequel la fluidyne comporte un circuit de dérivation en communication avec le circuit en boucle fermée et comprenant une première colonne de liquide/gaz (20) en relation d'échange thermique avec la source chaude et une deuxième colonne de liquide/gaz (21) en relation d'échange thermique avec la source froide. 3. Système selon la revendication 2, dans lequel le circuit de dérivation comporte une conduite de gaz (19) entre lesdites première et deuxième colonnes de liquide/gaz. 4. Système selon l'une des revendications 2 et 3, dans lequel le circuit en boucle fermée comporte deux clapets anti-retour (22) placés respectivement en amont et en aval des zones de raccordement du circuit de dérivation au circuit en boucle fermée. 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le circuit de fluide contient un fluide à deux phases, et comportant un évaporateur (14) et un condenseur (15), l'évaporateur et le condenseur étant respectivement en relation d'échange thermique avec la source chaude et la source froide. 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le circuit de fluide contient un fluide à une phase et comporte un vase d'expansion (30).7, Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la source chaude est un transistor tel qu'un transistor IGBT ou un boîtier électrique.