EP2047201B1

EP2047201B1 - Dispositif a ecoulement de chaleur

Info

Publication number: EP2047201B1
Application number: EP07823290.7A
Authority: EP
Inventors: Emile Colongo; Stéphane ORTET
Original assignee: Airbus Operations SAS
Current assignee: Airbus Operations SAS
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2007-07-17
Publication date: 2021-09-01
Anticipated expiration: 2027-07-17
Also published as: US20130098594A1; FR2904103B1; US20100012311A1; RU2460955C2; US9310145B2; FR2904103A1; CN101490497A; BRPI0713191A2; CA2657778A1; CA2657778C; EP2047201A1; CN101490497B; RU2009105501A; JP2009543998A; WO2008009812A1

Description

L'invention concerne un dispositif à écoulement de chaleur.
Dans un tel dispositif, on cherche à évacuer l'énergie thermique (ou chaleur) dissipée au niveau d'un équipement par une quelconque source de chaleur (par exemple un circuit électrique ou un composant électronique).
On relie classiquement pour ce faire l'équipement à une partie froide par rapport à celui-ci, qui joue le rôle d'une source froide, au moyen d'un élément conducteur de la chaleur.
Ainsi, une quantité de chaleur s'écoule à travers l'élément conducteur, avec une puissance inversement proportionnelle à la résistance thermique de celui-ci, ce qui permet d'évacuer une partie au moins de la chaleur générée au niveau de l'équipement et d'éviter par conséquent un échauffement excessif de celui-ci.
La demande de brevet US 2003/0196787 utilise par exemple cette technique et propose par ailleurs, pour des motifs liés au fonctionnement de l'équipement, de réduire cette évacuation de la chaleur à basse température. Un dispositif selon le préambule de la revendication 1 est connu du document US 5379601 A .
Les inventeurs se sont rendus compte que ces solutions pouvaient présenter des risques en pratique, en particulier lorsque la partie formant source froide n'est pas adaptée à toutes les conditions de température et/ou de puissance thermique dissipée, comme c'est le cas par exemple lorsque cette partie froide est formée d'un matériau combustible ou sensible aux élévations de température.
Afin d'éviter de tels problèmes, l'invention propose un dispositif comprenant les caractéristiques de la revendication 1.
Ainsi, la chaleur générée au sein de l'équipement n'est plus transmise à la partie froide lorsque ces conditions thermiques (par exemple de température ou de puissance thermique à travers l'élément) sont rencontrées, c'est-à-dire lorsque la condition thermique donnée est dépassée, et on évite un échauffement trop important de celle-ci.
L'équipement et la partie froide peuvent en outre être séparés essentiellement par une lame gazeuse, au moins dans lesdites conditions thermiques, afin d'éviter également dans ces conditions la transmission des phénomènes électriques (tels que des arcs électriques), en particulier la propagation des arcs électriques, de l'équipement à la source froide : dans ce cas, l'équipement et la partie froide sont en effet isolés électriquement.
En pratique, l'élément comprend par exemple un bon conducteur de la chaleur en dehors desdites conditions thermiques (c'est-à-dire en-deçà de la condition thermique donnée).
Selon un mode de réalisation envisageable, l'élément est tel que sa résistance thermique est apte à augmenter sous lesdites conditions thermiques de telle sorte que l'élément devienne essentiellement isolant. L'isolation thermique de l'équipement et de la source froide est ainsi permise par la modification des propriétés de conduction thermique de l'élément.
Selon une solution possible, l'élément comprend au moins un composant dont un changement d'état (par exemple un passage de l'état liquide à l'état gazeux) dans lesdites conditions thermiques provoque l'augmentation de ladite résistance thermique. On profite ici de l'augmentation de la résistance thermique généralement liée à un tel changement d'état. Le composant peut alors former ladite lame après ledit changement d'état, ce qui est une manière pratique d'obtenir cette lame.
Selon l'invention l'élément est configuré pour perdre le contact avec l'équipement ou la partie froide dans lesdites conditions thermiques. C'est dans ce cas la rupture du contact entre les différentes pièces qui provoque l'interruption du chemin thermique entre l'équipement et la partie froide.
L'élément comprend par exemple dans ce cas au moins un composant dont un changement d'état dans lesdites conditions thermiques provoque ladite perte de contact.
On peut prévoir dans ce cadre que ledit composant participe à la conduction de l'équipement à la partie froide en dehors desdites conditions thermiques et s'efface du fait de son changement d'état dans lesdites conditions thermiques, isolant ainsi essentiellement l'équipement et la partie froide.
Selon une autre approche, qui peut éventuellement être combinée à la précédente, le changement d'une propriété mécanique du composant lors de son changement d'état peut entraîner un mouvement d'une partie de l'élément, provoquant ainsi ladite perte de contact.
Dans ces cas également, l'élément peut être configuré de telle sorte que le changement d'état du composant permette la formation de ladite lame gazeuse. Le changement d'état permet alors non seulement d'interrompre le chemin thermique, mais également d'éviter la propagation de phénomènes électriques.
Le changement d'état peut être dans ce contexte un passage de l'état solide à l'état liquide, ou un passage de l'état liquide à l'état gazeux.
L'équipement peut être une pompe pour carburant et la partie froide un carburant liquide, par exemple dans un aéronef ; l'invention est particulièrement intéressante dans ce contexte, même si elle a naturellement de nombreuses autres applications, telles que la protection contre les surchauffes d'éléments de puits thermique sensibles aux élévations de température, comme par exemple les structures en carbone.
Les agencements proposés ci-dessus, de manière optionnelle pour certains, permettent ainsi notamment d'évacuer la chaleur produite par les équipements, par exemple électroniques comme dans le cas des pompes pour carburant, tout en évitant une surchauffe du puits thermique (par exemple le carburant) ainsi que la propagation d'arcs électriques depuis les équipements vers ce puits.
L'invention propose également un aéronef équipé d'un tel dispositif.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui suit faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :

les figures 1A à 1C représentent un premier exemple de réalisation de l'invention ;
les figures 2A à 2C représentent un second exemple de réalisation de l'invention ;
les figures 2D à 2F représentent une variante du second exemple présenté aux figures 2A à 2C ;
les figures 3A à 3C représentent un troisième exemple de réalisation de l'invention ;
les figures 4A à 4C représentent un quatrième exemple de réalisation de l'invention.

La figure 1A représente un premier exemple de réalisation de l'invention en régime de fonctionnement normal.
Dans cet exemple, une plaque chaude 101 qui comprend une source de chaleur (non représentée) est reliée à une plaque froide 102 (par exemple une partie de structure du dispositif) au moyen d'un matériau 103 solide à la température nominale T_nominale correspondant au fonctionnement normal.
Le matériau 103 est un conducteur thermique et sa résistance thermique R_matériau est donc relativement faible. Ainsi, la chaleur générée par la source de chaleur au niveau de la plaque chaude 101 est évacuée, dans les conditions normales de fonctionnement, à travers le matériau 103 vers la plaque froide 102 qui joue le rôle d'un puits de chaleur ou source froide.
Le matériau 103 est également choisi tel que sa température de fusion T_fusion est inférieure ou égale à la température maximum de fonctionnement souhaité T_max. Une telle température maximum peut être souhaitée par exemple pour éviter une dégradation de la plaque froide 102, ou d'autres conséquences négatives, comme par exemple un risque d'incendie lorsque la plaque froide est réalisée sous forme d'un matériau combustible comme le carburant d'un aéronef.
Ainsi, comme représenté en figure 1B, lorsque la température T du matériau 103 atteint, par exemple du fait d'une sortie du régime de fonctionnement normal, la température de fusion T_fusion du matériau 103, celui-ci change d'état : le matériau 103 passe de l'état solide à l'état liquide (représenté sous la référence 103' en figure 1B), ce qui entraine son effacement (ici son écoulement par des moyens appropriés) de sa position initiale au contact de la plaque chaude 101 et de la plaque froide 102.
De ce fait, lorsque la température entre les plaques 101, 102 est supérieure à la température maximale souhaitée T_max, la plaque chaude 101 et la plaque froide 102 ne sont plus reliées par le matériau mais séparées par une lame d'air 106 dont la résistance thermique R_air est très supérieure à celle du matériau R_matériau, comme représenté en figure 1C.
La plaque froide 102 est alors isolée thermiquement de la plaque chaude 101 grâce à la lame d'air 106 qui les sépare; cette dernière joue également le rôle d'un isolant électrique, ce qui permet d'éviter également la transmission d'énergie électrique (par exemple sous forme d'arcs électriques) de la plaque chaude à la plaque froide 102. Ce dernier avantage est particulièrement intéressant dans le cas où la plaque chaude 101 comporte un équipement électrique ou électronique dont des disfonctionnements éventuels pourraient se révéler dangereux au niveau de la plaque froide 102 en particulier lorsque celle-ci a atteint une température supérieure à la température maximale souhaitée T_max.
On utilise par exemple comme matériau 103 de la cire dont les propriétés thermiques permettent une conduction de la chaleur nettement supérieure à celle permise par la résistance thermique de l'air 106.
La figure 2A représente un second exemple de réalisation de l'invention en régime de fonctionnement normal, c'est-à-dire, par exemple à une température de fonctionnement T_nominal nettement inférieure à une température maximale souhaitée.
Dans cet exemple, un équipement 201 comprenant une source de chaleur est situé à distance d'une plaque froide 202 et séparé par conséquent de celle-ci par une lame d'air 206. L'équipement 201 est par ailleurs lié à la plaque froide 202 au moyen d'un drain thermique 203 formé dans un matériau bon conducteur de la chaleur (c'est-à-dire de faible résistance thermique) et qui s'étend donc en partie dans l'espace formé par la lame d'air 206.
Le drain thermique 203 est maintenu au contact de la plaque froide 202 par interposition entre une partie de l'équipement 201 et le drain conducteur 203 d'un matériau de liaison à l'état solide 204. Par ailleurs, un ressort de compression 205 est interposé entre le drain 203 et la plaque froide 202, le ressort 205 étant comprimé lorsque le drain 203 est au contact de la plaque froide 202.
Le drain 203 est relié à l'équipement 201, d'une part à travers le matériau de liaison 204 et d'autre part directement en d'autres parties de l'équipement 201 que celles recevant le matériau de liaison 204, par exemple au niveau d'une paroi latérale 208 de l'équipement 201.
Lorsque la température au niveau du matériau de liaison 204 augmente au-delà du régime de fonctionnement normal et atteint la température de fusion T_fusion du matériau de liaison 204, ce dernier passe de l'état solide à l'état liquide (comme représenté en figure 2B où le matériau de liaison dans l'état liquide est référencé 204') et s'écoule en dehors du dispositif selon des moyens appropriés.
De ce fait, le drain 203 n'est plus retenu au contact de la plaque froide 202 mais s'en éloigne au contraire sous l'effet du ressort 205. Du fait du déplacement du drain 203 et de sa perte de contact avec la plaque froide 202, l'équipement 201 et la plaque froide 202 sont séparés par l'épaisseur (ou lame) d'air 206, exception faite du ressort 205 dont la conductivité thermique est négligeable, et ces deux éléments sont donc essentiellement isolés au moyen de la lame d'air 206, comme représenté en figure 2C.
La figure 2D représente, en régime de fonctionnement normal, une variante du second exemple qui vient d'être décrit.
Comme pour le second exemple précédemment décrit, un équipement 211 comprenant une source de chaleur est situé à distance d'une plaque froide 212 et séparé par conséquent de celle-ci par une lame d'air 216. L'équipement 211 est par ailleurs lié à la plaque froide 212 au moyen d'un drain thermique 213 formé dans un matériau de faible résistance thermique et qui s'étend donc en partie dans l'espace formé par la lame d'air 216.
Selon cette variante, le drain thermique 213 est toutefois maintenu en appui contre la plaque froide 212 au moyen d'un bloc solide 214 interposé entre le drain conducteur 213 et une partie de structure 210. Par ailleurs, comme pour le second exemple, un ressort de compression 215 est interposé entre le drain 213 et la plaque froide 212, le ressort 215 étant comprimé lorsque le drain 213 est au contact de la plaque froide 212 du fait de la présence du bloc solide 214.
Ainsi, selon la présente variante, le bloc solide 214 ne participe pas nécessairement à l'écoulement de la chaleur.
Lorsque la température au niveau du bloc solide 214 augmente au-delà du régime de fonctionnement normal et atteint la température de fusion T_fusion du matériau constituant le bloc 214, ce dernier passe de l'état solide à l'état liquide (comme représenté en figure 2E où le bloc en fusion est représenté sous la référence 214') et s'écoule en dehors du dispositif selon des moyens appropriés.
De ce fait, le drain 213 n'est plus retenu au contact de la plaque froide 212 mais s'en éloigne au contraire sous l'effet du ressort 215. Du fait du déplacement du drain 213 et de sa perte de contact avec la plaque froide 212, l'équipement 211 et la plaque froide 212 sont séparés par l'épaisseur (ou lame) d'air 216, exception faite du ressort 215 dont la conductivité thermique est négligeable, et ces deux éléments sont donc essentiellement isolés au moyen de la lame d'air 216.
Selon le mode de réalisation représenté en figure 2F, le déplacement du drain 213 se poursuit alors jusqu'à ce que celui-ci entre en contact avec la partie de structure 210 qui pourrait alors dans ce cas faire office à son tour de puits de chaleur.
La figure 3A représente un troisième exemple de réalisation dans les conditions de fonctionnement normal. Cet exemple de réalisation ne tombe pas dans le domaine revendiqué.
Selon cet exemple, l'équipement 301 générant de la chaleur et la partie froide 302 faisant office de source froide sont situés respectivement dans la partie supérieure et la partie inférieure d'une enceinte 305.
Un espace ménagé dans l'enceinte entre l'équipement 301 et la partie froide 302 est rempli d'un matériau de liaison sous forme liquide 303 ayant une résistance thermique faible et qui forme un chemin de conduction de la chaleur entre l'équipement 301 et la partie froide 302.
L'enceinte 305 reçoit l'équipement 301, le matériau de liaison 303 et la partie froide 302 de façon hermétique. Seule une soupape de sécurité 304 pénétrant dans l'enceinte au niveau de l'espace rempli par le matériau de liaison 303 permet éventuellement une évacuation du liquide lorsque la pression est supérieure à un seuil comme expliqué ci-après.
Le matériau de liaison 303 est tel que sa température de vaporisation correspond approximativement (et est de préférence légèrement inférieure) à une température maximale souhaitée au niveau de la partie froide 302.
De ce fait, lorsque, par exemple en raison d'un disfonctionnement de l'équipement 301, la température du matériau de liaison dépasse la température de vaporisation (et atteint donc la température maximale souhaitée), le matériau de liaison 303 passe de l'état liquide à l'état gazeux au cours d'une phase représentée à la figure 3B (le matériau sous forme gazeuse 303' apparaissant naturellement dans la partie supérieure de l'espace de l'enceinte 305 précédemment occupée par le liquide, au contact de l'équipement 301).
Le changement d'état dans l'enceinte hermétique 305 provoque une montée en pression à l'intérieur de celle-ci jusqu'à ce que la pression atteigne le seuil de déclenchement de la soupape de sécurité 304 et que la partie liquide du matériau de liaison 303 commence par conséquent à s'évacuer comme représenté en figure 3B.
Si la température continue d'augmenter au-delà de la température de vaporisation du matériau de liaison 303, le phénomène qui vient d'être décrit et représenté à la figure 3B se poursuit jusqu'à ce que l'espace de l'enceinte 305 situé entre l'équipement 301 et la partie froide 302 soit entièrement rempli de la phase gazeuse 303' du matériau de liaison.
Le chemin thermique initialement formé par le matériau de liaison 303 sous forme liquide est donc interrompu et la partie froide 302 est de ce fait isolé thermiquement de l'équipement 301, la résistance thermique du matériau de liaison sous forme gazeuse étant bien supérieure à celle du matériau de liaison sous forme liquide.
On remarque que le changement de phase (c'est-à-dire le passage de l'état liquide à l'état gazeux) du matériau de liaison a également permis de remplacer le chemin thermique par une lame gazeuse, ce qui permet notamment d'éviter la formation d'arcs électriques entre l'équipement 301 et la partie froide 302.
La figure 4A représente un quatrième exemple de réalisation dans les conditions normales de fonctionnement, c'est-à-dire pour des températures (dont la température nominale de fonctionnement) nettement inférieures à une température maximale autorisée. Cet exemple de réalisation ne tombe pas dans le domaine revendiqué.
Dans cet exemple de réalisation, une enceinte 405 est formée dans le prolongement inférieur d'une plaque chaude 401 (qui constitue par exemple une partie d'un équipement contenant une source de chaleur, telle que par exemple une pompe à carburant équipant les aéronefs).
L'enceinte 405 est hermétique et comprend dans sa partie inférieure, en régime de fonctionnement normal, un composant liquide 403.
Un drain thermique 404 est également reçu pour partie à l'intérieur de l'enceinte 405 : une partie supérieure 406 (ici substantiellement horizontale) s'étend sur toute la superficie (ici horizontale) de l'enceinte 405 de manière à former un piston qui sépare une partie supérieure de l'enceinte 405, par exemple remplie d'air, d'une partie inférieure de l'enceinte 405 remplie par le composant liquide 403 en régime de fonctionnement normal.
On peut ainsi considérer en fonctionnement normal que le drain flotte sur le composant liquide 403.
Le drain thermique 404 comprend également une tige (ici essentiellement verticale) dont une partie inférieure 407 est, en fonctionnement normal comme illustré sur la figure 4A, au contact d'une partie froide formant puits de chaleur, ici formée par le carburant liquide 402 de l'aéronef. La partie inférieure 407 est précisément dans ce cas plongée dans le carburant 402 comme représenté en figure 4A.
Dans la configuration de fonctionnement normal présentée à la figure 4A (c'est-à-dire notamment pour la température nominale de fonctionnement), un chemin thermique est ainsi formé entre l'équipement 401 et la partie froide 402 au moyen de matériaux ayant une résistance thermique relativement faible, à savoir ici les parois de l'enceinte 405, le composant liquide 403 et le drain thermique 404.
Lorsque la température dans l'enceinte 405 s'élève au-dessus de la température nominale de fonctionnement (par exemple, à cause d'un disfonctionnement de l'équipement 401) et atteint la température de vaporisation du composant liquide 403 (choisie de préférence légèrement inférieure à une température maximale autorisée à l'intérieur de l'enceinte 405, qui correspond par exemple à une température au-delà de laquelle des risques existent du fait de la présence du carburant 402), une phase gazeuse 403' apparaît dans la partie inférieure de l'enceinte 405 et la pression qu'elle exerce tend à déplacer vers le haut le drain thermique 404 dont on rappelle que la partie supérieure 406 forme piston, comme représenté sur la figure 4B.
Ainsi, le mouvement du drain thermique 404 produit sous l'effet de la pression, elle-même due au changement d'état du composant liquide 403, entraîne la partie verticale du drain thermique, pour partie au moins, en dehors de la partie froide 402, ce qui limite le transfert de chaleur vers cette partie froide et évite un échauffement trop important de celle-ci.
Si la température vient toutefois à s'élever encore au-delà de la température de vaporisation du composant liquide 403, l'ensemble de celui-ci se transforme en gaz et la pression exercée dans la partie inférieure de l'enceinte 405 augmente de telle sorte que le drain 404 est entrainé vers le haut jusqu'à ce que sa partie inférieure 407 émerge du carburant formant source froide 402 et finisse sa course à distance de celui-ci.
Dans cette position finale, l'espace situé entre la partie inférieure 407 du drain 404 et la surface du carburant liquide 402 est rempli d'une lame d'un gaz isolant thermiquement et électriquement (tel que par exemple l'air) de telle sorte que l'équipement 401 et le carburant liquide 402 formant source froide sont suffisamment isolés thermiquement et électriquement pour éviter tout risque d'incendie du carburant 402.
Les modes de réalisation qui précèdent ne sont que des exemples possibles de mise en oeuvre l'invention qui ne s'y limite pas.

Claims

Dispositif comprenant :
- un équipement (101 ; 201 ; 211 ; 301 ; 401) avec une source de chaleur,

- une partie froide (102 ; 202 ; 212 ; 302 ; 402) relativement à l'équipement et

- un élément (103 ; 203, 204 ; 213, 214 ; 303 ; 403, 404, 405) apte à transmettre la chaleur de l'équipement à la partie froide,
l'élément (103 ; 203 ; 213 ; 404) comportant un composant (103 ; 203 ; 213 ; 404) relié thermiquement à la source de chaleur sous certaines conditions thermiques situées en-deçà d'une condition thermique donnée,
dans lequel, sous certaines conditions thermiques situées au-dessus de la condition thermique donnée, ledit composant (103 ; 203 ; 213 ; 404) comporte une phase liquide qui est évacuée de sorte à ne plus être reliée thermiquement à la source de chaleur, ce qui entraine une perte de contact de l'élément avec l'équipement ou la partie froide,
caractérisé en ce que l'élément est tel que, sous certaines conditions thermiques situées au-dessus de la condition thermique donnée, l'équipement et la partie froide sont essentiellement isolés thermiquement, de sorte à éviter une transmission de la chaleur générée au sein de l'équipement à la partie froide et une surchauffe de la partie froide entrainant sa dégradation ou son inflammation,
et en ce que la partie froide est un carburant liquide.
Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'équipement et la partie froide sont essentiellement isolés électriquement au moins dans lesdites conditions thermiques.
Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'équipement et la partie froide sont séparés essentiellement par une lame gazeuse (106 ; 206 ; 216 ; 303') au moins dans lesdites conditions thermiques.
Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel un changement d'état du composant (103 ; 203 ; 213 ; 404) dans lesdites conditions thermiques provoque ladite perte de contact.
Dispositif selon la revendication 4, dans lequel ledit composant (103) participe à la conduction de l'équipement à la partie froide en dehors desdites conditions thermiques et s'efface du fait de son changement d'état dans lesdites conditions thermiques, isolant ainsi essentiellement l'équipement et la partie froide.
Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le changement d'une propriété mécanique du composant (204 ; 214 ; 403) lors de son changement d'état entraîne un mouvement d'une partie (203 ; 213 ; 404) de l'élément, provoquant ainsi ladite perte de contact.
Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, la revendication 8 étant prise dans la dépendance de la revendication 3, dans lequel l'élément est configuré de telle sorte que le changement d'état du composant permette la formation de ladite lame gazeuse.
Aéronef équipé d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.