WO2012101384A1 - Dispositif de refroidissement pour systeme electronique de puissance dans un vehicule - Google Patents
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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 two-phase diphasic cooling of the components is based on a boiling phenomenon which involves implementation and maintenance constraints that are too high for its application in the automotive industry.
- thermosiphons Two-phase gravity devices, such as for example thermosiphons, can only operate vertically, which causes integration difficulties. Their transfer capacities remain limited compared to other two-phase technologies.
- 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 from 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 so as to pump the fluid by capillarity.
- the reservoir comprises a heating element to bring the temperature of the fluid to the liquid-vapor equilibrium.
- 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 which corresponds to a reference pressure for the device.
- the invention also relates to a motor vehicle comprising at least one power electronics component, characterized in that it comprises a device according to the invention.
- Figure 1 is a block diagram of the device
- FIG. 2 shows in more detail an evaporator 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.
- Border 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 (liquid-vapor equilibrium state) T s from which he evaporates.
- the latent heat absorbed heat flux ⁇ 3 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 s .
- 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 ⁇ less than the saturation temperature T s so that the vapor 5 condenses in the tube 17 between two points 7 and 8 of temperature T s .
- the thermal flux ⁇ is discharged at the level of the cold source, independently of the temperature T 2 of the heat load 2 which stabilizes at a value close to the saturation temperature T s and the temperature T 6 of the cold source 6.
- the expression of the heat flux ⁇ , as a function of the difference in temperature (T 2 - T 6 ) and of a thermal conductance K t hr is of the form:
- the steam generated in the evaporator 12 by the heat load 2 then flows to the condenser 16 where the power of the heat 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 length of condensation 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 one 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 more detail in FIG. 2 where a body 19 of the evaporator is in contact with an electronic power component 20.
- the evaporator contains a porous medium which draws the liquid 1 by capillarity.
- the upper face of the porous medium 13 of the evaporator 12 is 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 porous medium by thermal conduction, or of an opening in the body 19 arranged to constitute the collector 14 which discharges the steam 5 towards the outlet of the evaporator 12.
- the tank 11 is positioned above 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 homogeneous temperature T2 at an optimum value at the interface of the control unit.
- the naturally variable conductance K th of the device makes it possible to maintain this temperature whatever the power dissipated, of course insofar as the device is sufficiently sized.
- the regulation is parameterized to provide a power given by the relation viii) so as to obtain the desired saturation temperature T s in the tank:
- the amount of heat absorbed by the evaporation enthalpy is 150 to 1 hexane to 250 ammonia times higher than the amount of heat absorbed by heat capacity to raise the temperature of the liquid by 1 Kelvin.
- 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.
- thermo ⁇ capillary in particular with thermal regulation of the reservoir for the cooling of power electronics include a maintenance gain related to the absence mechanical pump, a high transfer capacity (up to 10kW per 1m of pipe) related to the latent heat of the fluid used, a maintenance and a regulation of the temperature of the electronics for different powers to be dissipated, in particular thanks to the conductance variable, 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
Pour refroidir un composant de système électronique de puissance dans un véhicule, le dispositif comprend : - un réservoir (11) contenant un fluide à l'état d'équilibre sous ses deux phases liquide et vapeur; - un évaporateur (12) agencé pour pomper le fluide en phase liquide provenant du réservoir (11) par capillarité et pour amener le fluide en phase vapeur en absorbant une charge thermique (2) générée par le composant (20); - un condenseur (16) connecté en sortie de l'évaporateur (12) 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 (11) pour y faire retourner le fluide en phase liquide.
Description
« Dispositif de refroidissement pour système électronique de puissance dans un véhicule »
L'invention concerne un dispositif de refroidissement pour système électronique de puissance dans un véhicule, notamment dans un véhicule automobile.
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.
Les dispositifs de refroidissement connus ne sont pas satisfaisants.
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.
Les refroidisseurs monophasiques de type cylindrique ou plaques à eau, posent un problème d'intégration pour des grandes puissances à dissiper.
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 son application dans l'industrie automobile.
Les dispositifs diphasiques gravitaires, tels que par exemple les thermosiphons, ne peuvent fonctionner qu'à la verticale, source de difficultés d'intégration. Leurs capacités de transfert restent limitées au regard d'autres technologies diphasiques.
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 dispositifs classiques de refroidissement sont généralement surdimensionnés , ce qui implique des contraintes supplémentaires d'encombrement et de poids.
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 :
un réservoir contenant un fluide à l'état d'équilibre sous ses deux phases liquide et vapeur ;
- un évaporateur agencé pour pomper le fluide en phase liquide provenant du réservoir par capillarité et pour amener le fluide en phase vapeur en absorbant une charge thermique générée par le composant ;
- un condenseur connecté en sortie de 1 ' 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.
Particulièrement, 1 ' évaporateur comprend un milieu poreux de façon à pomper le fluide par capillarité.
Avantageusement, le réservoir comprend un élément chauffant pour amener la température du fluide à l'équilibre liquide-vapeur.
De préférence, le dispositif comprend un module de régulation pour agir sur l'élément chauffant de façon à homogénéiser une température de 1 ' évaporateur à une température de saturation qui correspond à une pression de référence pour le dispositif.
Cela revient à fixer la pression de référence dans le dispositif à la pression de saturation à l'équilibre liquide-vapeur .
La pression, donc la température de saturation, dans les autres éléments du dispositif, en particulier 1 'évaporateur, est ainsi fixée moyennant les différentes pertes de charge dans le circuit.
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.
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 :
la figure 1 est un schéma de principe de fonctionnement du dispositif ;
- la figure 2 représente plus en détail un évaporateur du dispositif.
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.
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.
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.
Sous l'effet de la charge thermique 2 appliquée sur le milieu poreux compris dans 1 ' évaporateur 12, le
liquide 1 se vaporise et la vapeur 5 s'échappe dans un collecteur 14.
La frontière 3 représente schématiquement , sous forme de ménisque, la limite à laquelle le fluide pompé par capillarité dans 1 ' évaporateur 12 en phase liquide 1, atteint la température de saturation (état d'équilibre liquide-vapeur) Ts à partir de laquelle il s'évapore.
Considérant un débit massique MF de liquide 1 de capacité thermique massique Cpi qui pénètre dans 1 ' évaporateur 12 à une température Tu en sortie du réservoir 11, le flux thermique absorbé par chaleur sensible Φ1-3 est donné par une formule du type :
i) 01_3=MFxCpl(Ts-T11)
Considérant le débit massique MF de fluide d'enthalpie massique d ' évaporâtion Hiv qui s'évapore dans 1 ' évaporateur 12 à la température Ts, le flux thermique absorbé par chaleur latente Φ3 est donné par une formule du type :
Considérant que la charge thermique 2 génère un flux thermique Φ2 vers 1 ' évaporateur 12, le dispositif est dimensionné de façon à obtenir un débit massique MF de fluide optimal qui satisfait la relation :
iii) Φ2= Φ,_3 + Φ3.4 = MF x[Cpl(Ts -Tn) + Hlv] La capillarité et 1 '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.
Le collecteur 14 de 1 ' 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 Ts.
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.
Le condenseur 16 est en contact avec une source froide 6 à une température Ίζ inférieure à la température de saturation Ts de sorte que la vapeur 5 se condense dans le tube 17 entre deux points 7 et 8 de température Ts.
Considérant le débit massique MF de fluide diphasique d'enthalpie massique de condensation Hvi qui se liquéfie dans le condenseur 16 à la température Ts, le flux thermique exhumé Φ7-8 est donné par une formule du type :
iv) Φ7_8 = ΜΡ χΗν1
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 ΊΊ comprise entre la température de saturation Ts et la température de source froide Ίζ . 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 ΊΊ en sortie du condenseur 16, le flux thermique exhumé Φδ-ι ι est donné par une formule du type :
Finalement, la source froide 6 résorbe un flux thermique Φβ du condenseur 16, selon la relation :
vi) Φ6 = Φ7.8 + Φ8 1 = MF x [HVL + CPL (TS - TT )]
On constate que le flux thermique Φς, est évacué au niveau de 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 Ts et de la température T6 de la source froide 6. L'expression du flux thermique Φς, en fonction de la différence de température (T2- T6) et d'une conductance thermique Kthr est de la forme :
vil) Φ6 = ΚΛ (Τ6 - Τ2 )
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<I>6 augmente et réciproquement.
En résumé, la vapeur générée dans 1 ' 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 1 ' 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 1 ' 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.
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 contient un milieu poreux qui aspire le liquide 1 par capillarité.
La face supérieure du milieu poreux 13 de 1 ' évaporateur 12 est en contact soit d'une partie pleine du corps 19 qui transmet la charge thermique 2 générée par le composant électronique de puissance 20 au milieu poreux 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 1 ' évaporateur 12.
Le réservoir 11 est positionné au dessus de 1 'évaporateur .
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.
La régulation est paramétrée pour fournir une puissance donnée par la relation viii) de manière à obtenir la température de saturation Ts voulue dans le réservoir :
viii) P2l=MpxC≠( s-Tl)
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 :
On remarque que la quantité de chaleur absorbée par l'enthalpie de vaporisation est de 150 pour 1 '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.
Plusieurs variantes de réalisation du dispositif sont possibles.
Dans une architecture de type CPL (« Capillary
Pumped Loop ») , le réservoir 11 est découplé de la conduite 18 alors que dans une architecture de type LHP (« Loop Heat Pipe ») , le réservoir est accolé à
1 ' évaporateur . La régulation du réservoir doit donc être adaptée en conséquence.
La conception du réservoir 11 peut elle aussi varier en termes de formes et de volumes. Différentes conceptions de 1 ' 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.
Parmi les nombreux avantages de l'utilisation d'un dispositif à boucle fluide diphasique à pompage thermo¬ capillaire, 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 lOkW pour lm 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 .
Claims
1. Dispositif de refroidissement d'au moins un composant (20) de système électronique de puissance dans un véhicule comprenant :
- un réservoir (11) contenant un fluide à l'état d'équilibre sous ses deux phases liquide et vapeur ;
- un évaporateur (12) agencé pour pomper le fluide en phase liquide provenant du réservoir (11) par capillarité et pour amener le fluide en phase vapeur en absorbant une charge thermique (2) générée par le composant (20) ;
un condenseur (16) connecté en sortie de 1 ' évaporateur (12) 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 (11) pour y faire retourner le fluide en phase liquide.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé 1 ' évaporateur (12) comprend un milieu poreux de façon à pomper le fluide par capillarité.
3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réservoir (11) comprend un élément chauffant (21) pour amener la température du fluide à l'état d'équilibre liquide- vapeur .
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend un module de régulation
(22) pour agir sur l'élément chauffant (21) de façon à homogénéiser une température de 1 ' évaporateur (12) à une température de saturation qui correspond à une pression de référence pour le dispositif.
5. Véhicule automobile comprenant au moins un composant (20) d'électronique de puissance, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 pour refroidir ledit composant (20) .
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 12705378 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 12705378 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |