WO2011023900A1 - Cooling device for an electronic power system in a vehicle - Google Patents
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- H05K7/20845—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for automotive electronic casings
- H05K7/20881—Liquid coolant with phase change
Definitions
- the invention relates to a cooling device for an electronic power system in a vehicle, particularly in a motor vehicle.
- An electronic power system is particularly useful in a hybrid or all-electric vehicle to provide power and recovery in electrical energy used to drive and slow the vehicle.
- a system generally comprises many components among which may be mentioned for illustrative and not exhaustive, a battery, super capacitors, thyristors or power transistors.
- the known cooling devices are unsatisfactory.
- Mono-phase coolers of cylindrical type or water plates pose a problem of integration for large powers to dissipate.
- the immersed two-phase cooling of the components is based on a boiling phenomenon that involves implementation and maintenance constraints that are too high for the automotive sector.
- Two-phase gravity systems such as for example heat pipes, can only operate vertically, which causes integration difficulties. Their transfer capacities remain limited compared to other two-phase technologies.
- the known cooling devices have another disadvantage, that of not absorbing peaks of power in severe stresses with consequence of making difficult the thermal regulation of the power electronics.
- a sudden rise in temperature can cause irreversible damage to electrical components.
- conventional cooling systems are generally oversized, which implies additional constraints of space and weight.
- the subject of the invention is a device for cooling at least one electronic power system component in a vehicle comprising:
- an evaporator arranged to pump the fluid in the liquid phase of the reservoir by capillarity and to bring the fluid into the vapor phase by absorbing a thermal load generated by the component;
- a condenser connected at the outlet of the evaporator for receiving the fluid in the vapor phase, at a cold source for bringing the fluid from the vapor phase to the liquid phase and at the inlet of the reservoir for returning the fluid to the liquid phase.
- the evaporator comprises a porous medium comprising spheres so as to pump the fluid by capillarity.
- the reservoir comprises a heating element for increasing the fluid temperature in the liquid phase.
- the device comprises a regulation module for acting on the heating element so as to homogenize a temperature of the evaporator to a saturation temperature at which the fluid passes from the liquid phase to the vapor phase.
- the invention also relates to a motor vehicle comprising at least one component power electronics, characterized in that it comprises a device according to the invention.
- Figure 1 is a block diagram of the device
- Figure 2 shows in more detail an absorber of the device.
- the device according to the invention uses a diphasic fluid loop with thermo-capillary pumping (BFDPT) contiguous to the power electronics housings present in large quantities on hybrid and electric vehicles.
- BFDPT thermo-capillary pumping
- evaporators 12 for absorbing a thermal load 2 generated by electronic power components (not shown), a condenser 16 for discharging the heat load in the form of a flow of heat 6 to a cold source and a reservoir 11 fed by a fluid in the form of a liquid 1.
- the evaporator 12 is arranged to pump the fluid in liquid form by capillary action from the reservoir 11 by means of capillary tubes or preferably of a porous medium such as that explained hereinafter with reference to FIG. 2.
- the boundary 3 schematically shows in the form of meniscus the limit at which the fluid pumped by capillarity in the evaporator 12 in the liquid phase 1, reaches the saturation temperature T 3 from which it boils in a two-phase state.
- the boundary 4 schematically represents the limit below which the fluid is still in the two-phase state in the evaporator 12 in the form of wet steam at the saturation temperature T 3 .
- the absorbed thermal flux ⁇ 3-4 is given by a formula of the type:
- the device is dimensioned so as to obtain a mass flow M F of optimal fluid which satisfies the relation:
- the collector 14 of the evaporator is connected to the condenser 16 via a pipe 15 in which the fluid in the vapor phase 5 flows at a vapor temperature T 5 close to the saturation temperature T 3 .
- the pipe 15 extends in the form of a bent tube 17 in the condenser until it opens into a second pipe 18 which connects the condenser 16 to the tank 11.
- the condenser 16 is in contact with a cold source 6 at a temperature T 6 lower than the saturation temperature T 3 so that the vapor 5 condenses in the tube 17 between two points 7 and 8 of temperature T 3 .
- the exhumed thermal flux ⁇ 7 -s is given by a formula of the type:
- the thermal flux ⁇ 6 evacuates the thermal flux ⁇ 2 at the cold source, independently of the temperature T 2 of the thermal load 2 which stabilizes at a value close to the saturation temperature T 3 and the temperature T 6 of the cold source 6.
- the expression of the thermal flux ⁇ 6 as a function of the temperature difference (T 6 - T 2 ) and of a thermal conductance K t h, is of the form:
- the steam generated in the evaporator 12 by the heat load 2 then circulates to condenser 16 where the power of the thermal load is dissipated.
- the subcooled liquid then exits the condenser 16 to return to the evaporator 12 and ensure the cycle.
- the adaptation of the condensation length allows the device to have a variable conductance so that the cold source temperature has little influence on the maintenance of the temperature level at the evaporator in contact with the electronic power components, provided that of course, the cold source temperature is below the saturation temperature.
- the evaporator 12 is shown in greater detail in FIG. 2 where a body 19 of the evaporator is in contact with an electronic power component 20.
- the evaporator is filled with spheres 13 which produce a porous medium which sucks the liquid 1 by capillarity.
- the upper face of the highest spheres 13 of the evaporator 12 are in contact with either a solid part of the body 19 which transmits the heat load 2 generated by the electronic power component 20 to the spheres by thermal conduction, or of a opening in the body 19 arranged to constitute the collector 14 which discharges the vapor 5 towards the outlet of the evaporator 12.
- the tank 11 is positioned under the lower part of the evaporator so as to ensure a role of fluid reserve and control of the cycle.
- a thermal regulation of the tank 11 is incidentally provided to stabilize the saturation temperature in the device and more particularly in the evaporator.
- a heating element 21 such as an electrical resistance, a thermo element or the like, is connected to an electronic unit 22 which regulates the operating temperature of the device so as to maintain the temperature T 2 at an optimum value at the interface of the control unit.
- the naturally variable conductance K t h of the device makes it possible to maintain this temperature whatever the power dissipated, of course insofar as the device is sufficiently sized.
- the temperature Tn in the tank 11 is substantially equal to the temperature Ti undercooled at the outlet of the condenser 16.
- the amount of heat absorbed by the enthalpy of vaporization is 150 for hexane to 250 for ammonia times higher than the amount of heat absorbed by heat capacity to raise the temperature of the liquid by 1 Kelvin.
- the tank 11 In a type of architecture CPL ("Capillary Pumped Loop”), the tank 11 is on the pipe 18 while in an architecture type LHP ("Loop Heat Pipe”), the tank is attached to the evaporator.
- CPL Capillary Pumped Loop
- LHP Loop Heat Pipe
- the design of the tank 11 may also vary in terms of shapes and volumes. Different designs of the evaporator are possible. Other fluids than those mentioned above can also be used in the device, in particular depending on the operating temperature that is to be achieved.
- a maintenance gain related to the absence of a pump mechanical a high transfer capacity (up to 1OkW for Im driving) related to the latent heat of the fluid used, maintaining and regulating the temperature of the electronics for different powers to dissipate thanks to the variable conductance, a possibility of regulating the temperature of the power electronics through the tank and ease of integration resulting from an absence of stress on the position of the cold source relative to the dissipation zone.
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Abstract
Description
« Dispositif de refroidissement pour système électronique de puissance dans un véhicule » "Cooling device for electronic power system in a vehicle"
L'invention concerne un dispositif de refroidissement pour système électronique de puissance dans un véhicule, notamment dans un véhicule automobile. The invention relates to a cooling device for an electronic power system in a vehicle, particularly in a motor vehicle.
Un système électronique de puissance est particulièrement utile dans un véhicule hybride ou tout électrique pour assurer l'alimentation et la récupération en énergie électrique utilisée pour entraîner et ralentir le véhicule. Un tel système comprend généralement de nombreux composants parmi lesquels on peut citer à titre purement illustratif et non exhaustif, une batterie, des super condensateurs, des thyristors ou transistors de puissance. An electronic power system is particularly useful in a hybrid or all-electric vehicle to provide power and recovery in electrical energy used to drive and slow the vehicle. Such a system generally comprises many components among which may be mentioned for illustrative and not exhaustive, a battery, super capacitors, thyristors or power transistors.
Les dispositifs de refroidissement connus ne sont pas satisfaisants. The known cooling devices are unsatisfactory.
Les panneaux ou radiateurs à ailettes sont mal adaptés aux nouveaux composants dont la puissance dissipée entraîne un encombrement considérable qui résulte de la surface d'échange nécessaire. The finned panels or radiators are poorly adapted to the new components, the dissipated power of which results in a considerable bulk resulting from the necessary exchange surface.
Les refroidisseurs monophasiques de type cylindrique ou plaques à eau, posent un problème d'intégration pour des grandes puissances à dissiper. Mono-phase coolers of cylindrical type or water plates, pose a problem of integration for large powers to dissipate.
Le refroidissement diphasique immergé des composants est basé sur un phénomène d'ébullition qui implique des contraintes de mise en œuvre et de maintenance trop élevées pour le secteur automobile. The immersed two-phase cooling of the components is based on a boiling phenomenon that involves implementation and maintenance constraints that are too high for the automotive sector.
Les systèmes diphasiques gravitaires, tels que par exemple les caloducs, ne peuvent fonctionner qu'à la verticale, source de difficultés d'intégration. Leurs capacités de transfert restent limitées au regard d'autres technologies diphasiques. Two-phase gravity systems, such as for example heat pipes, can only operate vertically, which causes integration difficulties. Their transfer capacities remain limited compared to other two-phase technologies.
Les dispositifs de refroidissement connus (ailettes, boucle d'air, boucle de fluide...) présentent un autre inconvénient, celui de ne pas absorber des pics de puissances en sollicitations sévères avec pour conséquence de rendre difficile la régulation thermique de l'électronique de puissance. Or une élévation brutale de la température peut provoquer des dommages irréversibles des composants électriques. Pour éviter cela, les systèmes classiques de refroidissement sont généralement surdimensionnés, ce qui implique des contraintes supplémentaires d'encombrement et de poids. The known cooling devices (fins, air loop, fluid loop, etc.) have another disadvantage, that of not absorbing peaks of power in severe stresses with consequence of making difficult the thermal regulation of the power electronics. However, a sudden rise in temperature can cause irreversible damage to electrical components. To avoid this, conventional cooling systems are generally oversized, which implies additional constraints of space and weight.
Pour remédier aux problèmes posés par l'état antérieur de la technique, l'invention a pour objet un dispositif de refroidissement d'au moins un composant de système électronique de puissance dans un véhicule comprenant : To remedy the problems posed by the prior art, the subject of the invention is a device for cooling at least one electronic power system component in a vehicle comprising:
un réservoir contenant un fluide en phase liquide ; a reservoir containing a fluid in the liquid phase;
- un évaporateur agencé pour pomper le fluide en phase liquide du réservoir par capillarité et pour amener le fluide en phase vapeur en absorbant une charge thermique générée par le composant ; an evaporator arranged to pump the fluid in the liquid phase of the reservoir by capillarity and to bring the fluid into the vapor phase by absorbing a thermal load generated by the component;
- un condenseur connecté en sortie de l' évaporateur pour recevoir le fluide en phase vapeur, à une source froide pour amener le fluide de la phase vapeur à la phase liquide et en entrée du réservoir pour y faire retourner le fluide en phase liquide. a condenser connected at the outlet of the evaporator for receiving the fluid in the vapor phase, at a cold source for bringing the fluid from the vapor phase to the liquid phase and at the inlet of the reservoir for returning the fluid to the liquid phase.
De manière remarquable, l' évaporateur comprend un milieu poreux comprenant des sphères de façon à pomper le fluide par capillarité. Remarkably, the evaporator comprises a porous medium comprising spheres so as to pump the fluid by capillarity.
Avantageusement, le réservoir comprend un élément chauffant pour augmenter la température du fluide en phase liquide. Advantageously, the reservoir comprises a heating element for increasing the fluid temperature in the liquid phase.
De préférence, le dispositif comprend un module de régulation pour agir sur l'élément chauffant de façon à homogénéiser une température de l' évaporateur à une température de saturation à laquelle le fluide passe de la phase liquide à la phase vapeur. Preferably, the device comprises a regulation module for acting on the heating element so as to homogenize a temperature of the evaporator to a saturation temperature at which the fluid passes from the liquid phase to the vapor phase.
L'invention a aussi pour objet un véhicule automobile comprenant au moins un composant d'électronique de puissance, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif selon l'invention. The invention also relates to a motor vehicle comprising at least one component power electronics, characterized in that it comprises a device according to the invention.
La description explicative qui va suivre fait référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple, illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels : The following explanatory description refers to the accompanying schematic drawings given solely by way of example, illustrating several embodiments of the invention and in which:
la figure 1 est un schéma de principe de fonctionnement du dispositif ; Figure 1 is a block diagram of the device;
la figure 2 représente plus en détail un absorbeur du dispositif. Figure 2 shows in more detail an absorber of the device.
En référence à la figure 1, le dispositif selon l'invention utilise une boucle fluide diphasique à pompage thermo capillaire (BFDPT) accolée aux boîtiers d'électronique de puissance présents en grande quantité sur les véhicules hybrides et électriques. With reference to FIG. 1, the device according to the invention uses a diphasic fluid loop with thermo-capillary pumping (BFDPT) contiguous to the power electronics housings present in large quantities on hybrid and electric vehicles.
Parmi les éléments principaux du dispositif, on distingue un ou plusieurs évaporateur (s) 12 pour absorber une charge thermique 2 générée par des composants électroniques de puissance (non représentés) , un condenseur 16 pour évacuer la charge thermique sous forme d'un flux de chaleur 6 vers une source froide et un réservoir 11 alimenté par un fluide sous forme d'un liquide 1. Among the main elements of the device, there are one or more evaporators 12 for absorbing a thermal load 2 generated by electronic power components (not shown), a condenser 16 for discharging the heat load in the form of a flow of heat 6 to a cold source and a reservoir 11 fed by a fluid in the form of a liquid 1.
L' évaporateur 12 est agencé pour pomper naturellement par capillarité le fluide sous forme liquide à partir du réservoir 11 au moyen de tubes capillaires ou de préférence d'un milieu poreux tel que celui expliqué ci-après en référence à la figure 2. The evaporator 12 is arranged to pump the fluid in liquid form by capillary action from the reservoir 11 by means of capillary tubes or preferably of a porous medium such as that explained hereinafter with reference to FIG. 2.
Sous l'effet de la charge thermique 2 appliquée sur le milieu poreux compris dans l' évaporateur 12, le liquide 1 se vaporise et la vapeur 5 s'échappe dans un collecteur 14. Under the effect of the heat load 2 applied to the porous medium included in the evaporator 12, the liquid 1 vaporises and the vapor 5 escapes into a collector 14.
La frontière 3 représente schématiquement sous forme de ménisque la limite à laquelle le fluide pompé par capillarité dans l' évaporateur 12 en phase liquide 1, atteint la température de saturation T3 à partir de laquelle il entre en ébullition dans un état diphasique. Considérant un débit massique MF de liquide 1 de capacité thermique massique Cpi qui pénètre dans l' évaporateur 12 à une température Tn en sortie du réservoir 11, le flux thermique absorbé Φ1-3 est donné par une formule du type : The boundary 3 schematically shows in the form of meniscus the limit at which the fluid pumped by capillarity in the evaporator 12 in the liquid phase 1, reaches the saturation temperature T 3 from which it boils in a two-phase state. Considering a mass flow M F of liquid 1 of thermal capacity C pi which enters the evaporator 12 at a temperature Tn at the outlet of the tank 11, the absorbed heat flux Φ1-3 is given by a formula of the type:
i) Φt_3 =MF xCpl(T8-T11) i) Φ t 3 = M F x C pl (T 8 -T 11 )
La frontière 4 représente schématiquement la limite en deçà de laquelle le fluide est encore à l'état diphasique dans l' évaporateur 12 sous forme de vapeur humide à la température de saturation T3. Considérant le débit massique MF de fluide diphasique d' enthalpie massique d' évaporation Hiv qui s'évapore dans 1' évaporateur 12 à la température T3, le flux thermique absorbé Φ3-4 est donné par une formule du type : The boundary 4 schematically represents the limit below which the fluid is still in the two-phase state in the evaporator 12 in the form of wet steam at the saturation temperature T 3 . Considering the mass flow M F of two - phase fluid of evaporation mass enthalpy H iv which evaporates in the evaporator 12 at the temperature T 3 , the absorbed thermal flux Φ3-4 is given by a formula of the type:
ii) Φ3-4=MFXHIV ii) Φ3-4 = MFXHIV
Considérant que la charge thermique 2 génère un flux thermique Φ2 vers l' évaporateur 12, le dispositif est dimensionné de façon à obtenir un débit massique MF de fluide optimal qui satisfait la relation : Considering that the thermal load 2 generates a thermal flux Φ2 towards the evaporator 12, the device is dimensioned so as to obtain a mass flow M F of optimal fluid which satisfies the relation:
Hi) Φ2 =0^+03^ =MFx[Cpl(Ts-Tu) + Hlv] La capillarité et l' évaporation permettent de mettre le fluide en mouvement de manière complètement passive, de sorte que le débit massique MF est obtenu sans qu' il soit nécessaire de faire intervenir aucune pompe mécanique pour assurer la circulation du fluide. Il en résulte un gain de maintenance considérable par rapport aux circuits de refroidissement classiques. Hi) Φ 2 = 0 ^ + 0 3 ^ = M F x [C p (T s -T u ) + H lv ] The capillarity and evaporation allow the fluid to move in a completely passive way, so that the mass flow M F is obtained without the need to use any mechanical pump to ensure the circulation of the fluid. This results in a considerable maintenance gain compared to conventional cooling circuits.
Le collecteur 14 de l' évaporateur est relié au condenseur 16 par une conduite 15 dans laquelle circule le fluide en phase vapeur 5 à une température de vapeur T5 proche de la température de saturation T3. The collector 14 of the evaporator is connected to the condenser 16 via a pipe 15 in which the fluid in the vapor phase 5 flows at a vapor temperature T 5 close to the saturation temperature T 3 .
La conduite 15 se prolonge sous forme de tube coudé 17 dans le condenseur jusqu'à déboucher dans une seconde conduite 18 qui relie le condenseur 16 au réservoir 11. The pipe 15 extends in the form of a bent tube 17 in the condenser until it opens into a second pipe 18 which connects the condenser 16 to the tank 11.
La condenseur 16 est en contact avec une source froide 6 à une température T6 inférieure à la température de saturation T3 de sorte que la vapeur 5 se condense dans le tube 17 entre deux points 7 et 8 de température T3. Considérant le débit massique MF de fluide diphasique d' enthalpie massique de condensation Hvi qui se liquéfie dans le condenseur 16 à la température T3, le flux thermique exhumé Φ7-s est donné par une formule du type : The condenser 16 is in contact with a cold source 6 at a temperature T 6 lower than the saturation temperature T 3 so that the vapor 5 condenses in the tube 17 between two points 7 and 8 of temperature T 3 . Considering the mass flow rate M F of two-phase fluid of condensing mass enthalpy H vi which liquefies in condenser 16 at temperature T 3 , the exhumed thermal flux Φ 7 -s is given by a formula of the type:
iv) Φ7_8=MFxHvl iv) Φ 7 _ 8 = M F xH vl
Le fluide liquéfié continue à se refroidir au-delà du point 8 jusqu'à la sortie du tube 17 de sorte qu'on obtient le liquide 1 en sortie du condenseur 16 à une température de sous refroidissement Ti comprise entre la température de saturation T3 et la température de source froide T6. Considérant le débit massique MF de liquide 1 de capacité thermique massique Cpi qui pénètre en régime établi dans le réservoir 11 à la température Ti en sortie du condenseur 16, le flux thermique exhumé Φs-n est donné par une formule du type : The liquefied fluid continues to cool beyond the point 8 to the outlet of the tube 17 so that the liquid 1 is obtained at the outlet of the condenser 16 at a sub-cooling temperature Ti between the saturation temperature T 3 and the cold source temperature T 6 . Considering the mass flow M F of liquid 1 of specific heat capacity C pi which enters steady state in the tank 11 at the temperature Ti at the outlet of the condenser 16, the exhumed heat flow Φs-n is given by a formula of the type:
v) O8-11=MpXCp1(T8-T1) v) O 8-11 = M p XC p1 (T 8 -T 1 )
Finalement, la source froide 6 résorbe un flux thermique Φ6 du condenseur 16, selon la relation :Finally, the cold source 6 resorbs a heat flow Φ 6 of the condenser 16, according to the relation:
On constate que le flux thermique Φ6 évacue le flux thermique Φ2 à la source froide, indépendamment de la température T2 de la charge thermique 2 qui se stabilise à une valeur proche de la température de saturation T3 et de la température T6 de la source froide 6. L'expression du flux thermique Φ6 en fonction de la différence de température (T6 - T2) et d'une conductance thermique Kth, est de la forme : It can be seen that the thermal flux Φ 6 evacuates the thermal flux Φ2 at the cold source, independently of the temperature T 2 of the thermal load 2 which stabilizes at a value close to the saturation temperature T 3 and the temperature T 6 of the cold source 6. The expression of the thermal flux Φ 6 as a function of the temperature difference (T 6 - T 2 ) and of a thermal conductance K t h, is of the form:
vil) O6=KJT6-T2) vil) O 6 = KJT 6 -T 2 )
Ce constat revient à considérer la conductance thermique Kth comme une conductance variable qui s'adapte naturellement à la différence de température pour véhiculer le flux thermique. Ce phénomène s'explique par la longueur de condensation entre les points 7 et 8 qui augmente naturellement lorsque la température T2 ou le flux thermique Φ6 augmente et réciproquement. This observation amounts to considering the thermal conductance K t h as a variable conductance that naturally adapts to the difference in temperature to convey the heat flux. This phenomenon is explained by the length of condensation between points 7 and 8 which naturally increases when the temperature T 2 or the heat flow Φ 6 increases and vice versa.
En résumé, la vapeur générée dans l' évaporateur 12 par la charge thermique 2, circule ensuite jusqu'au condenseur 16 où la puissance de la charge thermique est dissipée. Le liquide sous-refroidi sort ensuite du condenseur 16 pour revenir vers l' évaporateur 12 et assurer le cycle. L'adaptation de la longueur de condensation permet au dispositif de présenter une conductance variable de sorte que la température de source froide a peu d' influence sur le maintien du niveau de température à l' évaporateur au contact des composants électroniques de puissance, pour autant bien entendu que la température de source froide est inférieure à la température de saturation. In summary, the steam generated in the evaporator 12 by the heat load 2, then circulates to condenser 16 where the power of the thermal load is dissipated. The subcooled liquid then exits the condenser 16 to return to the evaporator 12 and ensure the cycle. The adaptation of the condensation length allows the device to have a variable conductance so that the cold source temperature has little influence on the maintenance of the temperature level at the evaporator in contact with the electronic power components, provided that of course, the cold source temperature is below the saturation temperature.
L' évaporateur 12 est représenté de manière plus détaillée sur la figure 2 où on distingue un corps 19 de 1' évaporateur en contact avec un composant électronique de puissance 20. L' évaporateur est rempli de sphères 13 qui réalisent un milieu poreux qui aspire le liquide 1 par capillarité. The evaporator 12 is shown in greater detail in FIG. 2 where a body 19 of the evaporator is in contact with an electronic power component 20. The evaporator is filled with spheres 13 which produce a porous medium which sucks the liquid 1 by capillarity.
La face supérieure des sphères 13 les plus élevées de l' évaporateur 12 sont en contact soit d'une partie pleine du corps 19 qui transmet la charge thermique 2 générée par le composant électronique de puissance 20 aux sphères par conduction thermique, soit d'une ouverture dans le corps 19 agencée pour constituer le collecteur 14 qui évacue la vapeur 5 vers la sortie de l' évaporateur 12. The upper face of the highest spheres 13 of the evaporator 12 are in contact with either a solid part of the body 19 which transmits the heat load 2 generated by the electronic power component 20 to the spheres by thermal conduction, or of a opening in the body 19 arranged to constitute the collector 14 which discharges the vapor 5 towards the outlet of the evaporator 12.
Le réservoir 11 est positionné sous la partie inférieure de l' évaporateur de façon à assurer un rôle de réserve de fluide et de contrôle du cycle. Une régulation thermique du réservoir 11 est accessoirement prévue pour stabiliser la température de saturation dans le dispositif et plus particulièrement dans l' évaporateur . The tank 11 is positioned under the lower part of the evaporator so as to ensure a role of fluid reserve and control of the cycle. A thermal regulation of the tank 11 is incidentally provided to stabilize the saturation temperature in the device and more particularly in the evaporator.
Dans le réservoir 11, un élément chauffant 21 tel qu'une résistance électrique, un thermo élément ou autre, est connecté à une unité électronique 22 qui régule la température de fonctionnement du dispositif de manière à maintenir homogène la température T2 à une valeur optimale au niveau de l'interface du boîtier électronique. Par ailleurs, la conductance naturellement variable Kth du dispositif permet de maintenir cette température quelle que soit la puissance dissipée, bien entendu dans la mesure où le dispositif est suffisamment dimensionné. In the tank 11, a heating element 21 such as an electrical resistance, a thermo element or the like, is connected to an electronic unit 22 which regulates the operating temperature of the device so as to maintain the temperature T 2 at an optimum value at the interface of the control unit. By Moreover, the naturally variable conductance K t h of the device makes it possible to maintain this temperature whatever the power dissipated, of course insofar as the device is sufficiently sized.
La régulation est paramétrée pour agir sur le comportement de la relation Hi) que nous reprenons ici : The regulation is parameterized to act on the behavior of the relation Hi) that we resume here:
Hi) Φ2=MFx[Cpl(Ts-Tu)+ Hlv] Hi) Φ 2 = M F x [C p (T s -T u ) + H lv ]
En absence d'élément chauffant 21, la température Tn dans le réservoir 11, est sensiblement égale à la température Ti sous refroidie en sortie du condenseur 16. In the absence of a heating element 21, the temperature Tn in the tank 11 is substantially equal to the temperature Ti undercooled at the outlet of the condenser 16.
Le tableau ci-après permet de comparer l'enthalpie de vaporisation Hiv et la capacité thermique massique Cpi à l'état liquide de différents fluides sélectionnés lors d'essais de mise au point du dispositif : The following table makes it possible to compare the evaporation enthalpy H iv and the specific heat capacity C pi in the liquid state of various fluids selected during debugging tests of the device:
On remarque que la quantité de chaleur absorbée par l'enthalpie de vaporisation est de 150 pour l'hexane à 250 pour l'ammoniac fois plus élevée que la quantité de chaleur absorbée par capacité thermique pour élever la température du liquide de 1 Kelvin. Note that the amount of heat absorbed by the enthalpy of vaporization is 150 for hexane to 250 for ammonia times higher than the amount of heat absorbed by heat capacity to raise the temperature of the liquid by 1 Kelvin.
Or le chemin parcouru par le fluide dans 1' évaporateur pour atteindre la température de saturation est alors autant de longueur perdue pour procéder à 1' évaporation qui procure les meilleurs rendements d'échange thermique. D'autre part, une longueur minimale de mouillage du liquide dans l' évaporateur est nécessaire pour obtenir l'effet de mouillage par capillarité. La régulation est paramétrée pour obtenir le meilleur compromis entre ces deux contraintes. Now the path traveled by the fluid in the evaporator to reach the saturation temperature is then as much lost length to proceed to evaporation which provides the best heat exchange efficiencies. On the other hand, a minimum wetting length of the liquid in the evaporator is necessary to obtain the wetting effect by capillarity. The regulation is parameterized to obtain the best compromise between these two constraints.
Plusieurs variantes de réalisation du dispositif sont possibles. Several variants of the device are possible.
Dans une architecture de type CPL (« Capillary Pumped Loop ») , le réservoir 11 est sur la conduite 18 alors que dans une architecture de type LHP (« Loop Heat Pipe ») , le réservoir est accolé à l' évaporateur . In a type of architecture CPL ("Capillary Pumped Loop"), the tank 11 is on the pipe 18 while in an architecture type LHP ("Loop Heat Pipe"), the tank is attached to the evaporator.
La conception du réservoir 11 peut elle aussi varier en termes de formes et de volumes. Différentes conceptions de l' évaporateur sont envisageables. D'autres fluides que ceux mentionnés ci-dessus peuvent aussi être utilisés dans le dispositif, notamment en fonction de la température de fonctionnement que l'on veut atteindre. The design of the tank 11 may also vary in terms of shapes and volumes. Different designs of the evaporator are possible. Other fluids than those mentioned above can also be used in the device, in particular depending on the operating temperature that is to be achieved.
Parmi les nombreux avantages de l'utilisation d'un dispositif à boucle fluide diphasique à pompage thermocapillaire, notamment avec régulation thermique du réservoir pour le refroidissement de l'électronique de puissance, on peut citer un gain de maintenance lié à l'absence de pompe mécanique, une capacité de transfert élevée (jusqu'à 1OkW pour Im de conduite) liée à la chaleur latente du fluide utilisé, un maintien et une régulation de la température de l'électronique pour différentes puissances à dissiper notamment grâce à la conductance variable, une possibilité de régulation de la température de l'électronique de puissance par l'intermédiaire du réservoir et une facilité d'intégration résultant d'une absence de contrainte sur la position de la source froide par rapport à la zone de dissipation. Among the numerous advantages of the use of a diphasic fluid loop device with thermocapillary pumping, in particular with thermal regulation of the tank for the cooling of the power electronics, mention may be made of a maintenance gain related to the absence of a pump mechanical, a high transfer capacity (up to 1OkW for Im driving) related to the latent heat of the fluid used, maintaining and regulating the temperature of the electronics for different powers to dissipate thanks to the variable conductance, a possibility of regulating the temperature of the power electronics through the tank and ease of integration resulting from an absence of stress on the position of the cold source relative to the dissipation zone.
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| WO2012101384A1 (en) * | 2011-01-28 | 2012-08-02 | Peugeot Citroen Automobiles Sa | Cooling device for an electronic power system in a vehicle |
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