Brevet FR3097899A1 — publié le 20210101

Description Titre de l'invention : Dispositif de refroidissement Domaine technique [0001] La présente invention concerne le domaine des dispositifs de refroidissement de cartes électroniques. Technique antérieure [0002] Dans le domaine des turbomachines, l'utilisation d'une architecture électronique distribuée pour effectuer la régulation et la protection du moteur nécessite l'implémentation de boitiers électroniques en zone Core (compartiment inter-veines d'un turboréacteur à double flux). Cette zone est beaucoup plus chaude que la zone Fan (autour du carter de soufflante) habituellement utilisée pour accueillir les boitiers de régulation et protection moteur. [0003] Les températures observées dans la zone Core possèdent des maximas bien plus im- portants qu'en zone Fan que cela soit pour la température de l'air environnant mais également de la température des carters accueillant les boitiers électroniques. [0004] En effet, la zone Core, ou compartiment inter-veines, étant située immédiatement autour de la veine primaire d'un turboréacteur à double flux, et notamment autour de la chambre dc combustion et des étages de turbine, les dissipations de chaleur communiquées dans cette zone à l'air ambiant et aux équipements, sont importantes. [0005] Pour faciliter l'intégration des boitiers électroniques dans un tel environnement, il est d'usage d'utiliser des prélèvements sur les circuits hydrauliques disponibles comme source froide pour refroidir via une « plaque froide » les cartes électroniques. C'est-à-dire utiliser un artifice conducteur de chaleur thermiquement connecté à la carte à travers duquel les dissipations de chaleur de la carte électronique sont centralisées, et évacuées. [0006] Dans ce cas de figure, les cartes électroniques sont donc capables d'échanger leurs calories via deux biais : [0007] - Via le châssis sur lequel repose l'électronique ainsi que son boiticr externe ; par conduction et majoritaircment convection vers l'air extérieur (si ce dernier est plus froid). [0008] - Et surtout, via la plaque froide qui fait circuler du carburant à relativement basse température. [0009] Le problème est que dans certaines phases de vol le refroidissement interne par carburant devient pénalisant car il se trouve être beaucoup plus chaud que l'air ambiant. [0010] L'impact d'un refroidissement inadapté dans certaines phases de vol est le suivant : 2 bien que le carburant utilisé ne soit pas suffisamment chaud pour endommager directement les cartes, la mise en température « moyenne haute » des cartes électroniques par le circuit hydraulique de manière cyclique réduit considérablement la durée de vie des cartes électroniques embarquées en zone Core. Cette dégradation est notamment due à la différence de dilation entre les supports de composants (PCB) et les composants électroniques. [0011] Dans ce contexte, il est nécessaire de fournir une solution permettant de s'affranchir de cet impact négatif sur la durée de vie des cartes électroniques quand l'architecture de refroidissement choisie utilise un système hydraulique comprenant une plaque irriguée par un fluide (très souvent du carburant) dont la température est variable au cours d'un vol. Le carburant traversant la plaque étant normalement prélevé à une température inférieure à celle des composants électroniques à refroidir, la plaque est appelée plaque froide. Exposé de l'invention [0012] Selon un premier aspect, l'invention propose un dispositif de refroidissement d'une carte électronique d'une turbomachine, comprenant un châssis et un échangeur thermique comprenant une plaque, dite plaque froide, traversée par un circuit hydraulique, chacun en échange thermique avec la carte électronique, le châssis présentant au moins une ailette de dissipation d'une énergie calorifique. Le dispositif comprend en outre un organe de contrôle permettant de contrôler le débit d'un fluide circulant dans le circuit hydraulique en fonction d'au moins une température mesurée du châssis, et/ou de la carte électronique, et/ou de la plaque froide. [0013] L'organe de contrôle peut comprendre une vanne disposée dans le circuit hy- draulique en amont ou en aval de la plaque froide. [0014] La vanne peut être est une vanne tout-ou-rien, possédant une position de fermeture et une position de pleine ouverture. [0015] La carte électronique peut être est positionnée sur la plaque froide et le châssis peut envelopper la carte électronique et la plaque froide en étant en contact avec la carte électronique. [0016] Selon un autre aspect, l'invention concerne une turbomachine comprenant un dispositif de refroidissement dans lequel le fluide circulant dans le circuit hydraulique peut être du carburant de la turbomachine. [0017] Le circuit hydraulique peut faire partie d'un circuit de carburant de la turbomachine qui peut comprendre successivement selon le sens de circulation du carburant : une pompe basse pression, un échangeur de chaleur principal huile carburant, un filtre principal, une pompe haute pression et un bloc hydromécanique de dosage. [0018] Le carburant circulant dans le circuit hydraulique peut être prélevé dans le circuit de 3 carburant entre la pompe basse pression et la pompe haute pression. [0019] Le circuit de carburant de la turbomachine peut comprendre en outre une boucle de recirculation du carburant en excès provenant du bloc hydromécanique de dosage, avec un noeud de réinjection de carburant situé entre la pompe basse pression et l'échangeur de chaleur principal huile-carburant, et le carburant circulant dans le circuit hydraulique peut être prélevé dans le circuit de carburant entre la pompe basse pression et ce noeud de réinjection. [0020] Selon un autre aspect, l'invention concerne un procédé de fonctionnement d'un dispositif de refroidissement d'une carte électronique d'une turbomachine, comprenant d'une part un châssis et un échangeur thermique comprenant une plaque, dite plaque froide, traversée par un circuit hydraulique, chacun en échange thermique avec la carte électronique, le châssis présentant au moins une ailette de dissipation d'une énergie calorifique. Le dispositif peut comprendre en outre un organe de contrôle permettant de contrôler le débit d'un fluide circulant dans le circuit hydraulique en fonction d'au moins une température mesurée du châssis, et/ou de la carte électronique, et/ou de la plaque froide. Le procédé comprend les étapes suivantes : [0021] (a) analyse d'au moins une température fournie par des moyens de mesure de tem- pérature du châssis, et/ou de la carte électronique, et/ou de la plaque froide, [0022] (b) contrôle du débit du fluide circulant dans le circuit hydraulique en fonction de l'analyse effectuée. [0023] L'étape (a) peut comprendre une comparaison d'une température du fluide avec une température extérieure, et si la température du fluide est supérieure à la température extérieure alors l'étape (b) peut comprendre le blocage de la circulation du fluide dans la plaque froide par l'organe de contrôle, et si la température du fluide est inférieure à la température extérieure, alors l'étape (a) peut comprendre le calcul d'un gradient de température de la carte électronique. [0024] Si le gradient de température est supérieur à un seuil prédéterminé, alors l'étape (b) peut comprendre le blocage de la circulation de fluide dans la plaque froide, et si le gradient demeure inférieur à ce seuil prédéterminé alors l'étape (b) peut comprendre la circulation du fluide dans la plaque. [0025] Le seuil prédéterminé de gradient de température peut être compris entre 3°C/min et 7°C/min Brève description des dessins [0026] D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la des- cription qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : [0027] [fig.1] La figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif selon l'invention. 100281 Ifig.21 La figure 2 est un schéma bloc du fonctionnement d'un dispositif selon l'invention. [0029] [fig.3] La figure 3 est un algorigrarnme de l'asservissement de l'organe de contrôle selon un mode de réalisation de l'invention. [0030] [fig.4] La figure 4 est un schéma d'un circuit de carburant d'une turbomachine, dans lequel un dispositif selon l'invention est implémenté. [0031] Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques. Description des modes de réalisation [0032] Dbpositif de refroidissement [0033] En référence à la figure I. selon un premier aspect, l'invention concerne un dispositif de refroidissement 1 d'une carte électronique 3 d'une turbomachine 100. [0034] Le dispositif de refroidissement comprend d'une part un châssis 11 adapté pour ac- cueillir la carte électronique 3 et d'autre part une plaque 14, dite plaque froide 14. [0035] Tel que cela sera détaillé ci-après, le châssis 11 et la plaque froide 14 permettent tous deux de refroidir la carte électronique 3. [0036] Tel que cela est schématiquement représenté sur la figure 1, le châssis 11 peut recouvrir une face de la carte électronique 3, l'autre face peut alors être recouverte par la plaque froide 14. [0037] Dans la pratique, tel que schématisé sur la figure 1, la carte électronique 3 peut être positionnée sur la plaque froide 14. Le châssis 11 enveloppe la carte électronique 3 et la plaque froide 14, en étant en contact direct avec une face de la carte électronique 3. [0038] Le châssis 11 présente plusieurs ailettes 12 de dissipation d'une énergie calorifique. Le châssis 11 peut communément être appelé radiateur, et être réalisé en aluminium. Son principe de fonctionnement réside dans un refroidissement par rayonnement thermique passif et par convection dans l'air extérieur. Les ailettes 12 permettent de maximiser la surface d'échange calorifique entre le châssis 11 et l'air extérieur, pour augmenter la dissipation thermique. Ainsi, le châssis 11 peut recevoir l'énergie calorifique de la carte 3 et dissiper cette dernière, de sorte à refroidir la carte 3. [0039] La plaque froide 14 est traversée par un circuit hydraulique 15, pour la circulation d'un fluide liquide ou gazeux. [0040] Tel que cela sera détaillé ci-après le circuit hydraulique contient préférentiellement du carburant servant à alimenter la turbomachine 100. Cependant, selon un autre mode de réalisation, non représenté, de l'air pourrait circuler dans la plaque froide 14. [0041] La plaque froide 14 en contact avec la carte électronique 3 permet de prélever de l'énergie calorifique à la carte électronique 3 pour la transmettre au fluide qui traverse la plaque froide 14 via le circuit hydraulique 15. En d'autres termes, le fluide traversant la plaque froide 14 permet de refroidir la carte électronique 3. [0042] Organe de contrôle [0043] Le dispositif] comprend un organe de contrôle 17. [0044] L'organe de contrôle 17 permet de contrôler le débit du fluide circulant dans le circuit hydraulique 15 en fonction de températures mesurées par des moyens de mesure de température. [0045] Typiquement les moyens de mesures de température peuvent être des capteurs de température 20a, 20b, 20e. [0046] Selon le mode de réalisation ici présenté, le dispositif 1 comprend trois capteurs de température 20a, 20b, 20e permettant de mesurer la température en trois endroits distincts. [0047] Comme représenté sur la figure 2, le dispositif 1 peut comprendre un capteur 20a d'une température de surface du châssis 11. Les moyens de mesure peuvent aussi comprendre un capteur 20b d'une température de la carte électronique 3. Enfin, selon le mode de réalisation ici présenté, les moyens de mesure peuvent comprendre un capteur 20e d'une température de la plaque froide 14. [0048] De plus, l'organe de contrôle 17 comprend une vanne 25 adaptée pour réguler la cir- culation du fluide dans la plaque froide. [0049] Avantageusement, la vanne 25 peut fonctionner selon un mode tout ou rien. En d'autres termes, selon le mode de réalisation ici présenté, la vanne 25 permet ou bloque la traversée de la plaque froide 14, par le fluide. Selon d'autres modes de réalisation, la vanne 25 peut permettre une modulation fine du débit du fluide. [0050] Avantageusement, la vanne 25 peut bénéficier d'un muscle d'actionnement fluidique (carburant / huile) présent sur la turbomachine 100. Il est précisé que ce que l'on appelle ici muscle d'actionnement est un débit de fluide qui a été préalablement doté d'une certaine pression par un système de pompage (cela fonctionne pour l'huile ou le carburant car il existe un tel système sur les deux réseaux au sein d'une turbomachine à l'état de l'art). [0051] Ainsi, ce muscle n'est ni plus ni moins qu'un moyen d'actionner un vérin, lorsque appliqué au sein d'une chambre dudit vérin. Le déplacement du vérin dû à ce muscle permettra une mise en mouvement de la vanne 25. [0052] Alternativement la vanne 25 peut utiliser un actionnement purement électrique. [0053] Procédé de fonctionnement du dispositif [0054] En référence aux figure 2 et 3, l'organe de contrôle 17 fonctionne selon un procédé déterminé, à partir des données des capteurs de température du fluide, la température extérieure et la température de la plaque froide 14. [0055] Le procédé comprend principalement deux étapes : [0056] (a) analyse d'au moins une température fournie par des moyens de mesure de tem- pérature, 6 (b) contrôle du débit du fluide circulant dans le circuit hydraulique en fonction de l'analyse effectuée. [0057] Selon une disposition avantageuse, l'étape (a) comprend une comparaison d'une tem- pérature du fluide avec une température extérieure. [0058] Si la température du fluide est supérieure à la température de l'air, l'organe de contrôle 17 ferme la vanne 25 (étape (b)), ce qui empêche au carburant de circuler dans la plaque froide 14. [0059] Si la température du fluide est inférieure à la température de l'air, l'étape (a) comprend aussi le calcul d'un gradient de température de la carte électronique 3. [0060] Selon une disposition particulière, l'étape (a) comprend une comparaison d'une tem- pérature du fluide avec une température extérieure, et si la température du fluide est supérieure à la température extérieure alors l'étape (b) comprend le blocage de la circulation du fluide dans la plaque froide 14 par l'organe de contrôle 17, et si la température du fluide est inférieure à la température extérieure, alors l'étape (a) comprend le calcul d'un gradient de température de la carte électronique 3. [0061] Si le gradient de température est supérieur à un seuil prédéterminé, alors l'étape (b) comprend le blocage de la circulation de fluide dans la plaque froide 14, et si le gradient demeure inférieur à ce seuil prédéterminé alors l'étape (b) comprend la circulation du fluide dans la plaque 14. [0062] Ainsi, le procédé de fonctionnement permet de minimiser la température moyenne de la carte électronique mais également de limiter les gradients de température. Les gradients sont très pénalisants pour la durée de vie des composants mais surtout des assemblages (à cause des dilatations des brasures). [0063] Limiter le gradient de température est une disposition particulièrement avantageuse permettant d'augmenter la durée de vie des équipements électroniques. [0064] Turbomachine [0065] Selon un deuxième aspect, l'invention concerne une turbomachine 100 comprenant un dispositif 1 de refroidissement selon l'invention dans lequel le circuit hydraulique 15 est relié par un prélèvement de fluide, également appelé piquage de fluide, à un circuit de carburant de la turbomachine 100 comprenant selon le sens de circulation du carburant : une pompe basse pression 101 apte à pomper du carburant provenant des réservoirs de l'aéronef, un échangeur de chaleur principal huile carburant 102, un filtre principal 103, une pompe haute pression 104 et un bloc hydromécanique de dosage 105. [0066] Selon une disposition particulière, le piquage peut être en amont de la pompe basse pression 101, par rapport au sens de circulation du carburant. Selon la structure de la turbomachine 100, cette disposition peut nécessiter l'ajout d'une pompe auxiliaire pour provoquer ou augmenter la circulation du fluide prélevé vers le dispositif de refroi- 7 disscment 1. La pompe auxiliaire peut par exemple être une pompe entrainée électriquement ou une pompe à jet. [0067] Dans le cas d'une pompe à jet, le flux principal de carburant qui alimente une busc de la pompe peut être prélevé en amont de la pompe basse pression 101. Le flux secondaire de carburant sous pression, qui réalise l'aspiration et donc l'entraînement du flux principal éjecté par la buse, est alors avantageusement prélevé en aval de la pompe basse pression 101, et préférablement ce prélèvement reste en amont de la pompe haute pression 104. Selon une autre disposition particulière, le piquage peut être en aval de la pompe basse pression 101, par rapport au sens de circulation du carburant. La température du carburant augmente de l'amont vers l'aval, à partir de la pompe basse pression 101, suite aux dissipations thermiques respectives de l'échangeur de chaleur principal huile carburant 102, de la pompe haute pression 104, et du bloc hydromécanique de dosage 105. La localisation du piquage dans le circuit de carburant prendra en compte notamment la température moyenne du carburant mesurée ou estimée dans la zone du prélèvement. Par exemple, un piquage entre la sortie de la pompe basse pression 101 et l'entrée de l'échangeur de chaleur principal huile-carburant 102 présente l'avantage d'une température relativement froide du carburant qui n'a pas encore récupéré les calories de l'huile, avec également l'avantage d'une pression de carburant augmentée par rapport à un prélèvement en amont de la pompe basse pression 101. Préférablement, le carburant circulant dans le circuit hydraulique 15 est réinjecté en amont de la pompe basse pression 101, puisque la pression du carburant en amont de la pompe 101 est nécessairement inférieure à la pression du carburant prélevé en aval de la pompe. La circulation du carburant dans le circuit hydraulique 15, lorsque la vanne 25 est ouverte, est provoquée par la différence de pression entre l'entrée et la sortie du circuit hydraulique 15, qui correspond sensiblement à la différence de pression entre la sortie et l'entrée de la pompe 101. Il n'est donc pas nécessaire de prévoir une pompe auxiliaire pour provoquer la circulation du fluide prélevé vers le dispositif de refroidissement 1. [0068] Dans le cas d'un circuit de carburant qui comporte, comme représenté sur la figure 4, une boucle de recirculation 110 du carburant en excès provenant du bloc hydromécanique de dosage 105, avec un noeud 111 de réinjection de carburant situé entre la pompe basse pression 101 et l'échangeur de chaleur principal huile-carburant 102, il peut être avantageux que le piquage soit réalisé entre la sortie de la pompe basse pression 101 et ce noeud, c'est-à-dire en amont du noeud afin de ne pas récupérer les calories du carburant recirculé. 8 REVENDICATIONS[Revendication 1] Dispositif de refroidissement (1) d'une carte électronique (3) d'une tur- bomachine (100), comprenant un châssis (11) et un échangeur thermique comprenant une plaque (14), dite plaque froide (14), traversée par un circuit hydraulique (15), chacun en échange thermique avec la carte électronique (3), le châssis (11) présentant au moins une ailette (12) de dissipation d'une énergie calorifique, le dispositif (1) étant caractérisé en cc qu'il comprend un organe de contrôle (17) permettant de contrôler le débit d'un fluide circulant dans le circuit hydraulique (15) en fonction d'au moins une température mesurée du châssis (11), et/ou de la carte électronique (3), et/ou de la plaque froide (14). [Revendication 2] Dispositif de refroidissement (1) selon la revendication 1 dans lequel l'organe de contrôle (17) comprend une vanne (25) disposée dans le circuit hydraulique (15) en amont ou en aval de la plaque froide (14). [Revendication 3] Dispositif de refroidissement (1) selon la revendication 2, dans lequel la vanne (25) est une vanne tout-ou-iien, possédant une position de fermeture et une position de pleine ouverture. [Revendication 4] Dispositif de refroidissement (1) selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, dans lequel la carte électronique (3) est positionnée sur la plaque froide (14) et le châssis (11) enveloppe la carte électronique (3) et la plaque froide (14) en étant en contact avec la carte électronique (3). [Revendication 5] Turbomachine (100) comprenant un dispositif de refroidissement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel le fluide circulant dans le circuit hydraulique (15) est du carburant de la turbomachine (100). [Revendication 6] Turbomachine (100) selon la revendication 5, dans laquelle le circuit hydraulique (15) fait partie d'un circuit de carburant de la turbomachine (100) qui comprend successivement selon le sens de circulation du carburant : une pompe basse pression (101), un échangeur de chaleur principal huile carburant (102), un filtre principal (103), une pompe haute pression (104) et un bloc hydromécanique de dosage (105). [Revendication 7] Turbomachine (100) selon la revendication 6, dans laquelle le carburant circulant dans le circuit hydraulique (15) est prélevé dans le circuit de carburant entre la pompe basse pression (101) et la pompe haute pression (104). 9 [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] Turbomachine (100) selon la revendication 7, dans laquelle le circuit de carburant de la turbomachine (100) comprend en outre une boucle de rccirculation (110) du carburant en excès provenant du bloc hydromécanique de dosage (105), avec un noeud (111) de réinjection de carburant situé entre la pompe basse pression (101) et l'échangeur de chaleur principal huile-carburant (102), et le carburant circulant dans le circuit hydraulique (15) est prélevé dans le circuit de carburant entre la pompe basse pression (101) et cc noeud de réinjection. Procédé de fonctionnement d'un dispositif de refroidissement (1) d'une carte électronique (3) d'une turbomachine (100), comprenant d'une part un châssis (11) et un échangeur thermique comprenant une plaque (14), dite plaque froide (14), traversée par un circuit hydraulique (15), chacun en échange thermique avec la carte électronique (3), le châssis (11) présentant au moins une ailette (12) de dissipation d'une énergie calorifique, le dispositif (1) comprenant en outre un organe de contrôle (17) permettant de contrôler le débit d'un fluide circulant dans le circuit hydraulique (15) en fonction d'au moins une température mesurée du châssis (11), et/ou de la carte électronique (3), et/ou de la plaque froide (14), le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : (a) analyse d'au moins une température fournie par des moyens de mesure de température du châssis (11), et/ou de la carte électronique (3), et/ou de la plaque froide (14), (b) contrôle du débit du fluide circulant dans le circuit hydraulique en fonction de l'analyse effectuée. Procédé selon la revendication 9 dans lequel, l'étape (a) comprend une comparaison d'une température du fluide avec une température extérieure, et si la température du fluide est supérieure à la température extérieure alors l'étape (b) comprend le blocage de la circulation du fluide dans la plaque froide (14) par l'organe (le contrôle (17), et si la température du fluide est inférieure à la température extérieure, alors l'étape (a) comprend le calcul d'un gradient de température de la carte électronique (3). Procédé selon la revendication 10 dans lequel, si le gradient de température est supérieur à un seuil prédéterminé, alors l'étape (b) comprend le blocage de la circulation de fluide dans la plaque froide (14), et si le gradient demeure inférieur à ce seuil prédéterminé alors l'étape (b) comprend la circulation du fluide dans la plaque (14). 10 [Revendication 12] Procédé selon la revendication 11 dans lequel le seuil prédéterminé de gradient de température est compris entre 3C/min et 7°C/min.