Brevet FR3097475A1 — publié le 20201225

Description Titre de l'invention : Système de refroidissement de modules électriques et véhicule électrique comportant un tel système [0001] La présente invention concerne un système de refroidissement de modules électriques et un véhicule électrique comportant un tel système. [0002] L'invention s'applique notamment aux véhicules électriques ou bien hybrides équipés de composants électriques ou bien électroniques à refroidir tels que les convertisseurs, onduleurs ou chargeurs embarqués. [0003] Les composants électroniques de véhicules électriques sont généralement refroidis par de l'air en convection naturelle ou forcée ou de l'eau en circulation forcée. [0004] La première méthode est limitée dès qu'il s'agit d'évacuer des puissances au-delà de quelques centaines de Watts, dans ce cas on favorise les refroidissements par eau qui sont de meilleure efficacité niais plus contraignants en terme d'intégration car il faut s'adapter à une boucle de refroidissement liquide du véhicule quand elle existe. [0005] Un autre système de refroidissement existant est le tuyau de chaleur à boucle (de l'anglais « loop hcat pipe »). Ce système comporte : - une chambre d'évaporation présentant une paroi d'échange thermique destinée à être plaquée contre une source de chaleur à dissiper afin de transférer de la chaleur dégagée par cette source à un fluide caloporteur présent dans la chambre d'évaporation pour provoquer l'évaporation d'au moins une partie de cc fluide caloporteur ; - un condenseur conçu pour condenser au moins une partie du fluide caloporteur provenant des chambres d'évaporation ; - une tuyauterie dc transport du fluide caloporteur entre le condenseur et la chambre d'évaporation ; et - une structure capillaire agencée pour pomper par capillarité le fluide caloporteur afin de le mettre en mouvement dans la tuyauterie. [0006] L'invention vise à proposer un système de refroidissement à la fois efficace et avec un coût raisonnable. [0007] À cet effet, il est proposé un système de refroidissement destiné à refroidir des modifies électriques, comportant : - des chambres d'évaporation présentant chacune une paroi d'échange thermique destinée à être plaquée contre un respectif des modules électriques afin de transférer de la chaleur dégagée par ce module électrique lors de son fonctionnement à un fluide caloporteur présent dans la chambre d'évaporation pour provoquer l'évaporation d'au moins une pallie de ce fluide caloporteur ; - un condenseur conçu pour condenser au moins une partie du fluide caloporteur provenant des chambres d'évaporation ; - une tuyauterie de transport du fluide caloporteur entre le condenseur et les chambres d'évaporation ; et - au moins une structure capillaire agencée pour pomper par capillarité le fluide caloporteur afin de le mettre en 2 mouvement dans la tuyauterie. [0008] Le système de refroidissement de l'invention utilise ainsi le principe du tuyau de chaleur à boucle, avec les avantages principaux associés : l'efficacité du transport de chaleur grâce au grand pouvoir d'absorption et de restitution de chaleur d'un changement de phase et l'absence de pompe. Cependant, l'invention propose une approche « système » dans laquelle les chambres d'évaporation sont connectées en réseau pour n'utiliser qu'un seul condenseur. Ainsi, l'invention évite la multiplication des condenseurs et les coûts associés. [0009] De façon optionnelle, chaque structure capillaire comporte des microbilles compactées, par exemple en cuivre. [0010] De façon optionnelle également, le condenseur présente une paroi d'échange thermique et le système comporte en outre un ventilateur conçu pour générer un flux d'air en direction de la paroi d'échange thermique. [0011] De façon optionnelle également, la paroi d'échange thermique du condenseur est pourvue d'ailettes externes entre lesquelles le flux d'air passe. [0012] De façon optionnelle également, le condenseur est à tubes ou bien à micro-canaux. [0013] De façon optionnelle également, la tuyauterie connecte une entrée et une sortie de chaque module d'évaporation à respectivement une sortie et une entrée du condenseur. [0014] De façon optionnelle également, en considérant les modules d'évaporation ordonnés depuis un premier jusqu'à un dernier, la tuyauterie connecte : - une sortie du condenseur à une entrée du premier module d'évaporation ; - pour chaque module d'évaporation sauf le dernier, une sortie de ce module d'évaporation à une entrée du suivant ; et - une sortie du dernier module d'évaporation à une entrée du condenseur. [0015] 11 est également proposé un véhicule automobile comportant : - des modules électriques ; et - un système selon l'invention de refroidissement de ces modules électriques. [0016] De façon optionnelle, Fun des modules électriques est un onduleur ou bien un convertisseur de puissance ou de tension ou encore un système de gestion de batterie (en anglais « Battery Management System » ou BMS). Le convertisseur de tension peut être réversible ou pas. Le convertisseur de tension peut convertir une tension continue en une tension continue ou encore une tension continue en une tension alternative ou vice-versa. [0017] De façon optionnelle également, les modules d'évaporation considérés dans l'ordre sont respectivement associés à des modules électriques de chaleur dégagée en fonctionnement croissante. [0018] L'invention sera mieux comprise à la lumière de la desciiption qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faisant référence aux figures suivantes : [0019] [fig.1] est une vue en coupe de côté d'un véhicule automobile comportant des 3 modules électriques et un système selon l'invention de refroidissement de ces modules électriques. [0020] [fig.2] est une vue en coupe de côté d'un module d'évaporation du système de refroi- dissement de la figure 1. [0021] [fig.3] est une vue en trois dimension d'un condenseur et d'un ventilateur du système de refroidissement de la figure 1, le condenseur ayant une face avant en transparence de manière à voir des micro-canaux internes au condenseur. [0022] [fig.4] est un schéma illustrant le système de refroidissement de la figure 1, avec une tuyauterie selon un premier mode de réalisation de l'invention. [0023] [fig.5] est un schéma illustrant le système de refroidissement de la figure 1 avec une tuyauterie selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. [0024] En référence à la figure 1, un véhicule automobile 100 mettant en oeuvre l'invention va à présent être décrit. [0025] Le véhicule automobile 100 comporte tout d'abord des modules électriques 102, par exemple des modules électroniques. Chaque module électrique 102 est susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement. Chaque module électrique 102 est par exemple un onduleur ou bien un convertisseur de puissance ou encore un système de gestion de batterie. [0026] Le véhicule automobile 100 comporte en outre un système de refroidissement 104 des modules électriques 102. [0027] Le système de refroidissement 104 comporte tout d'abord des modules d'évaporation 106 respectivement associées aux modules électriques 102, un condenseur 108 commun aux modules d'évaporation 106 et une tuyauterie 110 de transport d'un fluide caloporteur entre le condenseur 108 et les modules d'évaporation 106. [0028] Plus précisément, chaque module d'évaporation 106 est conçu pour évacuer la chaleur dégagée par le module électrique 102 associé en utilisant cette chaleur pour faire s'évaporer au moins une partie d'un fluide caloporteur provenant du condenseur 108. De son côté, le condenseur 108 délimite un espace de condensation dans lequel au moins une partie du fluide caloporteur provenant des modules d'évaporation 106 est destiné à se condenser, i.e. à passer en phase liquide. [0029] Le fluide caloporteur change de phase dans le système de refroidissement 104, de sorte qu'il est appelé fluide diphasique. Il s'agit par exemple d'eau, d'acétone, de r134a, de 1234yf ou bien de R1233. [0030] En référence à la figure 2, chaque module d'évaporation 106 présente une entrée 204 et une sortie 206 de fluide caloporteur. Chaque module d'évaporation 106 comporte une structure capillaire 208 agencée, à la suite de l'entrée 204, pour pomper par capillarité le fluide caloporteur afin de le mettre en mouvement dans la tuyauterie 110. Ainsi, le fluide caloporteur est mis en mouvement de manière passive, sans nécessiter de pompe. La structure capillaire 208 comporte par exemple des microbillcs compactées, par exemple de cuivre, délimitant des pores ayant par exemple un diamètre d'au plus 100 pm. [0031] Chaque module d'évaporation 106 présente en outre une chambre d'évaporation 210 s'étendant entre la structure capillaire 208 et la sortie 206 de fluide caloporteur. La chambre d'évaporation 210 présente notamment une paroi 212 d'échange thermique plaquée contre le module électrique 102 associé afin de transférer la chaleur dégagée par ce module électrique 102 au fluide caloporteur présent dans la chambre d'évaporation 210 pour provoquer l'évaporation d'au moins une partie de ce fluide caloporteur. Après cette évaporation, le fluide caloporteur sort de la chambre d'évaporation par la sortie 206. La paroi 212 est par exemple en cuivre ou bien en aluminium. [0032] Le module d'évaporation 106 peut former un couvercle ou un élément de fermeture du module électrique 102 à refroidir. [0033] En référence à la figure 3, le condensateur 108 présente une entrée 302 et une sortie 304 de fluide caloporteur et comporte en outre des tubes ou des micro-canaux 306 s'étendant entre l'entrée 302 et la sortie 304 et dans lesquels le fluide caloporteur s'écoule. Le condensateur 108 comporte en outre une paroi 308 d'échange thermique agencée pour être en contact avec une source froide afin d'évacuer la chaleur du fluide caloporteur en provoquant la condensation de cc dernier. La source froide est par exemple un flux d'air 310. Pour générer ce dernier, le système de refroidissement 104 comporte par exemple un ventilateur 312, par exemple fixé à la paroi 308. Pour améliorer l'échange thermique, la paroi 308 est par exemple pourvue d'ailettes externes 312 entre lesquelles le flux d'air 310 passe. Ces ailettes externes 312 peuvent être pourvues de persiennes (non représentées). [0034] Alternativement, le condenseur 108 peut être placé derrière une face avant du véhicule automobile, notamment à proximité ou bien au contact d'un échangeur de face avant, de manière à profiter des capacités de refroidissement de la face avant, en utilisant par exemple comme flux d'air 310 celui entrant dans le véhicule automobile par la face avant. [0035] Alternativement encore, le condenseur 108 peut être placé à proximité ou au contact d'un module HVAC (« Heating, Ventilation and Air-Conditioning » soit, en français, chauffage, ventilation et climatisation ») de véhicule automobile de manière à profiter des capacités de refroidissement du module HVAC. [0036] En référence à la figure 4, dans l'exemple décrit, la tuyauterie 110 connecte les modules d'évaporation 106 en parallèle les uns des autres, c'est-à-dire connecte l'entrée 204 et la sortie 206 de chaque module d'évaporation 106 à respectivement la sortie 304 et l'entrée 306 du condenseur 108. Plus précisément, dans l'exemple décrit, la tuyauterie 110 comporte, pour chaque module d'évaporation 106, des première et deuxième conduites 402, 404 connectées respectivement à l'entrée 204 et la sortie 206 de cc module d'évaporation 106. La tuyauterie 110 comporte en outre, d'une part, un premier dispositif d'embranchement 406 (un raccord à quatre voies dans l'exemple illustré) connecté à la sortie 304 du condenseur 108 pour séparer cette sortie 304 entre les premières conduites 402. D'autre part, la tuyauterie 110 comporte un deuxième dispositif d'embranchement 408 (un raccord à quatre voies dans l'exemple illustré) faisant se rejoindre les deuxièmes conduites 404 pour les connecter à l'entrée 306 du condenseur 108. [0037] En référence à la figure 5, dans un autre mode de réalisation, la tuyauterie 110 connecte les modules d'évaporation 106 en série les uns des autres, c'est-à-dire, en considérant les modules d'évaporation 106 ordonnés depuis un premier jusqu'à un dernier, la tuyauterie 110 connecte (i) la sortie 304 du condenseur 108 à l'entrée 204 du premier module d'évaporation 106 (par une conduite 502 sur la figure 5), (i i) pour chaque module d'évaporation 106 sauf le dernier, la sortie 206 de cc module d'évaporation 106 à l'entrée 204 du suivant (par les conduites 504 sur la figure 5), et (Iii) la sortie 206 du dernier module d'évaporation 106 à l'entrée 306 du condenseur 108 (par la conduite 506 sur la figure 5). [0038] Ainsi, dans ce mode de réalisation, le premier module d'évaporation 106 reçoit le fluide caloporteur principalement sous forme liquide, tandis que chacun des autres modules d'évaporation 106 reçoit le fluide caloporteur sous forme diphasique, c'est-à-dire en partie sous forme liquide et en partie sous forme gazeuse, la proportion de la phase gazeuse augmentant à chaque sortie de module d'évaporation 106. Le dernier module d'évaporation 106 fournit alors le fluide caloporteur principalement sous forme gazeuse, afin d'être condensé dans le condenseur 108. [0039] Afin d'assurer un bon fonctionnement en série, il est préférable que le fluide entrant dans chaque module d'évaporation 106, en particulier dans les derniers, soit au moins en partie sous forme liquide et non entièrement sous forme gazeuse. Pour cela, les modules d'évaporation 106 considérés dans leur ordre (suivant leur connexion par la tuyauterie 110) sont respectivement associés à des modules électriques 102 de chaleur dégagée en fonctionnement croissante. Ainsi, en particulier, le premier module d'évaporation 106 (celui de droite sur la figure 5) est associé au module électrique 102 dégageant le moins de chaleur, tandis que le dernier module d'évaporation 106 (celui de gauche sur la figure 5) est associé au module électrique 102 dégageant le plus de chaleur. [0040] La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits. Il sera en effet apparent à l'homme du métier que des modifications peuvent y être apportées. 6 [0041] En outre, les termes utilisés dans les revendications ne doivent pas être interprétés comme limités aux éléments des modes de réalisation précédemment décrits, mais doivent au contraire être interprétés comme incluant tous les éléments équivalents dont la prévision est à la portée de l'homme du métier appliquant ses connaissances générales. 7 [Revendication 1] REVENDICATIONSSystème (104) de refroidissement destiné à refroidir des modules électriques (102), comportant : a. des chambres d'évaporation (210) présentant chacune une paroi (212) d'échange thermique destinée à être plaquée contre un respectif des modules électriques (102) afin de transférer dc la chaleur dégagée par ce module électrique (102) lors de son fonctionnement à un fluide caloporteur présent dans la chambre d'évaporation (210) pour provoquer l'évaporation d'au moins une partie de cc fluide caloporteur, b. un condenseur (108) conçu pour condenser au moins une partie du fluide caloporteur provenant des chambres d'évaporation (210), c. une tuyauterie (110) de transport du fluide caloporteur entre le condenseur (108) et des modules d'évaporation (210), et d. au moins une structure capillaire (208) agencée pour pomper par capillarité le fluide caloporteur afin de le mettre en mouvement dans la tuyauterie (110). [Revendication 2] Système (104) selon la revendication 1, dans lequel chaque structure ca- pillaire (208) comporte des microbillcs compactées, par exemple en cuivre. [Revendication 3] Système (104) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le condenseur (108) présente une paroi d'échange thermique (308) et comportant en outre un ventilateur (312) conçu pour générer un flux d'air (310) en direction de la paroi d'échange thermique (308). [Revendication 4] Système (104) selon la revendication 3, dans lequel la paroi d'échange thermique (308) du condenseur (108) est pourvue d'ailettes externes (312) entre lesquelles le flux d'air (310) passe. [Revendication 5] Système (104) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le condenseur (108) est à tubes ou bien à micro-canaux. [Revendication 6] Système (104) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la tuyauterie (110) connecte une entrée (204) et une sortie (206) de chaque module d'évaporation (106) à respectivement une sortie (304) et une entrée (306) du condenseur (108). [Revendication 7] Système (104) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans 8 lequel, en considérant les modules d'évaporation (106) ordonnés depuis un premier jusqu'à un dernier, la tuyauterie (110) connecte : a. une sortie (304) du condenseur (108) à une entrée (204) du premier module d'évaporation (106), b. pour chaque module d'évaporation (106) sauf le dernier, une sortie (206) de ce module d'évaporation (106) à une entrée (204) du suivant, et c. une sortie (206) du dernier module d'évaporation (106) à une entrée (306) du condenseur (108). [Revendication 8] Véhicule automobile (100) comportant : a. des modules électriques (102), et b. un système (110) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 de refroidissement de ces modules électriques (102). [Revendication 9] Véhicule automobile (100) selon la revendication 8, dans lequel l'un des modules électriques (102) est un onduleur ou bien un convertisseur de puissance ou encore un système de gestion de batterie. [Revendication 10] Véhicule automobile (100) selon la revendication 8 ou 9, dans lequel le système dc refroidissement (110) est conforme à la revendication 7 et dans lequel les modules d'évaporation (108) considérés dans l'ordre sont respectivement associés à des modules électriques (102) de chaleur dégagée en fonctionnement croissante.