Boucle diphasique à pompage capillaire

Nouvelle technologie pour un refroidissement naturel
Boucle diphasique à pompage capillaire
Sébastien NICOLAU et V.DUPONT

1. Le refroidissement naturel
2. Caractéristiques de l’électronique de puissance
3. Les technologies disponibles
4. La solution développée par ALSTOM Transport
5. Les Les étapes clés étapes de la maturation clés de de la technologie la maturation de la technologie
6. La maquette technologique
7. Conclusions
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Pourquoi le refroidissement naturel ?
Les Objectifs Les Bénéfices
Supprimer tout équipement électromécanique
des chaînes de traction des trains
Suppression des ventilateurs, pompes…
Utilisation uniquement de la convection
naturelle et du « vent vitesse »
Répondre aux besoins du marché
demande de plus en plus importante
de la part des exploitants
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Réduction des coûts de maintenance de l’ordre
de 10 % pour l’opérateur final
tout en maintenant un haut niveau de
fiabilité et de disponibilité
Réduction de 20% des nuisances sonores
Passage de 90db (ventilation mécanique)
à un niveau inférieur à 70db

1. Le refroidissement naturel
2. Caractéristiques de l’électronique de puissance
3. Les technologies disponibles
4. La solution développée par ALSTOM Transport
5. Les Les étapes clés étapes de la maturation clés de de la technologie la maturation de la technologie
6. La maquette technologique
7. Conclusions
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Zoom sur les interrupteurs de puissance
Convertisseur
Chaîne de traction
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Bras
Interrupteur
* Insulated Gate Bipolar Transistor
Pack IGBT*

Pack IGBT :
brique électro-thermique élémentaire à refroidir
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Densités de puissance importantes

Caractéristiques de l’électronique de puissance
• Puce en silicium à forte densité de puissance
• Niveau de puissance élevée au niveau des packs, en régime stabilisé ou en régime transitoire
• Durée de vie impactée
par l'inhomogénéité de température sous un même pack : déséquilibrage électrique emballement
thermique,
par les gradients thermiques induits par les sollicitations électriques
Déciélec- Boucle diphasique à pompage capillaire – 17/04/2013 - P 7

1. Le refroidissement naturel
2. Caractéristiques de l’électronique de puissance
3. Les technologies disponibles
4. La solution développée par ALSTOM Transport
5. Les Les étapes clés étapes de la maturation clés de de la technologie la maturation de la technologie
6. La maquette technologique
7. Conclusions
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Technologie envisageable pour le refroidissement naturel
(au niveau de la partie puissance)
Aluminium extruded
heat sink
1000W
Mixed aluminium extruded
heat sink + heat pipe
Heat Pipe
Puissance thermique
dissipable par pack IGBT
CPL
3000W
Idem pour densité de
puissance

1. Le refroidissement naturel
2. Caractéristiques de l’électronique de puissance
3. Les technologies disponibles
4. La solution développée par ALSTOM Transport
5. Les Les étapes clés étapes de la maturation clés de de la technologie la maturation de la technologie
6. La maquette technologique
7. Conclusions
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Capillary Pump Loop (CPL) ou Boucle par Pompage Capillaire
Solution technologique développée
Valorisée du secteur spatial
Basée sur un échange diphasique et un pompage capillaire.
Partenaires technologique et industriel
Euro Heat Pipe (technologie)
Calyos (Industriel)
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La technologie CPL :
Système fermé avec équilibre thermodynamique phase vapeur/ phase liquide
LA BOUCLE DIPHASIQUE CAPILLAIRE (CPL) couple Ni/CH 3OH
Le réservoir :
Asservi, il pilote la T° de
saturation du fluide (Tsat)
Il impose Tjonction IGBT
(régulation thermique
nécessaire)
Le condenseur :
Un radiateur à ailettes
classique
liquide
Déciélec- Boucle diphasique à pompage capillaire – 17/04/2013 - P 12
Pertes Thermiques IGBT
Pertes Thermiques IGBT
vapeur
Ventilation extérieure : vent vitesse
L’évaporateur :
Matrice poreuse
carénée
Moteur
fluidique/thermique

La technologie CPL
Le pompage capillaire
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La technologie CPL
Le pompage capillaire
Déciélec- Boucle diphasique à pompage capillaire – 17/04/2013 - P 14

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La technologie CPL
La température d’opération de la CPL est située entre le “cas chaud” de la source froide et la
température maximale de la charge à refroidir.
Chaque fluide présente une température optimum
en dessous, les pertes de charge en phase vapeur sont limitantes, au-dessus la tension de surface décroit.

La technologie CPL
Zone de vaporisation : le cœur du système
L’assemblage du poreux sur la paroi
chauffante détermine les performances de
l’évaporateur capillaire.
La profondeur de la poche dépend :
• des pertes de charges,
• de la densité de flux.
.

La technologie CPL
Repousse la densité de flux de chaleur critique
La séparation des phases liquide et vapeur dans l’évaporateur et la température de saturation
minimale imposée par le réservoir (80°C) permettent d’adresser des densités de flux jusqu’à 70W/cm²
y Déciélec- compris Boucle diphasique aux basses à pompage capillaire températures.
– 17/04/2013 - P 17

La technologie CPL
Performance thermique du système
Performance thermique du système
La dispersion des DT à la surface de l’évaporateur < 5K
pour q < 25 W/cm²
Déciélec- Boucle diphasique à pompage capillaire – 17/04/2013 - P 18

La technologie CPL
Performance thermique du système
la dispersion des DT à la surface de l’évaporateur < 5K
pour q < 25 W/cm²
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2. Caractéristiques de l’électronique de puissance
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7. Conclusions
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Les étapes clés
Naissance
du
projet
Déciélec- Boucle diphasique à pompage capillaire – 17/04/2013 - P 21
Maturation de la technologie
Faisabilité thermique
Réalisation maquette de
démonstration
Tests de la technologie CPL
sur ligne de métro RATP
2006 2010 2013

Les acteurs du partenariat : mutualisation des forces
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6. La maquette technologique
7. Conclusions
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La maquette de démonstration
Mise en place d’un prototype embarquable
• Caractéristiques de la maquette
Intérêt
1 seul module : Onduleur ONIX 172 MP (pilotage de 2 moteurs
de 260kW chacun)
Modifications mineures aux niveaux des interfaces
(Module/train)
Refroidissement naturel sans ventilation mécanique
Mcooling unit proto = Mcooling unit produit = 100kg soit
0.25kg/kW et 0.5l/kW
Sur un métro parisien ligne 1
• Confronter la technologie en milieu réel
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Prototype ONIX 172 version CPL – Vue extérieure
Interfaces mécaniques
et électriques identiques
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Condenseur positionné
sur le côté
Prototype réalisé sur
spécification ONIX 172

Design de la CPL retenue pour le prototype
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Proto CPL : 2 briques élémentaires
1 brique élémentaire est composée de
2 évaporateurs + 4 packs

Présentation du prototype CPL
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Pattes d’accroche
avec le train Condenseur CPL
Montage et validation réalisés dans les ateliers à TARBES

Dimensionnement Module : Approche multi physiques
CAO
Modèle système multi
physique

REX : centrale acquisition
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Eléments embarqués
CompactRIO de chez NI
Module d’envoi des données
+ antenne GSM

Essais dynamiques sur circuit spécifique (CEF)
Identification de la voiture
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Premier roulage pour le proto CPL

Service commercial sur ligne métro parisien depuis le 1 er février 2013
Rame sur parcours réel
• Fortes accélérations et décélérations
• Charges maximales
• Courbures, pentes
• Tunnel, air libre
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REX : Premiers résultats
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2. Caractéristiques de l’électronique de puissance
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7. Conclusions
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Conclusions
Première mondiale : onduleur à base de CPL,
Cumulé du REX => robustifier la technologie,
Préparer les futures familles de chaîne de traction en refroidissement naturel,
Sensibiliser les industriels sur l’arrivée de cette technologie,
Importance de l’innovation / mutualisation des forces pour préparer l’avenir….
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