Brevet FR3113516A1 — publié le 20220225

Des systèmes de gestion thermique pour refroidir des charges thermiques de puissance élevée et à faible cycle de service qui incluent au moins trois sous-systèmes fermés couplés thermiquement sont fournis. Les systèmes de gestion thermique fournis ici incluent une boucle de stockage d’énergie thermique principale incluant un réservoir à température froide et un réservoir à température chaude. Les systèmes de gestion thermique fournis ici incluent également un système de compression à plusieurs étages ou une architecture en cascade d’un système de compression de vapeur à basse température et d’un système de compression de vapeur à haute température. Des procédés de transfert de chaleur d’une ou de plusieurs charge(s) thermique(s) à un environnement ambiant sont également fournis. Figure pour l’abrégé : [Fig. 1] Système de Gestion Thermique pour Refroidir des Charges Calorifiques Transitoires à Faible Consommation de Puissance La présente divulgation se rapporte à des systèmes de gestion thermique, plus précisément à un système de gestion thermique pour le refroidissement de charges calorifiques transitoires à faible consommation de puissance. ARRIÈRE-PLAN Des procédés conventionnels de rejet de chaleur d’un système de réfrigération ou de refroidissement, par exemple de systèmes de refroidissement à changement de phase, peuvent nécessiter le dimensionnement du ou des composant(s) de rejet de chaleur, par exemple, le condenseur et les ventilateurs, pour une charge calorifique de conception maximale à une température de rejet de conception maximale. De nombreux systèmes de gestion thermique incluent des composants volumineux et lourds qui sont intentionnellement surdimensionnés afin de supporter des charges calorifiques transitoires qui fonctionnent à des cycles de service faibles ou moyens, nécessitant une puissance élevée. En conséquence, il y a toujours un besoin de contributions supplémentaires dans ce champ de la technologie. La présente divulgation peut être mieux comprise en référence aux dessins et à la description suivants. Les composants dans les figures ne sont pas nécessairement à l’échelle. De plus, dans les figures, des numéros de même référence désignent des parties correspondantes dans les différentes vues. illustre un schéma d’un exemple d’un système de gestion thermique (« TMS ») configuré pour refroidir deux charges thermiques ou plus ; illustre un schéma d’un autre exemple d’un TMS configuré pour refroidir deux charges thermiques ou plus, où la charge thermique secondaire est en amont d’un condenseur de boucle de pompe à deux phases (« TPPL ») et d’une pompe de condenseur TPPL ; illustre un schéma d’encore un autre exemple d’un TMS configuré pour refroidir deux charges thermiques ou plus, où un exemple d’une TPPL inclut un échangeur de chaleur de préchauffeur, l’échangeur de chaleur de préchauffeur étant en outre disposé sur une boucle de stockage d’énergie thermique (« TES ») de préchauffeur ; illustre un schéma d’encore un autre exemple d’un TMS configuré pour refroidir deux charges thermiques ou plus, où la TPPL inclut en outre un conduit contournant le condenseur TPPL avec une soupape disposée sur le conduit ; illustre un schéma d’encore un autre exemple d’un TMS configuré pour refroidir deux charges ou plus, où la TPPL inclut en outre un séparateur liquide/vapeur et une pompe de recirculation TPPL ; illustre un exemple d’un organigramme d’opérations d’un système de gestion thermique configuré pour refroidir une charge calorifique transitoire ; et illustre un exemple d’une boucle de système de compression à plusieurs étages qui peut être mise en œuvre dans un exemple d’un TMS configuré pour refroidir deux charges ou plus. Les dessins décrits ici sont uniquement à des fins d’illustration et ne sont pas destinés à limiter l’étendue de la présente divulgation de quelque manière que ce soit. Système de gestion thermique, comprenant : une boucle de stockage d’énergie thermique (« TES ») principale et une boucle de système de compression de vapeur (« VCS ») couplée thermiquement à un environnement ambiant ; dans lequel la boucle TES principale comprend un milieu TES disposé dans un trajet d’écoulement de milieu TES, le trajet d’écoulement de milieu TES comprenant, dans une direction d’écoulement de milieu TES : une pompe d’échangeur de chaleur, un échangeur de chaleur, un premier réservoir, un premier évaporateur, un deuxième évaporateur et un deuxième réservoir, l’échangeur de chaleur étant configuré pour transférer de la chaleur d’une charge thermique primaire au milieu TES ; dans lequel une charge thermique secondaire est disposée sur la boucle TES principale ; dans lequel le premier évaporateur et le deuxième évaporateur sont configurés pour transférer de la chaleur du milieu TES à la boucle VCS ; dans lequel la boucle VCS comprend le premier évaporateur, le deuxième évaporateur, un condenseur VCS et un fluide VCS disposé dans la boucle VCS, et la boucle VCS est configurée pour transférer de la chaleur de la boucle TES principale à l’environnement ambiant par le condenseur VCS ; et dans lequel la boucle TES principale et la boucle VCS sont configurées pour maintenir le milieu TES dans le deuxième réservoir à une température inférieure d’au moins une différence de température prédéterminée à la température du milieu TES dans le premier réservoir pendant le fonctionnement du système de gestion thermique. Système de gestion thermique selon la revendication 1, comprenant en outre une boucle de pompe à deux phases (« TPPL ») configurée pour refroidir la charge thermique primaire, la TPPL comprenant un fluide primaire disposé dans un trajet d’écoulement de fluide primaire, le trajet d’écoulement de fluide primaire comprenant, dans une direction d’écoulement de fluide primaire : l’échangeur de chaleur couplant thermiquement la TPPL à la boucle TES principale, un accumulateur TPPL, une pompe à liquide TPPL, et la charge thermique primaire. Système de gestion thermique selon la revendication 1, comprenant en outre une boucle de pompe à deux phases (« TPPL ») configurée pour refroidir la charge thermique primaire, la TPPL comprenant un fluide primaire disposé dans un trajet d’écoulement de fluide primaire, le trajet d’écoulement de fluide primaire comprenant, dans une direction d’écoulement de fluide primaire : l’échangeur de chaleur couplant thermiquement la TPPL à la boucle TES principale, un accumulateur TPPL, une pompe à liquide TPPL, et la charge thermique primaire ; dans lequel le trajet d’écoulement de fluide primaire comprend en outre un conduit de dérivation configuré pour contourner l’échangeur de chaleur et distribuer un fluide primaire à une entrée de l’accumulateur TPPL, le conduit de dérivation étant en communication fluidique avec la TPPL en aval de la charge thermique primaire et en amont de l’échangeur de chaleur et en communication fluidique avec la TPPL en aval de l’échangeur de chaleur et en amont de l’accumulateur TPPL ; dans lequel une première soupape de commande d’écoulement est disposée sur le conduit de dérivation et configurée pour amener le fluide primaire à contourner au moins partiellement l’échangeur de chaleur ; et dans lequel une deuxième soupape de commande d’écoulement est disposée sur la TPPL en aval de l’échangeur de chaleur et en amont du conduit de dérivation, et la deuxième soupape de commande d’écoulement est configurée pour commander l’écoulement du fluide primaire de l’échangeur de chaleur à l’accumulateur TPPL. Système de gestion thermique selon la revendication 1, comprenant en outre une boucle de pompe à deux phases (« TPPL ») configurée pour refroidir la charge thermique primaire, la TPPL comprenant un fluide primaire disposé dans un trajet d’écoulement de fluide primaire, le trajet d’écoulement de fluide primaire comprenant : dans une direction d’écoulement de fluide primaire, un séparateur liquide-vapeur, l’échangeur de chaleur couplant thermiquement la TPPL à la boucle TES principale, un accumulateur TPPL, une pompe à liquide TPPL et la charge thermique primaire ; une boucle de recirculation comprenant le séparateur liquide-vapeur et une pompe de recirculation configurée pour renvoyer le fluide primaire du séparateur liquide-vapeur vers la charge thermique primaire ; une boucle de pompe à liquide TPPL comprenant l’accumulateur TPPL, la pompe à liquide TPPL et un conduit de retour configuré pour recycler le fluide primaire vers l’accumulateur TPPL ; et une troisième soupape de commande d’écoulement disposée en aval de la boucle de pompe à liquide TPPL et en amont de la boucle de recirculation et configurée pour maintenir un débit du fluide primaire vers la charge thermique primaire ; dans lequel le séparateur liquide-vapeur comprend une sortie de vapeur en communication fluidique avec l’échangeur de chaleur, et une sortie de liquide en communication fluidique avec la pompe de recirculation ; et dans lequel le séparateur liquide-vapeur est configuré pour séparer le fluide primaire en un fluide primaire en phase liquide et un fluide primaire en phase vapeur. Système de gestion thermique selon la revendication 1, comprenant en outre une boucle de pompe à deux phases (« TPPL ») configurée pour refroidir la charge thermique primaire, la TPPL comprenant un fluide primaire disposé dans un trajet d’écoulement de fluide primaire, le trajet d’écoulement de fluide primaire comprenant, dans une direction d’écoulement de fluide primaire : l’échangeur de chaleur couplant thermiquement la TPPL à la boucle TES principale, un accumulateur TPPL, une pompe à liquide TPPL, un échangeur de chaleur de préchauffeur configuré pour transférer de la chaleur au fluide primaire, et la charge thermique primaire. Système de gestion thermique selon la revendication 1, comprenant en outre : une boucle de pompe à deux phases (« TPPL ») configurée pour refroidir la charge thermique primaire, la TPPL comprenant un fluide primaire disposé dans un trajet d’écoulement de fluide primaire, le trajet d’écoulement de fluide primaire comprenant, dans une direction d’écoulement de fluide primaire : l’échangeur de chaleur couplant thermiquement la TPPL à la boucle TES principale, un accumulateur TPPL, une pompe à liquide TPPL, un échangeur de chaleur de préchauffeur couplant thermiquement la TPPL à une boucle TES de préchauffeur, et la charge thermique primaire ; et la boucle TES de préchauffeur comprenant un fluide de préchauffeur disposé dans un trajet d’écoulement de fluide de préchauffeur, le trajet d’écoulement de fluide de préchauffeur comprenant, dans une direction d’écoulement de fluide de préchauffeur : l’échangeur de chaleur de préchauffeur, un réservoir de préchauffeur et une pompe de préchauffeur ; et dans lequel la boucle TES de préchauffeur est configurée pour réguler une quantité de chaleur transférée au fluide primaire par l’échangeur de chaleur de préchauffeur. Système de gestion thermique selon la revendication 1, dans lequel la boucle TES principale comprend en outre une boucle de recirculation à pompe, la boucle de recirculation à pompe comprenant une pompe d’échangeur de chaleur, l’échangeur de chaleur et une première soupape de mélange ; dans lequel la première soupape de mélange est en amont de et en communication fluidique avec la pompe d’échangeur de chaleur, en communication fluidique avec l’échangeur de chaleur par une jonction de conduit en aval de l’échangeur de chaleur et un conduit de jonction de conduit-soupape de mélange et en aval de et en communication fluidique avec le deuxième réservoir ; et dans lequel la première soupape de mélange est configurée pour augmenter le débit de milieu TES provenant du deuxième réservoir à mesure que la charge thermique primaire augmente. Système de gestion thermique selon la revendication 1, dans lequel la boucle TES principale comprend en outre une boucle de recirculation à pompe, la boucle de recirculation à pompe comprenant une pompe d’échangeur de chaleur, l’échangeur de chaleur et une première soupape de mélange ; dans lequel la première soupape de mélange est en communication fluidique avec et en amont de la pompe d’échangeur de chaleur, en communication fluidique avec l’échangeur de chaleur par une jonction de conduit en aval de l’échangeur de chaleur et un conduit de jonction de conduit-soupape de mélange, et en communication fluidique avec et en aval du deuxième réservoir ; et dans lequel un débit à travers la pompe d’échangeur de chaleur est configuré pour diminuer à mesure que la charge thermique principale diminue. Système de gestion thermique selon la revendication 1, dans lequel la boucle TES principale comprend en outre une première soupape à trois voies en communication fluidique avec et en aval du premier réservoir, en communication fluidique avec et en amont du premier évaporateur, et en communication fluidique avec une sortie du deuxième réservoir ; et dans lequel la première soupape à trois voies est configurée pour contourner au moins partiellement un condenseur de boucle de pompe à deux phases (« condenseur TPPL ») et la charge thermique secondaire lorsque la température du milieu TES dans le deuxième réservoir augmente jusqu’à une valeur de consigne de température prédéterminée. Système de gestion thermique selon la revendication 1, dans lequel la boucle TES principale comprend en outre une deuxième soupape à trois voies en communication fluidique avec et en aval du premier réservoir, en communication fluidique avec et en amont du premier évaporateur, et en communication fluidique avec une entrée du deuxième évaporateur ; et dans lequel la deuxième soupape à trois voies est configurée pour contourner au moins partiellement le premier évaporateur lorsque le milieu TES entrant dans la deuxième soupape à trois voies a une température inférieure ou égale à une deuxième valeur de consigne de température prédéterminée. Système de gestion thermique selon la revendication 1, dans lequel la boucle VCS est en outre configurée pour comprimer le fluide VCS pour passer d’une première pression au niveau d’une sortie du deuxième évaporateur à une deuxième pression au niveau d’une sortie du premier évaporateur et pour comprimer davantage le fluide VCS pour passer de la deuxième pression au niveau de la sortie du premier évaporateur à une troisième pression au niveau d’une entrée du condenseur VCS. Système de gestion thermique selon la revendication 1, dans lequel la boucle VCS comprend en outre une première boucle VCS et une deuxième boucle VCS dans un agencement en cascade ; dans lequel la première boucle VCS comprend le fluide VCS disposé dans la première boucle VCS et un trajet d’écoulement de fluide VCS comprenant, dans une direction d’écoulement de fluide VCS, le deuxième évaporateur, un premier compresseur VCS et un premier condenseur VCS, la première boucle VCS étant configurée pour transférer de la chaleur du milieu TES à la deuxième boucle VCS par le premier condenseur VCS ; et dans lequel la deuxième boucle VCS comprend un deuxième fluide VCS disposé dans la deuxième boucle VCS et un trajet d’écoulement de deuxième fluide VCS comprenant, dans une direction d’écoulement de deuxième fluide VCS, le premier évaporateur, le premier condenseur VCS, le deuxième compresseur VCS, et le condenseur VCS, la deuxième boucle VCS étant configurée pour transférer de la chaleur à l’environnement ambiant par le condenseur VCS. Procédé de transfert de chaleur d’une charge thermique primaire et d’une charge thermique secondaire à un environnement ambiant, comprenant le fait : de transférer de la chaleur de la charge thermique primaire à un échangeur de chaleur ; de transférer de la chaleur de l’échangeur de chaleur à un milieu de stockage d’énergie thermique (« TES ») disposé dans une boucle TES principale comprenant une pompe d’échangeur de chaleur, l’échangeur de chaleur, un premier réservoir, un premier évaporateur, un deuxième évaporateur et un deuxième réservoir ; de transférer de la chaleur de la charge thermique secondaire dans la boucle TES principale au milieu TES ; de transférer de la chaleur du milieu TES à un fluide du système de compression de vapeur (« VCS ») disposé dans une boucle VCS via le premier évaporateur et le deuxième évaporateur ; de transférer de la chaleur de la boucle VCS à l’environnement ambiant via un condenseur VCS dans la boucle VCS ; et d’accumuler le milieu TES jusqu’à une valeur de consigne de volume prédéterminée dans le deuxième réservoir à une température inférieure d’au moins une différence de température prédéterminée à la température du milieu TES dans le premier réservoir. Procédé selon la revendication 13, comprenant en outre, après l’accumulation, le fait : d’arrêter un compresseur VCS jusqu’à ce qu’une différence de température entre le milieu TES dans le premier réservoir et le milieu TES dans le deuxième réservoir soit inférieure à la différence de température prédéterminée et/ou jusqu’à ce que la charge thermique primaire augmente. Procédé selon la revendication 13, comprenant en outre le fait : de diminuer un débit à travers la pompe d’échangeur de chaleur lorsque la charge thermique primaire diminue. Procédé selon la revendication 13, comprenant en outre le fait : d’augmenter le débit du milieu TES du deuxième réservoir à travers une soupape de mélange vers une boucle de recirculation à pompe lorsque la charge thermique primaire augmente, la boucle de recirculation à pompe comprenant la pompe d’échangeur de chaleur, l’échangeur de chaleur, la soupape de mélange et un conduit en communication fluidique avec l’échangeur de chaleur et la soupape de mélange. Procédé selon la revendication 13, comprenant en outre le fait : de régler une première soupape à trois voies pour contourner, au moins partiellement, l’échangeur de chaleur et la charge thermique secondaire lorsque la température du milieu TES dans le deuxième réservoir augmente jusqu’à une valeur de consigne de température prédéterminée, la première soupape à trois voies étant en aval de et en communication fluidique avec le premier réservoir, en amont de et en communication fluidique avec le premier évaporateur, et en communication fluidique avec une sortie du deuxième réservoir. Procédé selon la revendication 13, comprenant en outre le fait : de régler une deuxième soupape à trois voies pour contourner, au moins partiellement, le premier évaporateur lorsque le milieu TES entrant dans la deuxième soupape à trois voies a une température inférieure ou égale à une deuxième valeur de consigne de température prédéterminée, la deuxième soupape à trois voies étant en aval de et en communication fluidique avec le premier réservoir, en amont de et en communication fluidique avec le premier évaporateur, et en communication fluidique avec une entrée au deuxième évaporateur. Système de gestion thermique, comprenant : une boucle de stockage d’énergie thermique (« TES ») principale et une boucle de système de compression de vapeur (« VCS ») couplée thermiquement à un environnement ambiant ; et un processeur ; dans lequel la boucle TES principale comprend un milieu TES disposé dans un trajet d’écoulement de milieu TES, le trajet d’écoulement de milieu TES comprenant, dans une direction d’écoulement de milieu TES : une pompe d’échangeur de chaleur, un échangeur de chaleur, un premier réservoir, un premier évaporateur, un deuxième évaporateur et un deuxième réservoir, l’échangeur de chaleur étant configuré pour transférer de la chaleur d’une charge thermique primaire au milieu TES ; dans lequel une charge thermique secondaire est disposée sur la boucle TES principale ; dans lequel le premier évaporateur et le deuxième évaporateur sont configurés pour transférer de la chaleur du milieu TES à la boucle VCS ; dans lequel la boucle VCS comprend le premier évaporateur, le deuxième évaporateur, un condenseur VCS et un fluide VCS disposé dans la boucle VCS, et la boucle VCS est configurée pour transférer de la chaleur de la boucle TES principale à l’environnement ambiant par le condenseur VCS ; et dans lequel le processeur est configuré pour amener : l’échangeur de chaleur à transférer de la chaleur de la charge thermique primaire au milieu TES ; la boucle TES principale à transférer de la chaleur de la charge thermique secondaire au milieu TES ; le premier évaporateur et le deuxième évaporateur à transférer de la chaleur du milieu TES à la boucle VCS ; le condenseur VCS à transférer de la chaleur de la boucle VCS à l’environnement ambiant ; et la boucle TES principale à accumuler le milieu TES dans le deuxième réservoir jusqu’à une valeur de consigne de volume prédéterminée à une température inférieure d’au moins une différence de température prédéterminée à la température du milieu TES dans le premier réservoir pendant le fonctionnement du système de gestion thermique. Système de gestion thermique selon la revendication 19, dans lequel le processeur est en outre configuré pour provoquer, après accumulation du milieu TES dans le deuxième réservoir jusqu’à la valeur de consigne de volume prédéterminée : l’arrêt de la compression du fluide VCS jusqu’à ce qu’une différence de température entre la température du milieu TES dans le premier réservoir et dans le deuxième réservoir soit inférieure à la différence de température prédéterminée et/ou jusqu’à ce que la charge thermique primaire augmente.