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FR3097625A1 - Micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique - Google Patents

Micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique Download PDF

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FR3097625A1
FR3097625A1 FR1906664A FR1906664A FR3097625A1 FR 3097625 A1 FR3097625 A1 FR 3097625A1 FR 1906664 A FR1906664 A FR 1906664A FR 1906664 A FR1906664 A FR 1906664A FR 3097625 A1 FR3097625 A1 FR 3097625A1
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FR
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evaporator
micro
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electrical equipment
equipment according
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Stéphane Watts
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Exoes SAS
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Abstract

L’invention concerne un micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique, présentant un port d’entrée (302), un port de sortie (303) et une chambre de circulation d’un fluide caloporteur s’étendant entre lesdits ports (302, 303), et présentant une pluralité de canaux entrecroisés et de colonnes (301) d’une hauteur inférieure à 2 millimètres. Ledit micro-évaporateur comprend au moins une tôle présentant un relief correspondant à l’une des parties au moins de la configuration desdits canaux et colonnes ainsi que desdits ports de sortie et d’entrée, les sommets desdits reliefs s’étendant dans un plan, les fonds desdits reliefs s’étendant dans un second plan, ladite au moins une tôle étant assemblée par liaison mécanique desdits sommets avec une tôle opposée. Figure de l’abrégé : Figure 5

Description

Micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique
Domaine de l’invention
La présente invention concerne le domaine des échangeurs thermiques, et notamment des micro-évaporateurs de très faible épaisseur, présentant un circuit de circulation du fluide optimisé pour limiter les fluctuations de pression qui provoquent des instabilités dans le flux de vapeur sortant. Ces fluctuations de pression peuvent dans l’évaporateur même, par exemple, provoquer une évaporation instable. Ces fluctuations de pression sont induites par la croissance explosive de grosses bulles de vapeur formant des bouchons gazeux. La vapeur à l'intérieur de la bulle ne peut pas quitter facilement la structure de l'évaporateur, ce qui est dû au blocage des liquides devant les bouchons gazeux. Ce blocage entraîne une augmentation de pression à l'intérieur du bouchon de vapeur et une expansion possible de la vapeur dans le sens contraire de l'écoulement.
Pour éviter la formation de grosses bulles, il est connu de placer dans la chambre de circulation de fluide des colonnes formant des séparateurs de flux, entourées par des canaux entrecroisés.
Etat de la technique
On connaît dans l’état de la technique la demande de brevet WO2013016127 décrivant des ensembles de plaques conçus pour être utilisés dans des échangeurs de chaleur. Les ensembles de plaques peuvent comprendre une ou plusieurs plaques définissant une extrémité entrée, une extrémité sortie, et des canaux d'écoulement conçus pour recevoir un flux de fluide de l'extrémité entrée et diriger le fluide jusqu'à l'extrémité sortie. Les canaux d'écoulement peuvent être définis par des saillies, des creux, et/ou des orifices définis dans les plaques d'écoulement, et des plaques entretoises peuvent séparer les ensembles de plaques les uns des autres. Les canaux d'écoulement peuvent être interconnectés de façon qu'une pluralité de chemins d'écoulement soient définis pour chacune des positions d'une pluralité de positions intermédiaires le long des canaux d'écoulement. De ce fait, au cas où une obstruction se produit dans un des canaux d'écoulement, l'écoulement n'est bloqué que dans une partie du canal d'écoulement.
On connaît aussi le brevet EP2234684 décrivant un évaporateur pour l'évaporation d'un fluide contenant un liquide, ayant une entrée et une sortie reliées à une chambre d'évaporation, l'entrée et la sortie définissant un passage d'écoulement principal entre elles, dans lequel la chambre d'évaporation est équipée d'une structure de rupture de bouchons liquides comprenant un motif régulier sous la forme d'un champ de colonnes et la section transversale de la chambre d'évaporation est sensiblement constante le long du trajet d'écoulement principal.
L'évaporateur comprend un collecteur diviseur contenant un ensemble de canaux d'alimentation de section transversale relativement petite par rapport à la chambre d'évaporation aval, et caractérisé en ce qu’une résistance thermique accrue entre une partie d'entrée et la chambre d'évaporation est réalisée par :
a) la réduction de la zone de conduction entre la chambre d'évaporation et la partie d'entrée, ou
b) la mise en œuvre d'un matériau à faible conductivité thermique.
L’évaporateur est constitué par une boîte à l’intérieur de laquelle est placée une structure de micro-colonnes.
La partie inférieure est usinée à partir d’un bloc solide.
Inconvénients de l’art antérieur
Les solutions de l’art antérieur sont mal adaptées à la réalisation d’échangeurs de très faible épaisseur, de moins de deux millimètres typiquement, permettant l’insertion entre deux cellules de batteries ou deux assemblages membrane-électrode d’une pile à combustible par exemple.
Par ailleurs, ces échangeurs peuvent être soumis à des pressions de fluide importantes, et il est nécessaire de prévoir une fabrication qui concilie une faible épaisseur et une forte résistance à la pression interne adaptée à une production à forts volumes.
Solution apportée par l’invention
Afin de remédier à ces inconvénients, la présente invention concerne selon son acception la plus générale un micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique tel qu’une batterie, une pile à combustible, des composants et équipements électroniques de puissance, … présentant un port d’entrée, un port de sortie et une zone de circulation d’un fluide caloporteur s’étendant entre lesdits ports, et présentant une pluralité de canaux entrecroisés et de colonnes d’une hauteur inférieure à 2 millimètres entourées par lesdits canaux entrecroisés, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une tôle présentant un relief correspondant à l’une des parties au moins de la configuration desdits canaux et colonnes ainsi que desdits ports de sortie et d’entrée, les sommets desdits reliefs s’étendant dans un plan, les fonds desdits reliefs s’étendant dans un second plan, ladite au moins une tôle étant assemblée par liaison mécanique desdits sommets avec une tôle opposée.
Selon une variante, le micro-évaporateur comprend deux tôles présentant chacune un relief correspondant à l’une des parties de la configuration desdits canaux et colonnes ainsi que desdits ports de sortie et d’entrée, les sommets desdits reliefs s’étendant dans un plan, les fonds desdits reliefs s’étendant dans un second plan, lesdites tôles étant assemblées par liaison mécanique étanche desdits sommets avec la tôle opposée.
Selon une variante,
  • lesdites tôles présentent chacune un relief secondaire sur le fond dudit premier relief, dessinant au moins un chemin pour au moins un second fluide sur au moins une face extérieure entre au moins un point d’entrée secondaire et au moins un point de sortie secondaire,
  • la profondeur dudit au moins un chemin soit inférieure à la moitié de l’épaisseur dudit micro-évaporateur de sorte à ne pas bloquer le passage dudit fluide dans ladite chambre de circulation,
De préférence :
- les colonnes sont agencées en quinconce.
- les colonnes constituent un motif argyle.
- la ou lesdites tôles présentent une épaisseur de 0,15 mm ± 0,1mm.
- la hauteur des canaux est comprise entre 0,1 mm et 1,5 mm, et de préférence entre 0,5 et 1 mm.
- la largeur des canaux est comprise entre 0,1 mm et 1,5 mm, et de préférence entre 0,5 et 1 mm.
- une tôle au moins présente à sa surface extérieure un matériau conducteur thermiquement remplissant les creux pour former une surface de contact plane.
- lesdites tôles présentent une surface intérieure irrégulière obtenue par frittage ou rayure.
- le micro-évaporateur présente des bords périphériques relevés pour faciliter son auto-centrage.
L’invention concerne aussi un procédé de fabrication d’un micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique caractérisé en ce que l’on prépare au moins une tôle métallique pour former une configuration en relief présentant des canaux entrecroisés et des îlots intercalaires, ainsi que desdits ports de sortie et d’entrée, les sommets desdits reliefs s’étendant dans un plan, les fonds desdits reliefs s’étendant dans un second plan
Et en ce que l’on assemble ladite tôle avec une tôle complémentaire, les sommets desdits îlots étant liés mécaniquement, avec la tôle opposée.
Selon une variante, on procède à l’assemblage de deux tôles complémentaires présentant chacune une configuration en relief présentant des canaux entrecroisés et des îlots intercalaires, ainsi que desdits ports de sortie et d’entrée, l’assemblage étant réalisé par une liaison mécanique des sommets desdits îlots.
Avantageusement :
- ledit assemblage est réalisé par brasage.
- ledit assemblage est réalisé par collage.
- ledit assemblage est réalisé par soudage.
- on procède à l’emboutissage d’une tôle pour former ladite configuration en relief présentant des canaux entrecroisés et des îlots intercalaires, ainsi que desdits ports de sortie et d’entrée,
- ladite configuration en relief présentant des canaux entrecroisés et des îlots intercalaires, ainsi que desdits ports de sortie et d’entrée, est réalisée par hydroformage d’une tôle,
- ladite configuration en relief présentant des canaux entrecroisés et des îlots intercalaires, ainsi que desdits ports de sortie et d’entrée, est réalisée par forgeage d’une tôle,
- ladite configuration en relief présentant des canaux entrecroisés et des îlots intercalaires, ainsi que desdits ports de sortie et d’entrée, est réalisée par usinage d’une tôle,
- on procède à une étape additionnelle de remplissage des creux de l’une des surfaces extérieures au moins desdites tôles assemblées par une pâte thermique,
- on procède à une étape additionnelle de remplissage des creux de l’une des surfaces extérieures au moins desdites tôles assemblées par une résine plastique.
Description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, se référant aux dessins annexés où :
la figure 1 représente une vue schématique d’un système de refroidissement avec une boucle intermédiaire à circulation de liquide selon l’état de la technique
la figure 2 représente une vue schématique d’un système de refroidissement sans boucle intermédiaire selon l’état de la technique
la figure 3 représente une vue schématique d’un système de refroidissement par plaque froide sous les cellules selon l’état de la technique
la figure 4 représente une vue schématique d’un système de refroidissement avec des plaques froides entre les cellules selon l’état de la technique
la figure 5 représente une vue schématique en coupe de la plaque froide micro-évaporateur selon l’invention
la figure 6 représente un tableau de caractéristiques de fluides caloporteurs
la figure 7 représente deux cycles pression-enthalpie en HFO-1234yf : un cycle à compression de vapeur et une boucle diphasique
la figure 8 représente le cycle pression-enthalpie avec une plaque froide en boucle diphasique pompée en HFO1234yf
la figure 9 représente une vue schématique de dessus de la face d’alimentation de la plaque froide micro-évaporateur selon l’invention
la figure 10 représente une vue schématique en perspective d’une tôle emboutie pour la réalisation d’une plaque froide micro-évaporateur selon l’invention
les figures 11, 12 et 13 représentent des vues schématiques en coupe de divers modes de réalisation d’une plaque froide micro-évaporateur selon l’invention
la figure 14 représente une vue d’une plaque bipolaire de pile à combustible selon l’invention, avant assemblage des tôles.
Contexte de l’invention
La gestion thermique des batteries de véhicule électriques est un élément clé pour notamment permettre la recharge rapide de celles-ci. L’objectif est de recharger 80% d’une batterie de plusieurs dizaines de kilowatts heures, typiquement entre 40 et 80 % en moins de 10 minutes, soit un ratio puissance sur énergie de l’ordre de 7. Au cours de cette charge, le système de refroidissement doit évacuer entre 10 et 15 kW de pertes thermiques sans pour autant bénéficier d’un débit d’air, le véhicule étant à l’arrêt.
En plus de cet objectif de refroidissement général de la batterie pour maintenir une température moyenne sous 50°C et de préférence entre 15 et 35°C, le système de refroidissement doit également maintenir un écart maximum entre le point le plus froid du pack-batterie et le point le plus chaud de 5°C au plus.
Dans le cas d’un véhicule à pile à combustible, la batterie de celui-ci doit également être refroidie car elle est fortement sollicitée en charge (freinage régénératif) et décharge (appels de puissance) au regard de sa relative petite taille car elle compense le manque de réactivité de la pile à combustible. Quant à la pile elle-même, son rendement autour de 50% conduit à une forte génération de chaleur, certes à plus forte température que la batterie, mais tout aussi contraint en volume.
Rappel du fonctionnement de l’art antérieur
Les figures 1 et 2 illustrent les circuits de refroidissement que l’on retrouve sur la plupart des véhicules électriques (à l’exception de ceux, peu performants, refroidis par air).
La figure 1 détaille un système dans lequel la batterie (100) est refroidie par une boucle de fluide (114) pompé par une pompe (101). Le fluide échauffé après le passage dans la batterie (100) peut être distribué selon différents chemins selon qu’il faille réchauffer, refroidir au-dessus de la température ambiante ou refroidir en dessous de la température ambiante.
Le premier chemin est une recirculation facultativement équipée d’un dispositif (102) pour réchauffer le fluide, tel une résistance électrique ou un échangeur de chaleur d’une autre boucle de refroidissement du véhicule (moteur électrique, électronique de puissance, …).
Le second chemin passe par un échangeur (103) en face avant du véhicule facultativement équipé d’un ventilateur.
Le troisième chemin passe par l’évaporateur (110) d’un chiller, composé d’une vanne d’expansion (111), d’un condenseur (112) en face avant et d’un compresseur (113). Le fluide présent dans la boucle (114) peut être un mélange d’eau et de glycol, une huile (minérale, PAO, ester, …) ou un fluide réfrigérant (HFO, HCFO, HFE, PFPE, …).
Dans ce système, en fonctionnement monophasique, l’élévation de température du fluide de la boucle (114) dans la batterie (100) rend difficile le maintien de l’homogénéité de température de la batterie et impose de forts débits de circulation. Par ailleurs, les coefficients d’échanges thermiques attendus entre le fluide et la paroi d’échange dans la batterie sont de l’ordre de 200 W/m²/K.
La figure 2 montre un circuit simplifié dans lequel la batterie (100) est directement en contact avec l’évaporateur du refroidisseur. Le fluide qui est donc utilisé est un fluide réfrigérant. Ce dernier système permet une réduction de coût, de poids et de complexité. Cependant, il demande une conception et une mise au point lourde car il est difficile contrôler une circulation homogène du fluide réfrigérant diphasique à travers la totalité de la batterie. Ainsi l’homogénéité de la température de la batterie n’est pas parfaitement contrôlée bien que la température moyenne soit plus basse qu’avec un système présentant une boucle intermédiaire (114). De fait, il est donc réservé aux batteries simples et petites. Par ailleurs, les coefficients d’échanges thermiques attendus entre le fluide réfrigérant et la paroi d’échange dans la batterie sont élevés de l’ordre de 500 W/m²/K.
Les figures 3 et 4 illustrent deux modes de réalisation d’une batterie refroidie (100) par plaque froide. Un assemblage de cellules de batteries (200) est refroidi par au moins une plaque froide (201) en contact thermique avec des ailettes de refroidissement (204) situées entre les cellules (200). Cette au moins une plaque froide (201) peut être située sous les cellules (200), ou sur un des côtés, ou les deux. Les cellules (200) et les ailettes (204) peuvent être collées sur la plaque froide (201). En figure 4, les plaques froides (205) sont placées entre chaque cellule (200), ou toutes les deux cellules (200), et elles sont alimentées en liquide froid par un collecteur d’admission (202) et ledit liquide s’échappe par un collecteur d’échappement (203). Cette figure 4 correspond aussi au mode de refroidissement d’une pile à combustible dans laquelle les plaques bipolaires sont creuses et refroidies par de l’eau glycolée.
Circuit diphasique selon l’invention
Réalisation de la plaque froide
La figure 5 illustre une plaque froide (300). Cette plaque froide (300) peut être utilisée comme plaque froide dans les exemples des figures 3 (201) et 4 (205). Cette plaque froide (300) est un micro-évaporateur car son épaisseur est typiquement de 1 mm et elle est refroidie par l’évaporation du fluide circulant. Elle est composée d’un ensemble de colonnes (301) destinées à éviter une évaporation explosive et la formation de trains de liquides tels que décrit dans le brevet US8475626 (B2). Le fluide rentre dans la plaque froide avec un sous-refroidissement aussi faible que possible, typiquement 3°C. Il commence par s’échauffer jusqu’à atteindre sa température de saturation puis il s’évapore. Le débit est ajusté afin de ne jamais atteindre une évaporation complète mais plutôt de sortir de la plaque froide avec une fraction de vapeur entre 10 et 50%, idéalement autour de 30%.
Caractéristiques du fluide caloporteur
Le tableau 6 donne quelques propriétés d’une sélection de fluides réfrigérants classiques. Pour l’application de refroidissement de batterie visée, le fluide de refroidissement doit être un fluide présentant un potentiel de déplétion ozonique de zéro ainsi qu’un potentiel de réchauffement global (PRG) faible impérativement inférieur à 150 et de préférence inférieur à 10. De plus, ce fluide doit être faiblement toxique : des mélanges à base d’ammoniac sont peu concevables. Par ailleurs, il doit être peu inflammable : le propane n’est par exemple pas acceptable et le HFO1234yf, pourtant difficilement inflammable, utilisé actuellement en climatisation automobile, a été difficilement autorisé en remplacement du R134a interdit car ce dernier présentait un PRG supérieur à 150. Enfin, ce fluide doit être de préférence diélectrique afin d’éviter un court-circuit dans la batterie en cas de fuite.
Le calcul des performances de refroidissement dans le micro-évaporateur (300) montrent, qu’autour de 25°C, température de refroidissement visée pour cette application, l’évaporation partielle du réfrigérant permet, après avoir atteint sa température d’évaporation, d’obtenir des coefficients de transfert de chaleur très élevés, de l’ordre de 500 à 1000 W/m²/K, et une température sensiblement constante. En effet, la température d’évaporation ne dépend que de la pression qui diminue à cause de pertes de charges au fur et à mesure que le fluide circule dans la plaque froide. Afin de garantir une bonne homogénéité de température de la batterie, il est critique de garantir une température homogène de la plaque froide et ainsi il faut limiter la perte de charge dans la plaque froide. Cependant, pour des raisons de compacité, il est souhaitable de réduire l’épaisseur de la plaque froide (300) autant que possible. Réduire l’épaisseur du passage du fluide en évaporation sans provoquer des trains de liquide est possible grâce au réseau de colonnes (301) tel qu’illustré sur la figure 5. Enfin, la formation de vapeur au long de la plaque froide réduit la densité du fluide et peut provoquer des pertes de charges importantes qui feront varier la température d’évaporation et empêcheront de garder l’homogénéité en température de la batterie. Le fluide utilisé doit donc présenter une vapeur suffisamment dense énergétiquement sur une plage de température autour de 25°C.
La densité d’énergie de la vapeur saturée du fluide correspond au produit de sa densité de vapeur saturée à la température donnée par sa chaleur latente à la même température.
Ainsi, à 25°C, le HFO1234yf possède une densité énergétique de vapeur saturée de 5500 kJ/m3, le CO2 quant à lui est à 29 000 kJ/m3 et un mélange eau et éthylène glycol à 50% présente 1 kJ/m3. A 0°C, le HFO1234yf est à 2 880 kJ/m3. Les fluides tels le R1336mzz(Z) ou R1233zd(E) répondent pourtant aux précédents critères, mais leurs vapeurs sont trop peu denses énergétiquement, respectivement de 860 et 1380 kJ/m3. Le HFO1234yf et le CO2 permettent d’obtenir l’effet technique souhaité. Le faible débit volumique requis par ces 2 fluides engendre peu de pertes de charge dans le micro-évaporateur et la température d’évaporation y est donc quasiment constante.
Cependant, un dernier critère rentre en jeu pour sélectionner le bon fluide pour cette application. La gamme de pression de saturation vue par le système, en particulier lorsque celui-ci est à l’arrêt et subit une température ambiante variable entre -30°C et 55°C. Le HFO1234yf voit sa pression de saturation varier entre 1 barA et 15 barA respectivement, tandis que le CO2 démarre à 14 barA et atteint sa pression critique de 74barA dès 31°C. Cette plage de pressions très élevées pour le CO2 est un inconvénient important pour ce fluide dans une application où l’on cherche la légèreté et pour laquelle le poids des matériaux reflète le coût de production des pièces en grande série. Par ailleurs, le fait de rester au-dessus de 1barA jusqu’à -30°C est un avantage clair du HFO1234yf car cela évite la pénétration d’air dans le système ce qui pourrait déclencher un vieillissement prématuré du fluide par oxydation ou par dissolution d’eau. Ainsi, de manière surprenante, le HFO1234yf semble être le fluide le plus adapté à cette application. Ainsi afin d’améliorer les performances de système de refroidissement décrit en figure 1, l’utilisation du HFO1234yf dans la boucle (114) avec une plaque froide de type micro-évaporateur (300) permet de contrôler la température moyenne du pack de batterie et de garantir une meilleure homogénéité en température de celui-ci.
La figure 7 décrit le fonctionnement de deux cycles sur le diagramme pression-enthalpie du fluide HFO1234yf. Le cycle à compression de vapeur, formé par les points 500, 501, 502 et 503, est utilisé dans les climatisations ou les refroidisseurs tels que celui des figures 1 et 2. Ce cycle permet de refroidir en dessous de la température ambiante, il est donc nécessaire pour garder la batterie entre 15 et 35°C en climat chaud. Le cycle formé par les points (600, 601, 602 et 603) décrit une boucle diphasique pompée, selon l’invention. Il s’agit du cycle décrit par la boucle (114) lors de l’utilisation du HFO1234yf et du micro-évaporateur (300) pour refroidir la batterie. La figure 8 zoome sur ce dernier cycle. La pompe (101) permet de faire passer le fluide de l’état 600 à 601. Les pertes de charge à l’admission du micro-évaporateur (300) puis l’échauffement, suivi de l’évaporation du fluide dans le micro-évaporateur portent le fluide à l’état 602. L’échappement du fluide suivi de la circulation dans diverses canalisations et vannes apportent une perte de charge sensiblement isenthalpique amenant le fluide à l’état 603. Enfin, le passage dans l’échangeur de chaleur 103 (ou 110 selon la température ambiante) permet de ramener le fluide à l’état initial 600.
Réalisation du micro-évaporateur
La figure 9 illustre la plaque froide (300) qui comporte une entrée (302) et une sortie (303). Les dimensions typiques d’une telle plaque froide sont liées à la taille des cellules de batterie. Par exemple, une cellule prismatique rigide ou souple utilisée pour l’automobile présente les dimensions suivantes : 70 à 150mm de hauteur, 150 à 300 mm de largeur et 20 à 25mm d’épaisseur. Un module de batterie contient par exemple 12 à 24 cellules. En conséquence, les plaques froides pour cette application sont de taille variable, depuis 70mm de hauteur par 150mm de longueur jusqu’ à plus de 300mm de large par 600mm de long, voire 600mm par 900mm. De plus, l’épaisseur de cette plaque froide est constituée par des feuilles d’aluminium d’une épaisseur typique de 0.1 mm et par un passage réservé au fluide qui est optimisé selon l’application avec une hauteur généralement comprise entre 0.5mm et 1.5mm. Ainsi l’épaisseur de la plaque froide (300) est souvent comprise entre 1mm et 2mm.
La figure 10 montre une coupe de la plaque froide (300). Celle-ci présente une tôle (307) présentant un réseau de colonnes (301) formées dans une ou deux plaques, typiquement en aluminium, jointes ensemble par les sommets (304) desdites colonnes. Les colonnes peuvent être formées par emboutissage et l’assemblage peut être réalisé par brasage qui garantit l’étanchéité de la chambre d’évaporation ainsi formée. Afin de présenter une surface plane, cet assemblage de tôles métalliques est surmoulé par du plastique (305). Celui-ci peut notamment être chargé en particules conductrices thermiques (graphite, alumine, …) pour dissiper le flux de chaleur plus efficacement.
Alternativement, figure 11, une tôle métallique (306) peut être brasée ou collée pour remplacer le surmoulage en présentant une surface plane avec de meilleurs coefficients de conduction. Alternativement, figure 12, une seule des deux tôles (307) peut être formée de colonnes et assemblée sur une tôle plane (308). Alternativement, figure 13, la tôle formée de colonnes (307) peut être enfermée dans une chambre délimitée par deux tôles planes (310 et 311) assemblées de manière étanche entre elles.
Application sur une pile à combustible
La figure 14 présente une alternative de la plaque froide (300) formée pour servir de plaque bipolaire (400) dans une pile à combustible. Les faces de la plaque bipolaire (400) sont travaillées pour permettre la circulation de gaz et de liquide, d’un côté de l’air humide et de l’autre un réactif tel de l’hydrogène, du méthane, du méthanol… Le cheminement de ces fluides doit permettre de balayer toute la surface de la plaque (400) avec le moins de pertes de charge possible. La figure 14 propose un exemple de réalisation dans laquelle un ensemble de serpentins (407) relient un port d’entrée (403 et 405) à un port de sortie (404 et 406) de part et d’autre de la plaque (400). La plaque bipolaire (400) possède en sus un dispositif de refroidissement formé par la chambre d’évaporation étanche composée par un port d’entrée (401), le micro-évaporateur disposant un réseau régulier de colonnes (301) et d’un port de sortie (402). Le cheminement (407) est formé lors de l’emboutissage des colonnes. Il est moins profond de sorte à ne pas boucher la chambre d’évaporation. Sa profondeur est typiquement inférieure à la moitié de l’épaisseur de la chambre d’évaporation afin de ménager un cheminement de part et d’autre de la plaque (400) sans obstruer la chambre d’évaporation. Le cheminement (407) peut notamment relier les creux formés par l’envers des colonnes afin réduire les pertes de charges tout en distribuant les fluides au mieux sur toute la surface. Ensuite, la pile à combustible est constituée par l’assemblage de cette plaque bipolaire (400) avec une membrane et la répétition de cet assemblage. Les 3 fluides : air, réactif et fluide caloporteur, circulent dans 3 réseaux distincts dont l’étanchéité vis-à-vis d’eux-mêmes et vis-à-vis de l’extérieur est réalisée par des joints appliqués sur les plaques bipolaires ou par le brasage des plaques entre elles. La température idéale des piles à combustibles à échange de protons est variable notamment en fonction de la membrane utilisée. Certaines piles sont dites à basse température fonctionnant typiquement entre 0 et 80°C. D’autres sont dites à haute température et fonctionnent entre 120 et 200°C. Le fluide idéal pour ces piles est donc potentiellement différent de celui choisi pour les batteries. Cependant exactement les mêmes critères s’appliquent, seule la température cible est plus haute typiquement autour de 80 à 200°C selon la pile considérée. De ce fait, de nouveaux fluides peuvent être pertinents tels les HFO-1233zd et HFO-1336mzz qui possèdent tous deux une densité énergétique de vapeur saturée supérieure à 5000 kJ/m3 à 95°C.

Claims (23)

  1. - Micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique, présentant un port d’entrée (302 et 401), un port de sortie (303 et 402) et une chambre de circulation d’un fluide caloporteur s’étendant entre lesdits ports (302, 303, 401, 402), et présentant une pluralité de canaux entrecroisés et de colonnes (301) d’une hauteur inférieure à 2 millimètres, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une tôle (307) présentant un relief correspondant à l’une des parties au moins de la configuration desdits canaux et colonnes ainsi que desdits ports de sortie et d’entrée, les sommets desdits reliefs s’étendant dans un plan, les fonds desdits reliefs s’étendant dans un second plan, ladite au moins une tôle (307) étant assemblée par liaison mécanique desdits sommets avec une tôle opposée.
  2. - Micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il comprend deux tôles (307, 309, 310, 311) présentant chacune un relief correspondant à l’une des parties de la configuration desdits canaux et colonnes (301) ainsi que desdits ports de sortie et d’entrée (302, 303, 401, 402), les sommets desdits reliefs s’étendant dans un plan, les fonds desdits reliefs s’étendant dans un second plan, lesdites tôles (307, 309, 310, 311) étant assemblées par liaison mécanique étanche desdits sommets avec la tôle opposée.
  3. - Micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que lesdites tôles (307, 309, 310, 311) présentent chacune un relief secondaire sur le fond dudit premier relief, dessinant au moins un chemin pour au moins un second fluide sur au moins une face extérieure entre au moins un point d’entrée secondaire et au moins un point de sortie secondaire.
  4. - Micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique selon la revendication 3 caractérisé en ce que la profondeur dudit au moins un chemin est inférieure à la moitié de l’épaisseur dudit micro-évaporateur de sorte à ne pas bloquer le passage dudit fluide dans ladite chambre de circulation.
  5. - Micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique selon l’une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que les colonnes sont agencées en quinconce.
  6. - Micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique selon l’une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que les colonnes constituent un motif argyle.
  7. - Micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique selon l’une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que la ou lesdites tôles présentent une épaisseur de 0,15 mm ± 0,1mm.
  8. - Micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique selon l’une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que la hauteur des canaux est comprise entre 0,1 mm et 1,5 mm, et de préférence entre 0,5 et 1 mm.
  9. - Micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique selon l’une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que la largeur des canaux est comprise entre 0,1 mm et 1,5mm, et de préférence entre 0,5 et 1 mm.
  10. - Micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique selon l’une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce qu’une tôle au moins présente à sa surface extérieure un matériau, de préférence conducteur thermiquement, remplissant les creux pour former une surface de contact plane.
  11. - Micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique selon l’une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdites tôles présentent une surface intérieure irrégulière obtenue par frittage ou rayure.
  12. - Micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique selon l’une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il présente des bords périphériques relevés pour faciliter son auto-centrage.
  13. – Procédé de fabrication d’un micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique caractérisé en ce que l’on prépare au moins une tôle métallique pour former une configuration en relief présentant des canaux entrecroisés et des îlots intercalaires, ainsi que desdits ports de sortie et d’entrée, les sommets desdits reliefs s’étendant dans un plan, les fonds desdits reliefs s’étendant dans un second plan et en ce que l’on assemble ladite tôle avec une tôle complémentaire avec la tôle opposée, les sommets desdits îlots étant liés mécaniquement.
  14. – Procédé de fabrication d’un micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique selon la revendication 13 caractérisé en ce que l’on procède à l’assemblage de deux tôles complémentaires présentant chacune une configuration en relief présentant des canaux entrecroisés et des îlots intercalaires, ainsi que desdits ports de sortie et d’entrée, l’assemblage étant réalisé par une liaison mécanique étanche des sommets desdits îlots.
  15. – Procédé de fabrication d’un micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique selon la revendication 13 ou 14 caractérisé en ce que ledit assemblage est réalisé par brasage.
  16. – Procédé de fabrication d’un micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique selon la revendication 13 ou 14 caractérisé en ce que ledit assemblage est réalisé par collage.
  17. – Procédé de fabrication d’un micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique selon la revendication 13 ou 14 caractérisé en ce que ledit assemblage est réalisé par soudage.
  18. – Procédé de fabrication d’un micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique selon la revendication 13 ou 14 caractérisé en ce que l’on procède à l’emboutissage d’une tôle pour former ladite configuration en relief présentant des canaux entrecroisés et des îlots intercalaires, ainsi que desdits ports de sortie et d’entrée.
  19. – Procédé de fabrication d’un micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique selon la revendication 13 ou 14 caractérisé en ce que ladite configuration en relief présentant des canaux entrecroisés et des îlots intercalaires, ainsi que desdits ports de sortie et d’entrée, est réalisée par hydroformage d’une tôle.
  20. – Procédé de fabrication d’un micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique selon la revendication 13 ou 14 caractérisé en ce que ladite configuration en relief présentant des canaux entrecroisés et des îlots intercalaires, ainsi que desdits ports de sortie et d’entrée, est réalisée par forgeage d’une tôle.
  21. – Procédé de fabrication d’un micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique selon la revendication 13 ou 14 caractérisé en ce que ladite configuration en relief présentant des canaux entrecroisés et des îlots intercalaires, ainsi que desdits ports de sortie et d’entrée, est réalisée par usinage d’une tôle.
  22. – Procédé de fabrication d’un micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique selon la revendication 13 ou 14 caractérisé en ce que l’on procède à une étape additionnelle de remplissage des creux de l’une des surfaces extérieures au moins desdites tôles assemblées par une pâte thermique.
  23. – Procédé de fabrication d’un micro-évaporateur pour la thermorégulation d’un équipement électrique selon la revendication 13 ou 14 caractérisé en ce que l’on procède à une étape additionnelle de remplissage des creux de l’une des surfaces extérieures au moins desdites tôles assemblées par une résine plastique.
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