EP4370844A1 - Enceinte climatique a regulation thermique pour simulateur de mouvements et procede de regulation thermique, kit d'installation - Google Patents

Enceinte climatique a regulation thermique pour simulateur de mouvements et procede de regulation thermique, kit d'installation

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EP4370844A1
EP4370844A1 EP22737509.4A EP22737509A EP4370844A1 EP 4370844 A1 EP4370844 A1 EP 4370844A1 EP 22737509 A EP22737509 A EP 22737509A EP 4370844 A1 EP4370844 A1 EP 4370844A1
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EP
European Patent Office
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climatic chamber
thermoelectric assembly
thermal regulation
temperature
face
Prior art date
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Granted
Application number
EP22737509.4A
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German (de)
English (en)
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EP4370844B1 (fr
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Romain SORANT
Mehdi BUSSUTIL
Bernard Vau
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Exail SAS
Original Assignee
Exail SAS
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Publication date
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B21/02—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2321/00—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B2321/001—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects by using electro-caloric effects
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25B2321/021—Control thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B2321/02—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effects; using Nernst-Ettinghausen effects
    • F25B2321/021—Control thereof
    • F25B2321/0212—Control thereof of electric power, current or voltage

Definitions

  • TITLE Climatic chamber with thermal regulation for motion simulator and thermal regulation process, installation kit
  • the present invention generally relates to the field of metrology. It concerns a climatic chamber with thermal regulation which can be embedded in a motion simulator as well as a thermal regulation process. It may also relate to an installation kit for a climatic chamber with thermal regulation for a motion simulator. It has applications for the thermal characterization of equipment tested dynamically in a motion simulator.
  • Motion simulators are rotating machines designed to test equipment that can be isolated inertial component type sensors or complete inertial systems, typically gyrometers, accelerometers, inertial units, etc. Most of these tests require temperature characterization in order to evaluate and be able to compensate for the thermal drift of the equipment, both statically, i.e. on a temperature level, and dynamically, i.e. on a temperature ramp. In both cases, temperature setpoint monitoring and temperature stability are important performance indicators. It is also preferable that the tests can be carried out over a very wide range of temperatures, for example between -55°C and +125°C.
  • climatic chambers are conventionally implemented in which the equipment is installed, the climatic chamber being installed in a typically multi-axis motion simulator.
  • the gas is lost after expansion in the climatic chamber and it is necessary to provide means for controlling the oxygen level in the ambient air in the case of N2 or the gas level used in the case of CO2 .
  • the mechanical systems operate in a closed circuit, without the need to control the oxygen level in the air, and they use an evaporator in the climatic chamber, thus making it heavier and penalizing the dynamics as well as the bandwidth of the motion simulators.
  • solenoid valves generally of the on/off type, to control the flow of liquid to the evaporator and therefore the cooling power in the climatic chamber. Piloting the solenoid valve can compromise position and speed stability performance by at least two phenomena that can be likened to shocks on the mechanical structure of the simulator:
  • operation is not continuous, since it consists of a series of successive injection/evaporation cycles of refrigerant fluid in the evaporator in the case of mechanical refrigeration, or even liquid N2 or CO2 directly in the volume of the climatic chamber in the case of an open circuit. These cycles also cause a variation in the cooling capacity during the tests.
  • pulse width modulation or PWM pulse width modulation
  • PWM pulse width modulation
  • An operating periodicity of several seconds is not negligible in view of the thermal inertia of the various constituents of the climatic chamber, and this results in inevitable temperature oscillations. Moreover, this periodicity also penalizes the bandwidth insofar as it induces a pure delay in the control of the system.
  • thermoelectric modules also called Peltier modules
  • thermoelectric cooling module has already been implemented in a motion simulator, but this was done by installing the thermoelectric module directly on the equipment to be tested for its temperature characterization. Cooling is therefore carried out by direct conduction on the equipment under test as is standard practice in electronics for thermoelectric modules. There was therefore no thermal regulation by a climatic chamber.
  • the equipment to be tested is generally complex devices that may include materials on the surface with very different or low thermal conductivities and/or have irregular shapes limiting or preventing the direct attachment of one or more thermoelectric modules to the equipment.
  • thermoelectric modules have certain limitations.
  • single-stage thermoelectric modules do not produce more than 70-80°C of temperature difference, DT, between their cold and hot faces with powers of several hundred watts under ideal conditions.
  • thermoelectric modules depend on the temperature of the hot face.
  • a forced convection heatsink is often used on the hot side, but this cannot fall below the ambient temperature, which limits the amplitude of the low temperatures that can be reached on the cold side.
  • thermoelectric assembly(ies) for in particular a motion simulator
  • a secondary thermal regulation circuit which is applied to the/ to the external faces of the enclosure of the thermoelectric assembly(ies), and which comprises a means for cooling or heating a heat transfer fluid of said secondary thermal regulation circuit and for exchanging caloric energy (or "calories" in the following of the text) with said external face(s) of the thermoelectric assembly(ies).
  • the thermoelectric assembly(ies) of the climatic chamber form a primary thermal regulation device.
  • the interior of the climatic chamber, an interior which is subject to the internal face(s) of the thermoelectric assembly(ies), is preferably forced convection.
  • the secondary thermal regulation circuit implements one or more thermoelectric regulation assemblies each comprising one or more thermoelectric modules.
  • a climatic chamber with thermal regulation intended to test at least one piece of equipment comprising a wall defining an internal space containing a gas and able to receive and contain said at least one piece of equipment to be tested.
  • thermoelectric assembly being thermally insulated from the environment outside the climatic chamber, in which at least one thermoelectric assembly is arranged through the wall of the climatic chamber, each thermoelectric assembly comprising two faces, an internal face disposed at the interior of the climatic chamber and an external face outside the climatic chamber, and in which one of the two faces, called the cold face, is intended to absorb caloric energy and the other, called the hot face, is intended rejecting heat energy as a function of electric current flowing through said at least one thermoelectric assembly, wherein a heat exchange end for r thermoelectric assembly external face of a secondary thermal regulation circuit is arranged in thermal contact with each thermoelectric assembly external face in order to exchange heat energy between said at least one thermoelectric assembly and said thermal regulation circuit secondary, the secondary thermal regulation circuit being external to the climatic chamber and comprising a heat transfer fluid circuit, a cold source, a hot source, a mixing device, a circulation pump and sensors, and in which a regulation system of the temperature of the enclosure is configured to control the electric current of said at least one thermo
  • thermoelectric assembly arranged through, that is to say crossing, the wall of the climatic chamber must be understood in a functional sense which is to allow heat exchanges between the inside and the outside of the climatic chamber.
  • the internal wall of the environmental chamber may be metallic and the thermoelectric assembly(ies) are arranged against the external face of the internal metallic wall by passing through a layer of thermal insulation also arranged on the external face of this internal metallic wall. .
  • thermoelectric assembly comprises one or more thermoelectric modules also called Peltier,
  • the secondary thermal regulation circuit therefore includes a heat exchange end for the external face of the thermoelectric assembly
  • a gas mixing device is arranged inside the climatic enclosure in order to allow mixing of the gas inside the enclosure and on the internal face(s) of said at least one thermoelectric assembly,
  • thermoelectric assembly each internal face of the thermoelectric assembly includes a finned radiator
  • the heat transfer fluid has two phases, a gaseous and a liquid, in the secondary thermal regulation circuit,
  • the external face is a hot face and the internal face is a cold face, caloric energy being extracted from the interior of the climatic chamber,
  • the external face is a cold face and the internal face is a hot face, caloric energy being sent inside the climatic chamber,
  • the gas mixing device comprises one or more fans
  • the containment temperature regulation system also controls the gas circulation device in order to adjust the intensity of the gas circulation in the containment
  • the internal space is thermally insulated from the environment outside the enclosure, including the motion simulator, the enclosure being fixed to the motion simulator by thermally insulating fasteners so as not to create a thermal bridge between the simulator movements and the interior of the climatic chamber,
  • the climatic chamber is fixed on a mobile support of a movement simulator and the mobile support can be moved by means of joints of said movement simulator,
  • the heat exchange end for the external face of the thermoelectric assembly is placed against the thermoelectric assembly and is therefore mobile following the thermoelectric assembly, the remainder of the secondary thermal regulation circuit being arranged outside the mobile parts of the movement simulator and being connected to the heat exchange end by mobile fluid joints passing through the joints of the simulator movements,
  • the climatic chamber is fixed and is immobile, a motion simulator being installed in the climatic chamber and the equipment is installed on a support motion simulator and the equipment can be driven in motion by said motion simulator,
  • the temperature of the hot source is adjustable and the temperature control system of the enclosure additionally regulates the temperature of the hot source
  • the temperature control system of the enclosure is configured to regulate the temperature of the external face of the thermoelectric assembly as a function of the enclosure temperature setpoint and so that the polarity of the current flowing in said at least one thermoelectric assembly is constant, the internal face of the thermoelectric assembly being a cold face absorbing the caloric energy coming from inside the climate chamber,
  • thermoelectric assembly external face temperature sensor a thermoelectric assembly external face temperature sensor
  • each thermoelectric assembly includes a temperature sensor on the external face of the thermoelectric assembly, - each thermoelectric assembly is in contact with a heat exchange end for the external face of the thermoelectric assembly of the secondary thermal regulation circuit,
  • thermoelectric assembly of the secondary thermal regulation circuit comprises a fluid outlet on the downstream side and a temperature sensor is arranged on the fluid outlet of the heat exchange end of the regulation circuit secondary thermal
  • the heat exchange end for the external face of the thermoelectric assembly of the secondary thermal regulation circuit comprises a fluidic outlet on the downstream side and the temperature sensor of the external face of the thermoelectric assembly is placed on the fluidic outlet of the end heat exchange of the secondary thermal regulation circuit
  • the containment temperature regulation system is configured to ensure a continuous flow of coolant in the heat exchange end of the secondary thermal regulation circuit
  • the enclosure temperature regulation system is configured to control the flow rate of the heat transfer fluid while avoiding cavitation at high temperature of the heat transfer fluid which would be due to too high a speed of the heat transfer fluid, - the temperature of the enclosure is configured to linearize the opening/flow ratio of the three-way valve by means of an interpolation by piece in a tabulation (“Look-up table”),
  • the climatic chamber includes at least one thermoelectric assembly through the climatic chamber - a thermoelectric assembly includes a thermoelectric module,
  • thermoelectric assembly comprises several thermoelectric modules
  • thermoelectric assembly comprising several thermoelectric modules, the thermoelectric modules are electrically connected in series or in parallel or according to a series-parallel arrangement, - the enclosure comprises at least two thermoelectric assemblies through the environmental chamber and the thermoelectric assemblies are electrically connected in parallel,
  • thermoelectric assembly comprises twenty thermoelectric modules electrically connected in series
  • the enclosure comprises two sets in parallel of five modules in series each,
  • the enclosure temperature regulation system comprises at least two regulation loops, said at least two regulation loops being a main regulation loop controlling the electric current of said at least one thermoelectric assembly and at least one regulation loop secondary controlling the secondary thermal regulation circuit,
  • the secondary regulation loop controlling the secondary thermal regulation circuit comprises a hot and cold sharing regulation loop and a flow regulation loop
  • the motion simulator includes moving fluid joints and moving electrical connections
  • the moving fluid joints are flexible pipes and the moving electrical connections are flexible electrical cables.
  • the invention also relates to a method of thermal regulation of a climatic chamber intended to test at least one item of equipment, in which a climatic chamber with thermoelectric assembly(ies) according to the invention is implemented, in which the chamber climate being fixed on a mobile support of a motion simulator and the mobile support being able to be driven in motion by means of joints of said motion simulator, and in which a secondary thermal regulation circuit is also implemented comprising a heat exchange end for the external face of the thermoelectric assembly, the heat exchange end is arranged against the external face(s) of the thermoelectric assembly(ies), the rest of the secondary thermal regulation circuit being arranged outside the moving parts of the motion simulator and being connected to the heat exchange end by movable fluid joints passing through the joints of the motion simulator movements.
  • the process can be declined according to all the procedural methods described or resulting from the functions of the material means implemented.
  • thermoelectric assembly controls the electric current of said at least one thermoelectric assembly and which controls at least the mixing device and the circulation pump of the secondary thermal regulation circuit according to an enclosure temperature set point and sensor measurements.
  • the invention finally relates to a kit for installing a climatic chamber in a motion simulator.
  • kit for installing a climatic chamber with thermal regulation in a motion simulator the climatic chamber being intended to test at least one piece of equipment, the motion simulator comprising a driven mobile support in motion via joints of said motion simulator, which kit comprises: - a climatic chamber comprising a wall defining an internal space capable of receiving and containing said at least one item of equipment to be tested, the internal space possibly comprising a gas and being thermally insulated from the environment outside the climatic chamber, the climatic chamber comprising means of attachment to the mobile support, the enclosure further comprising at least one thermoelectric assembly, said at least one thermoelectric assembly being arranged through the wall of the climatic enclosure, each thermoelectric assembly comprising two faces, an internal face arranged inside the climatic chamber and an external face outside the climatic chamber, and in which one of the two faces, called the cold face, is intended to absorb heat energy and the other, called the hot face, is intended to reject caloric energy as a function of an electric current passing through said at least one thermoelectric
  • thermoelectric assembly a secondary thermal regulation circuit comprising a heat transfer fluid circuit, means for connection to a cold source, a hot source, a mixing device, a circulation pump and sensors, the heat transfer fluid circuit comprising an exchange end heat for external face of thermoelectric assembly intended to come into thermal contact with an external face of thermoelectric assembly in order to exchange heat energy between said at least one thermoelectric assembly and said secondary thermal regulation circuit,
  • thermoelectric assembly intended to control the electric current of said at least one thermoelectric assembly and to control at least the mixing device and the circulation pump of the secondary thermal regulation circuit according to a temperature setpoint enclosure and sensor measurements.
  • the kit may also include a cold source.
  • the enclosure of the kit may also comprise a gas mixing device, said gas mixing device being arranged inside the climatic enclosure in order to allow mixing of the gas inside the enclosure and on the internal faces of said at least one thermoelectric assembly.
  • FIG. 1 schematizes the primary thermal regulation device with a thermoelectric assembly of the environmental chamber, the latter being embedded in a motion simulator not shown, one heat exchange end of a secondary thermal regulation circuit also being represented,
  • FIG. 2 schematizes the secondary heat transfer fluid thermal regulation circuit, external to the climatic chamber, which is intended to exchange heat energy with the hot face of the thermoelectric assembly
  • FIG. 3 schematizes an example of implementation with three control loops.
  • the system of the invention comprises thermal regulation of the internal volume of the climatic chamber by series/cascade of two thermal regulation means: a first, called primary thermal regulation device and a second, called circuit secondary thermal regulation.
  • the secondary thermal regulation circuit it is possible to heat or cool the primary thermal regulation device, which makes it possible to increase the temperature range that can be reached in the climatic chamber as well as the thermal power available.
  • the primary thermal regulation device which is static in its own operation, implements at least one thermoelectric assembly to be able to control the temperature inside the climatic chamber.
  • at least one temperature sensor is arranged in the climatic chamber.
  • the internal face of each set is placed inside the climatic chamber and the external face of each set is placed outside the climatic chamber.
  • the internal face is the cold face and the direction of the current passing through the thermoelectric assembly is therefore imposed by the fact that the cold face, the one which “sucks up” the calories, is on the internal side of/in the climatic chamber .
  • the internal face can become a hot face or a cold face by reversing the polarity of the current passing through the thermoelectric assembly(ies).
  • a mobile climatic chamber is described primarily because it is installed in a motion simulator and with a primary thermal regulation device, the internal face of the thermoelectric assembly(ies) of which is a cold face.
  • the climatic chamber is integral with the movement simulator and it is therefore mobile according to the movements of the joints of the simulator, typically according to the axes of rotation and/or translation, and according to the way in which they are controlled.
  • the motion simulator is typically multi-axis.
  • the climatic chamber is filled with a gas. This gas can be air, ambient air, or one or more specific gases other than air.
  • the climatic chamber which can be opened, in particular for setting up the equipment, and closed, thermally insulates the inside of the chamber from the outside environment.
  • the interior of the climatic chamber may be airtight and gastight and may be able to withstand a depression or an overpressure compared to the exterior, in particular for additional (de)pressure tests on the equipment.
  • a sealed climatic chamber can also allow the introduction of specific gas(es), for example nitrogen or argon, for additional tests of the tightness of the equipment itself, in particular in search of leaks or risks of contamination in the equipment.
  • the climatic chamber is not designed to be sealed against overpressure and depression, the gaseous exchanges between the interior and the exterior at the equilibrium of the pressures between the interior and exterior being however reduced and in such a case, the internal gas is typically air and it is at the atmospheric pressure of the environment.
  • each thermoelectric assembly 10 which in FIG. 1 is the inner face 11, comprises a heat exchange surface which is preferably extended by the presence of a radiator 1.
  • the heat exchanges inside the climatic chamber 3 are preferably favored by a device for mixing the gas 2 internal to the climatic chamber 3, typically at least one fan blowing or sucking on the exchange surface. Forced convection is therefore implemented in climatic chamber 3.
  • Radiator 1 is a heat sink of the type used for cooling power components in electronics, for example a finned radiator.
  • thermoelectric assembly 10 The hot face of the thermoelectric assembly 10, the one that "rejects” the calories “aspirated” by the cold face, is arranged outside the climatic chamber and corresponds to the external face 14 of the thermoelectric assembly 10. Each thermoelectric assembly is therefore placed through the wall of the climatic chamber and avoiding the creation of a thermal bridge between the interior and the exterior of the climatic chamber.
  • thermoelectric assembly(ies) passes through the joints of the movement simulator and implements electrical connections with contacts or collectors, for example rotating or sliding, or a transmission of electrical energy without contact by induction or any other means. adequate.
  • thermoelectric assemblies It is advantageous to implement several thermoelectric assemblies and to wire the thermoelectric assemblies in series to increase the supply voltage and thus reduce the electrical current circulating, thus limiting the wear of the electrical slip rings arranged in the joints of the motion simulator and EMC noise that may be generated. It is also possible by suitable wiring between the thermoelectric assemblies and by using individually addressable individual control means, one for each thermoelectric assembly, to reduce the total number of electrical connections necessary, for example two for a power supply bus and one for a data link.
  • the data may include instructions sent to the individual control means and sensor measurements with identifiers, the sensors being placed in the motion simulator and in particular in the climatic chamber.
  • each thermoelectric assembly comprises its own cold face temperature sensor and its own current regulation.
  • control of the power of the thermoelectric assemblies is done globally for all the thermoelectric assemblies, a single internal face temperature sensor or several temperature sensors with averaging of the internal face measurements being implemented. work and the current for all the thermoelectric assemblies which are therefore globally regulated.
  • thermoelectric assembly consists of several thermoelectric elements, there is no individual regulation of each element (no sensor + element current regulation), the regulation being done on the thermoelectric assembly as a whole, and preferably individually (one regulation per assembly) in the case of the implementation of several thermoelectric assemblies in the system. Concerning the external faces of thermoelectric assemblies in a system to several thermoelectric assemblies, they are in parallel on the secondary thermal regulation circuit.
  • Thermal insulation materials can be implemented to constitute the climatic chamber 3.
  • the climatic chamber 3 can be single-component in a material with low thermal conductivity or be multilayer with for example an external thermal insulation layer and a wall internal metal, possibly connected to the cold face, which can also promote the distribution of heat in the enclosure.
  • the purpose of the primary thermal regulation device is multiple:
  • thermoelectric assembly(ies) Finely and quickly regulate the temperature in the climatic chamber, thanks to the low thermal inertia of said device and the linear and continuous operation of the thermoelectric assembly(ies).
  • thermoelectric assembly(ies) Widen the temperature range offered by the secondary thermal regulation circuit alone, by working with the DT of the thermoelectric assembly(ies) in addition.
  • the secondary thermal regulation circuit 9 exemplified in FIG. 2 uses a heat transfer fluid, and this circuit is intended to introduce or extract heat energy from the external face 14 of the thermoelectric assembly(ies) 10.
  • This secondary thermal regulation circuit 9 has a heat exchange end 4 for outer face 14 of thermoelectric assembly 10.
  • the fluid supplied by the secondary thermal regulation circuit against the outer face 14 of each thermoelectric assembly can be at a low temperature, for example -10° C or less, -20°C, or high, for example 80°C, or even more, 120°C, or any other temperature in between.
  • the heat transfer fluid which is a liquid, is designed to preferably remain in the liquid phase over the entire temperature range envisaged.
  • thermoelectric assemblies Ethylene glycol, methylene glycol, Coolanol®.
  • the fluids used have the advantage of being able to be heated and cooled at least in relation to the ambient temperature. In this way, it is possible to increase the operating thermal amplitude of thermoelectric assemblies while maintaining correct thermal/caloric power. It is also possible to use thermoelectric assemblies with several thermoelectric elements thermally mounted in series/in cascade, which also makes it possible to obtain a greater thermal amplitude but to the detriment of the thermal power.
  • thermoelectric assembly 10 the heat exchange end 4 for external face 14 of thermoelectric assembly 10 is divided into several entities, each entity being arranged on an external face 14 of thermoelectric assembly 10 and in this case, these different entities are in parallel so that the different thermoelectric assemblies receive heat transfer fluid at the same temperature.
  • thermoelectric assembly(ies) 10 of the climatic chamber 3 Given therefore that the heat exchange end 4 for the external face 14 is against the thermoelectric assembly(ies) 10 of the climatic chamber 3, it must follow the movements of this climatic chamber.
  • the secondary thermal regulation circuit 9 only the heat exchange end 4 is placed on a moving part because against the thermoelectric assembly(ies) of the enclosure placed in the motion simulator, the rest of the secondary thermal regulation circuit 9 preferably being fixed, outside the motion simulator. It is understood that fluidic circuits or connections with movable fluidic joints connect the two by crossing and/or passing through the joints of the movement simulator.
  • the secondary thermal regulation circuit 9 comprises the following elements, the terms upstream and downstream being defined with reference to the direction of circulation of the heat transfer fluid imposed by the pump 15 of the circuit:
  • thermoelectric assembly 10 for external face 14 of thermoelectric assembly 10, possibly in several entities in parallel in the case where there are several thermoelectric assemblies.
  • An active means of ensuring the circulation of a heat transfer fluid in the example shown it is a circulation pump 15 controlled by the speed of the heat transfer fluid.
  • the circulation of the fluid is passive by using the difference in density between the cold fluid and the hot fluid.
  • a phase change of the fluid is used for the circulation of the fluid.
  • a heat exchanger heater or hot source 12 to possibly heat the heat transfer fluid it receives for example a circulation heater or, preferably, counter-circulation. Any other means of heating the heat transfer fluid can be used, for example by Joule effect with an electrical resistance, by electromagnetic radiation in particular with a suitable heat transfer fluid.
  • a controlled mixer device 13 making it possible to adjust the temperature of the circulating heat transfer fluid, for example a three-way valve.
  • thermoelectric assembly(ies) in intensity and possibly polarity, according to measurements of the sensors and a temperature setpoint.
  • this enclosure temperature regulation system is shared between the primary thermal regulation device and the secondary thermal regulation circuit 9.
  • the secondary thermal regulation circuit is configured with two opposite ends, on one side, the heat exchange end 4 for external face 14 already presented and, on the other side, a cold inlet connected to a water group ice forming the cold source 8.
  • the cold source may or may not be temperature adjustable.
  • This cold source 8 makes it possible to bring the heat transfer fluid to a low temperature, possibly and preferably negative in degrees Celsius.
  • the heat transfer fluid thus brought to low temperature is in fluidic relationship with an upstream side of the three-way valve 13.
  • This three-way valve has an upstream side 16 towards the cold source 8, has a downstream side 17 towards the pump 15, the source 12 then the heat exchange end 4 and comprises a recirculation side 15 connected to the return circuit 18 channeling the heat transfer fluid having passed through the heat exchange end 4.
  • the upstream side 16 and the recirculation side 15 are coolant inlets, the ratio of the respective flow rates of which can be adjusted.
  • the downstream side 17 is a heat transfer fluid outlet.
  • the three-way valve 13 makes it possible to control, by introducing more or less cold, the temperature of the heat transfer fluid which is sent to the heat exchange end 4 thanks to the pump 15 arranged on the downstream side of the three-way valve then through the heater heat exchanger or hot source 12, before reaching the heat exchange end 4.
  • the hot source 12 makes it possible to heat the heat transfer fluid passing through it.
  • the hot source 12 may or may not be adjustable in temperature.
  • the three-way valve makes it possible to control the rate of recirculation of the fluid having passed through the heat exchange end 4 with respect to the fluid coming from the chilled water unit via the cold inlet or cold source 8.
  • the temperature of the fluid on the downstream side 17 of the three-way valve can be made colder with respect to the recirculating heat transfer fluid (that emerging from the heat exchange end 4), by increasing the flow coming from the upstream side 16 of the three-way valve 13
  • the heat exchanger heater or hot source 12 makes it possible to heat the heat transfer fluid coming from the downstream side 17 of the three-way valve through the pump 15.
  • the three-way valve 13 therefore makes it possible to control the quantity of fluid at the outlet of the chilled water unit and it is therefore an actuator making it possible to control "the cooling power".
  • "The cooling power" provided by the three-way valve is linearized in terms of opening by the use of a "Look-up-table” in order to optimize the regulation.
  • the pump in other locations, for example by reversing the pump 15 and the heat exchanger heater 12 or by placing the pump 15 in the return circuit 18.
  • the temperature sensors 5a, 5b, 5c, 5d are placed:
  • upstream side 16 of the three-way valve to measure the temperature of the heat transfer fluid coming from the chilled water unit of the cold inlet 8.
  • the possibility of being able to regulate the temperature at the heat exchange end 4 of the secondary thermal regulation circuit 9 it is possible to optimize the overall efficiency of the system by shifting the temperature adjustment point of the secondary thermal regulation circuit according to the climatic chamber temperature set point.
  • the ability to change the temperature set point of the secondary thermal control circuit helps to avoid reversing the polarity of the current flowing in the thermoelectric assemblies as much as possible, thus extending their life by avoiding stress. mechanical due to the inversion of operation and the functional inversion from hot face to cold face and vice versa.
  • the regulation system implements both the secondary thermal regulation circuit 9 and the primary thermal regulation device with thermoelectric assembly(ies) to regulate according to measurements and a temperature setpoint, the temperature in the 'climatic chamber.
  • the two actuators (three-way valve and heater heat exchanger) of the secondary thermal regulation circuit and the associated sensors make it possible to create a regulation/control loop. hot and cold sharing control, the purpose of which is to regulate the temperature of the fluid in the heat exchange end 4.
  • the specific setpoint of this regulation loop is based on a criterion for optimizing the operating point of the regulation device primary thermal function of the temperature setpoint for the climatic chamber.
  • Another flow control loop allows the pump 15 to be controlled according to the flow rate. This regulation is necessary to avoid cavitation at high temperature of the fluid, the saturated vapor pressure being able to be very different between the two temperature extremes of the secondary thermal regulation circuit 9. Limiting the flow rate of heat transfer fluid in the pipes is also useful to reduce their wear and to reduce the energy consumption of the pump 15.
  • the pressure sensor 7 and the flowmeter 6 arranged on the return circuit 18 make it possible to monitor the state of the secondary thermal regulation circuit 9, in particular of the cold part on the cold inlet side, due to possible freezing of the fluid, leaks, and other issues.
  • the same heat transfer fluid is used at the cold inlet and at the heat exchange end for the external face of the thermoelectric assembly.
  • the fluids can be separated between these two ends by using a heat exchanger between the two.
  • other secondary thermal regulation circuit structures can be used by those skilled in the art to supply a heat transfer fluid to the heat exchange end 4 in a range of suitable controllable temperatures.
  • a second three-way valve can be provided connected to a hot source of heat transfer fluid.
  • the containment temperature control system therefore comprises several partially interdependent control loops.
  • the main regulation loop acts on the primary thermal regulation device and relates to the regulation of the internal temperature, denoted T of the climatic chamber, which is done by applying a regulated current and/or voltage to the assemblies.
  • thermoelectrics in practice Peltier components.
  • the main regulation loop can act globally on all the thermoelectric assemblies or also act individually by a local loop individual to each thermoelectric assembly.
  • the enclosure temperature setpoint T ic provided by the user is preferably filtered, generally by a low-pass filter also called setpoint filter, and the result of this filtering T icf is compared with T b and the difference T icf - supplies a first corrector C which can be of the proportional integral (PI) or proportional integral derivative (PID) type, or of another type, and which will calculate the current and/or voltage command sent to the thermoelectric assemblies.
  • PI proportional integral
  • PID proportional integral derivative
  • a hot and cold sharing regulation loop is implemented for the control of the secondary thermal regulation circuit.
  • a second corrector C 2 is used for the regulation of T e.
  • the setpoint T ec of this loop depends on the setpoint T ic and is calculated by means of a piecewise interpolation (“Look-up table”) in a tabulation.
  • the water flow rate of the internal circuit is controlled by means of a third flow regulation loop including in this example a PI or PID type corrector denoted C 3.
  • the setpoint of this loop is denoted D c.
  • the actuator of this loop being the voltage and/or the current of the pump of the secondary thermal regulation circuit.
  • “Puiss. res. external” corresponds to the power control of the electrical resistance (heat source). Note that it is possible to use a heat exchanger heater other than an electrical resistance and that in this case the control will be adapted according to result. Still for the second corrector C 2 , “Valve opening degree” corresponds to the opening/closing command and degree of opening of the three-way valve (cold source).
  • U pump corresponds to a voltage control in this example but more generally a current and/or voltage control can be provided.
  • the invention it is possible to obtain temperature variation speeds within the climatic chamber which are very high, of the order of 5° C./min, and cycles making it possible to pass from the temperature ambient or colder at 100°C and vice versa, in stages, with a regulation accuracy of less than 0.5°C.
  • the heat exchange end further comprises/in addition, a device for direct heat exchange with the interior of the enclosure and which is connected to the rest of the circuit fluidic circuit of the secondary thermal regulation circuit 9 by means of a controlled valve in order to obtain an accelerated temperature setting of the enclosure, the controlled valve then cutting off the fluidic circuit and leaving the thermoelectric assembly(ies) to act in concert with the secondary thermal regulation circuit 9 as described above.

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Abstract

Enceinte climatique (3) à régulation thermique destinée à tester au moins un équipement, dans laquelle au moins un ensemble thermoélectrique est disposé à travers la paroi de l'enceinte climatique (3), chaque ensemble thermoélectrique comportant deux faces, une face interne disposée à l'intérieur de l'enceinte climatique et une face externe disposée à l'extérieur de l'enceinte climatique (3), dans laquelle une extrémité d'échange thermique (4) pour face externe d'ensemble thermoélectrique d'un circuit de régulation thermique secondaire (9) est disposée en contact thermique avec chaque face externe d'ensemble thermoélectrique, le circuit de régulation thermique secondaire (9) étant externe à l'enceinte climatique et comportant un circuit de fluide caloporteur, une source froide (8), une source chaude (12), un dispositif mélangeur (13), une pompe de circulation (15) et des capteurs (5a, 5b, 5c, 5d, 6, 7), et dans lequel un système de régulation de la température de l'enceinte est configuré pour commander le courant électrique dudit au moins un ensemble thermoélectrique et commander au moins le dispositif mélangeur (13) et la pompe de circulation (15) du circuit de régulation thermique secondaire (9) en fonction d'une consigne de température d'enceinte et de mesures de capteurs (5a, 5b, 5c, 5d, 6, 7).

Description

TITRE : Enceinte climatique à régulation thermique pour simulateur de mouve ments et procédé de régulation thermique, kit d’installation
Domaine technique
La présente invention concerne de manière générale le domaine de la métrologie. Elle concerne une enceinte climatique à régulation thermique qui peut être embarquée dans un simulateur de mouvements ainsi qu’un procédé de régulation thermique. Elle peut aussi concerner un kit d’installation d’une enceinte climatique à régulation thermique pour un simulateur de mouvement. Elle a des applications pour la caractérisation thermique des équipements testés dynamiquement dans un simulateur de mouvements.
Arrière-plan technologique
Les simulateurs de mouvements sont des machines tournantes destinées à tester des équipements pouvant être des capteurs à type de composants inertiels isolés ou des systèmes inertiels complets, typiquement des gyromètres, accéléromètres, centrales inertielles... La majorité de ces tests requière une caractérisation en température afin d’évaluer et pouvoir compenser la dérive thermique des équipements, aussi bien en statique, c-à-d en palier de température, qu’en dynamique, c-à-d en rampe de température. Dans les deux cas, le suivi de consigne de température ainsi que la stabilité en température sont des indicateurs de performance importants. Il est en outre préférable que les tests puissent être effectués sur une très large gamme de températures, par exemple comprise entre -55°C et +125°C.
A cette fin, il est classiquement mis en œuvre des enceintes climatique dans lesquelles les équipements sont installés, l’enceinte climatique étant installée dans un simulateur de mouvements typiquement multi axes.
Les systèmes connus de réfrigération employés dans les simulateurs de mouvements sont classiquement de type mécanique, basés sur le cycle de Rankine inversé ou bien de type circuit ouvert par expansion de CO2 ou N2 en phase liquide. Ces systèmes permettent d’obtenir une très large gamme de températures.
Dans le cas des systèmes à circuit ouvert, le gaz est perdu après expansion dans l’enceinte climatique et il est nécessaire de prévoir des moyens de contrôle du taux d’oxygène dans l’air ambiant dans le cas du N2 ou du taux de gaz employé dans le cas du CO2 .
Les systèmes mécaniques quant à eux fonctionnent en circuit fermé, sans besoin de contrôler le taux d’oxygène dans l’air, et ils utilisent un évaporateur dans l’enceinte climatique alourdissant donc celle-ci et pénalisant la dynamique ainsi que la bande passante des simulateurs de mouvement.
Les systèmes précédents utilisent des électrovannes, généralement de type tout ou rien, pour contrôler le débit du liquide vers l’évaporateur et donc la puissance de froid dans l’enceinte climatique. Le pilotage de l’électrovanne peut compromettre les performances de stabilité de position et de vitesse par au moins deux phénomènes pouvant être assimilés à des chocs sur la structure mécanique du simulateur :
- les mouvements de l’induit de l’électrovanne, et
- les coups de bélier dans le circuit hydraulique de la phase liquide.
De plus, le fonctionnement n’est pas continu, car il consiste en une suite de cycles successifs d’injection/évaporation de fluide frigorigène dans l’évaporateur dans le cas de la réfrigération mécanique, ou même de N2 ou CO2 liquide directement dans le volume de l’enceinte climatique dans le cas d’un circuit ouvert. Ces cycles engendrent en outre une variation de la puissance de froid pendant les tests. On parle de pilotage par modulation de largeur d’impulsion ou MLI, avec la largeur d’impulsion qui est le temps relatif d’ouverture de l’électrovanne, appelée rapport cyclique. Une périodicité de fonctionnement de plusieurs secondes n’est pas négligeable devant l’inertie thermique des différents constituants de l’enceinte climatique, et il en résulte des oscillations inévitables de la température. De plus, cette périodicité pénalise également la bande passante dans la mesure où elle induit un retard pur dans la commande du système.
Il a donc été proposé l’utilisation de systèmes statiques de réfrigération par modules thermoélectriques afin d’éviter les problèmes cités ci-dessus. En effet, les modules thermoélectriques, aussi dits modules Peltier, présentent de nombreux avantages :
- Une régulation précise grâce à leur grande linéarité et un fonctionnement en continu: la puissance est constamment proportionnelle au courant autour d’un point de fonctionnement.
- Faible constante de temps comparé aux systèmes mécaniques, ce qui permet d’augmenter considérablement la bande passante du système et sa réjection de perturbations et ainsi la stabilité de température. La constante de temps est alors négligeable par rapport aux inerties thermiques des différents constituants de l’enceinte climatique.
- Système entièrement statique : sans perturbations mécaniques, contrairement aux systèmes avec fluides et électrovannes embarquées.
- Utilisation des modules thermoélectriques en production de chaud ou de froid grâce à leur réversibilité. II a déjà été mis en oeuvre un module thermoélectrique de refroidissement dans un simulateur de mouvements mais cela a été fait en installant le module thermoélectrique directement sur l’équipement à tester pour sa caractérisation en température. Le refroidissement est donc effectué par conduction directe sur l’équipement sous test comme cela est d’usage standard en électronique pour les modules thermoélectriques. Il n’y a donc pas eu de régulation thermique par une enceinte climatique.
Or les équipements à tester sont généralement des dispositifs complexes pouvant comporter en surface des matériaux ayant des conductivités thermiques très différentes ou faibles et/ou présenter des formes irrégulières limitant ou empêchant la fixation directe d’un ou plusieurs modules thermoélectriques sur l’équipement.
Il est donc préférable d’utiliser une enceinte climatique dans laquelle l’équipement à tester peut-être installé, la régulation de la température étant assurée à l’intérieur de l’enceinte climatique. Les modules thermoélectriques présentent cependant certaines limitations. En particulier, à la température ambiante, les modules thermoélectriques monoétage ne produisent pas plus de 70-80°C d’écart de température, DT, entre leurs faces froide et chaude avec des puissances de plusieurs centaines de watts dans des conditions idéales. Les versions multi-étages (2, 3 voire 4 ou 5 modules empilés, c-à-d. en série thermiquement) acceptent un plus grand écart de température, DT, (jusqu’à 130°C) mais au prix de puissances très faibles, de l’ordre d’une vingtaine de watts à DT =0, ce qui les destine à des applications bien particulières comme le refroidissement de capteurs CCD/CMOS afin d’en diminuer le bruit thermique. En fait, la puissance et le DT des modules thermoélectriques dépendent de la température de la face chaude. Dans les solutions classiques, il est souvent utilisé un dissipateur à convection forcée sur la face chaude, mais celui-ci ne peut pas descendre en dessous de la température ambiante, ce qui limite l’amplitude des températures basses atteignables côté face froide.
Dans ce domaine, des solutions ont été proposées dans les documents suivants: US 3252504 A, DE 102010026601 A1 et WO 2008/010675 A1.
Exposé de l’invention
Il est proposé, dans le cadre de l’invention qui concerne une enceinte climatique à ensembles(s) thermoélectrique(s) pour notamment un simulateur de mouvement, la mise en oeuvre d’un circuit de régulation thermique secondaire qui est appliqué à la/aux faces externes à l’enceinte du/des ensembles thermoélectriques, et qui comporte un moyen de refroidissement ou de réchauffement d’un fluide caloporteur dudit circuit de régulation thermique secondaire et pour échange d’énergie calorique (ou encore « calories » dans la suite du texte) avec ladite/lesdites faces externes du/des ensembles thermoélectriques. Dans ce système, la/les ensembles thermoélectriques de l’enceinte climatique forment un dispositif de régulation thermique primaire. En outre, l’intérieur de l’enceinte climatique, intérieur qui est soumis à la/les faces internes du/des ensembles thermoélectriques, est de préférence à convection forcée.
Il est ainsi possible d’obtenir une très large gamme de températures tout en mettant en oeuvre un dispositif de régulation thermique qui est statique sur l’enceinte climatique. Le circuit de régulation thermique secondaire met en oeuvre un ou des ensembles de régulation thermoélectriques comportant chacun un ou plusieurs modules thermoélectriques.
Plus précisément, on propose selon l’invention, une enceinte climatique à régulation thermique destinée à tester au moins un équipement, l’enceinte climatique comportant une paroi définissant un espace interne contenant un gaz et pouvant recevoir et contenir ledit au moins un équipement à tester, l’espace interne étant thermiquement isolé de l’environnement extérieur à l’enceinte climatique, dans laquelle au moins un ensemble thermoélectrique est disposé à travers la paroi de l’enceinte climatique, chaque ensemble thermoélectrique comportant deux faces, une face interne disposée à l’intérieur de l’enceinte climatique et une face externe à l’extérieur de l’enceinte climatique, et dans laquelle une des deux faces dite face froide est destinée à absorber de l’énergie calorique et l’autre dite face chaude est destinée à rejeter de l’énergie calorique en fonction du courant électrique traversant ledit au moins un ensemble thermoélectrique, dans laquelle une extrémité d’échange thermique pour face externe d’ensemble thermoélectrique d’un circuit de régulation thermique secondaire est disposée en contact thermique avec chaque face externe d’ensemble thermoélectrique afin d’échanger de l’énergie calorique entre ledit au moins un ensemble thermoélectrique et ledit circuit de régulation thermique secondaire, le circuit de régulation thermique secondaire étant externe à l’enceinte climatique et comportant un circuit de fluide caloporteur, une source froide, une source chaude, un dispositif mélangeur, une pompe de circulation et des capteurs, et dans lequel un système de régulation de la température de l’enceinte est configuré pour commander le courant électrique dudit au moins un ensemble thermoélectrique et commander au moins le dispositif mélangeur et la pompe de circulation du circuit de régulation thermique secondaire en fonction d’une consigne de température d’enceinte et de mesures de capteurs. On comprend que le principe de mise en œuvre d’au moins un ensemble thermoélectrique disposé à travers, c’est-à-dire traversant, la paroi de l’enceinte climatique doit être compris dans un sens fonctionnel qui est de permettre des échanges thermiques entre l’intérieur et l’extérieur de l’enceinte climatique. Par exemple, la paroi interne de l’enceinte climatique peut être métallique et le/les ensembles thermoélectriques sont disposés contre la face externe de la paroi interne métallique en traversant une couche d’isolant thermique disposée aussi sur la face externe de cette paroi interne métallique.
D’autres caractéristiques non limitatives et avantageuses de l’enceinte climatique conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes :
- un ensemble thermoélectrique comporte un ou plusieurs modules thermoélectriques encore dit Peltier,
- le circuit de régulation thermique secondaire comporte donc une extrémité d’échange thermique pour face externe d’ensemble thermoélectrique,
- un dispositif de brassage de gaz est disposé à l’intérieur de l’enceinte climatique afin de permettre un brassage du gaz interne à l’enceinte et sur la/les faces internes dudit au moins un ensemble thermoélectrique,
- chaque face interne d’ensemble thermoélectrique comporte un radiateur à ailettes,
- le fluide caloporteur reste en phase liquide dans le circuit de régulation thermique secondaire,
- le fluide caloporteur présente deux phases, une gazeuse et une liquide, dans le circuit de régulation thermique secondaire,
- de préférence, la face externe est une face chaude et la face interne est une face froide, de l’énergie calorique étant extraite de l’intérieur de l’enceinte climatique,
- la face externe est une face froide et la face interne est une face chaude, de l’énergie calorique étant envoyée à l’intérieur de l’enceinte climatique,
- le dispositif de brassage de gaz comporte un ou plusieurs ventilateurs,
- le système de régulation de la température de l’enceinte commande en outre le dispositif de brassage de gaz afin de régler l’intensité du brassage de gaz dans l’enceinte,
- l’espace interne est thermiquement isolé de l’environnement extérieur à l’enceinte, y compris du simulateur de mouvement, l’enceinte étant fixée au simulateur de mouvements par des fixations isolantes thermiquement afin de ne pas créer de pont thermique entre le simulateur de mouvements et l’intérieur de l’enceinte climatique,
- l’enceinte climatique est fixée sur un support mobile d’un simulateur de mouvements et le support mobile peut être entraîné en mouvement par l’intermédiaire d’articulations dudit simulateur de mouvements,
- dans le cas où l’enceinte climatique est fixée sur le support mobile du simulateur de mouvements alors, dans le circuit de régulation thermique secondaire, l’extrémité d’échange thermique pour face externe d’ensemble thermoélectrique est disposée contre le ensemble thermoélectrique et est donc mobile en suivant le ensemble thermoélectrique, le reste du circuit de régulation thermique secondaire étant disposé en dehors de parties mobiles du simulateur de mouvements et étant relié à l’extrémité d’échange thermique par des joints fluidiques mobiles passant par les articulations du simulateur de mouvements,
- l’enceinte climatique est fixe et est immobile, un simulateur de mouvements étant installé dans l’enceinte climatique et l’équipement est installé sur un support mobile du simulateur de mouvements et l’équipement peut être entraîné en mouvement par ledit simulateur de mouvements,
- la température de la source chaude est réglable et le système de régulation de la température de l’enceinte règle en outre la température de la source chaude, - le système de régulation de la température de l’enceinte est configuré pour réguler la température de la face externe de l’ensemble thermoélectrique en fonction de la consigne de température d’enceinte et afin que la polarité du courant circulant dans ledit au moins un ensemble thermoélectrique soit constante, la face interne de l’ensemble thermoélectrique étant une face froide absorbant de l’énergie calorique provenant de l’intérieur de l’enceinte climatique,
- un des capteurs de température est un capteur de température de face externe d’ensemble thermoélectrique,
- chaque ensemble thermoélectrique comporte un capteur de température de face externe d’ensemble thermoélectrique, - chaque ensemble thermoélectrique est au contact d’une extrémité d’échange thermique pour face externe d’ensemble thermoélectrique du circuit de régulation thermique secondaire,
- l’extrémité d’échange thermique pour face externe d’ensemble thermoélectrique du circuit de régulation thermique secondaire comporte une sortie fluidique côté aval et un capteur de température est disposé sur la sortie fluidique de l’extrémité d’échange thermique du circuit de régulation thermique secondaire,
- l’extrémité d’échange thermique pour face externe d’ensemble thermoélectrique du circuit de régulation thermique secondaire comporte une sortie fluidique côté aval et le capteur de température de face externe d’ensemble thermoélectrique est disposé sur la sortie fluidique de l’extrémité d’échange thermique du circuit de régulation thermique secondaire,
- le capteur de température de face externe est disposé contre la face externe dudit au moins un ensemble thermoélectrique,
- le système de régulation de la température de l’enceinte est configuré pour assurer un débit continu du fluide caloporteur dans l’extrémité d’échange thermique du circuit de régulation thermique secondaire,
- le débit continu du fluide caloporteur dans l’extrémité d’échange thermique est un débit constant,
- le débit continu du fluide caloporteur dans l’extrémité d’échange thermique est un débit variable sans à-coups, les changements de débit étant progressifs,
- le système de régulation de la température de l’enceinte est configuré pour asservir le débit du fluide caloporteur tout en évitant une cavitation à haute température du fluide caloporteur qui serait due à une vitesse trop élevée du fluide caloporteur, - le système de régulation de la température de l’enceinte est configuré pour linéariser le rapport ouverture/débit de la vanne trois voies au moyen d’une interpolation par morceau dans une tabulation (« Look-up table »),
- l’enceinte climatique comporte au moins un ensemble thermoélectrique à travers l’enceinte climatique - un ensemble thermoélectrique comporte un module thermoélectrique,
- un ensemble thermoélectrique comporte plusieurs modules thermoélectriques,
- dans un ensemble thermoélectrique comportant plusieurs modules thermoélectriques, les modules thermoélectriques sont reliées électriquement en série ou en en parallèle ou selon un arrangement série-parallèle, - l’enceinte comporte au moins deux ensembles thermoélectriques à travers l’enceinte climatique et les ensembles thermoélectriques sont reliés électriquement en parallèle,
- un ensemble thermoélectrique comporte vingt modules thermoélectriques reliés en série électriquement,
- l’enceinte comporte deux ensembles en parallèle de cinq modules en série chacun,
- le système de régulation de la température de l’enceinte comporte au moins deux boucles de régulation, lesdites au moins deux boucles de régulation étant une boucle de régulation principale commandant le courant électrique dudit au moins un ensemble thermoélectrique et au moins une boucle de régulation secondaire commandant le circuit de régulation thermique secondaire,
- la boucle de régulation secondaire commandant le circuit de régulation thermique secondaire comporte une boucle de régulation de partage chaud et froid et une boucle de régulation de débit,
- le simulateur de mouvements comporte des joints fluidiques mobiles et des liaisons électriques mobiles,
- dans le cas d’articulations en rotation autour d’un axe, les joints fluidiques mobiles et les liaisons électriques mobiles sont tournantes,
- dans le cas d’articulations en translation, les joints fluidiques mobiles sont des conduites flexibles et les liaisons électriques mobiles sont des câbles électriques souples.
L’invention concerne également un procédé de régulation thermique d’une enceinte climatique destinée à tester au moins un équipement, dans lequel on met en œuvre une enceinte climatique à ensemble(s) thermoélectrique(s) selon l’invention, laquelle l’enceinte climatique étant fixée sur un support mobile d’un simulateur de mouvements et le support mobile pouvant être entraîné en mouvement par l’intermédiaire d’articulations dudit simulateur de mouvements, et dans lequel on met en œuvre en outre un circuit de régulation thermique secondaire comportant une extrémité d’échange thermique pour face externe d’ensemble thermoélectrique, on dispose l’extrémité d’échange thermique contre la/les faces externes du/des ensembles thermoélectriques, le reste du circuit de régulation thermique secondaire étant disposé en dehors de parties mobiles du simulateur de mouvements et étant relié à l’extrémité d’échange thermique par des joints fluidiques mobiles passant par les articulations du simulateur de mouvements.
Le procédé peut être décliné selon toutes les modalités procédurales décrites ou découlant des fonctions des moyens matériels mis en œuvre.
En particulier, on peut aussi mettre en œuvre un système de régulation de la température de l’enceinte qui commande le courant électrique dudit au moins un ensemble thermoélectrique et qui commande au moins le dispositif mélangeur et la pompe de circulation du circuit de régulation thermique secondaire en fonction d’une consigne de température d’enceinte et de mesures de capteurs.
L’invention concerne enfin un kit d’installation d’une enceinte climatique dans un simulateur de mouvements.
Plus précisément, il s’agit d’un kit d’installation d’une enceinte climatique à régulation thermique dans un simulateur de mouvements, l’enceinte climatique étant destinée à tester au moins un équipement, le simulateur de mouvements comportant un support mobile entraîné en mouvement par l’intermédiaire d’articulations dudit simulateur de mouvements, lequel kit comportant : - une enceinte climatique comportant une paroi définissant un espace interne pouvant recevoir et contenir ledit au moins un équipement à tester, l’espace interne pouvant comporter un gaz et étant thermiquement isolé de l’environnement extérieur à l’enceinte climatique, l’enceinte climatique comportant des moyens de fixation au support mobile, l’enceinte comportant en outre au moins un ensemble thermoélectrique, ledit au moins un ensemble thermoélectrique étant disposé à travers la paroi de l’enceinte climatique, chaque ensemble thermoélectrique comportant deux faces, une face interne disposée à l’intérieur de l’enceinte climatique et une face externe à l’extérieur de l’enceinte climatique, et dans laquelle une des deux faces dite face froide est destinée à absorber de l’énergie calorique et l’autre dite face chaude est destinée à rejeter de l’énergie calorique en fonction d’un courant électrique traversant ledit au moins un ensemble thermoélectrique,
- un circuit de régulation thermique secondaire comportant un circuit de fluide caloporteur, des moyens de raccordement à une source froide, une source chaude, un dispositif mélangeur, une pompe de circulation et des capteurs, le circuit de fluide caloporteur comportant une extrémité d’échange thermique pour face externe d’ensemble thermoélectrique destinée à venir en contact thermique une face externe d’ensemble thermoélectrique afin d’échanger de l’énergie calorique entre ledit au moins un ensemble thermoélectrique et ledit circuit de régulation thermique secondaire,
- des joints fluidiques mobiles destinés à être installés dans des articulations du simulateur de mouvements pour permettre la circulation du fluide caloporteur du circuit de régulation thermique secondaire entre l’extrémité d’échange thermique qui est destinée à être installée dans le simulateur de mouvements contre la face externe de l’ensemble thermoélectrique et le reste du circuit de régulation thermique secondaire qui est destiné à être installé en dehors de parties mobiles du simulateur de mouvements,
- des liaisons électriques mobiles destinés à être installées dans des articulations du simulateur de mouvements pour permettre une circulation de courant électrique,
- un système de régulation de la température de l’enceinte destiné à commander le courant électrique dudit au moins un ensemble thermoélectrique et commander au moins le dispositif mélangeur et la pompe de circulation du circuit de régulation thermique secondaire en fonction d’une consigne de température d’enceinte et de mesures de capteurs.
Le kit peut comporter en outre une source froide.
L’enceinte du kit peut en outre comporter un dispositif de brassage de gaz, ledit dispositif de brassage de gaz étant disposé à l’intérieur de l’enceinte climatique afin de permettre un brassage du gaz interne à l’enceinte et sur la/les faces internes dudit au moins un ensemble thermoélectrique.
Brève description des dessins
[Fig. 1] schématise le dispositif de régulation thermique primaire à ensemble thermoélectrique de l’enceinte climatique, cette dernière étant embarquée dans un simulateur de mouvements non représenté, une extrémité d’échange thermique d’un circuit de régulation thermique secondaire étant aussi représentée,
[Fig. 2] schématise le circuit de régulation thermique secondaire à fluide caloporteur, externe à l’enceinte climatique, qui est destiné à échanger de l’énergie calorique avec la face chaude de l’ensemble thermoélectrique, et [Fig. 3] schématise un exemple de mise en œuvre à trois boucles de régulation. Description détaillée d’un exemple de réalisation
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consistent le système et le procédé de l’invention et comment ils peuvent être réalisés.
Dans son principe, le système de l’invention comporte une régulation thermique du volume interne de l’enceinte climatique par mise en série/cascade de deux moyens de régulation thermique : un premier, dit dispositif de régulation thermique primaire et un second, dit circuit de régulation thermique secondaire.
Grâce au circuit de régulation thermique secondaire, il est possible de chauffer ou refroidir le dispositif de régulation thermique primaire, ce qui permet d’augmenter la plage de température atteignable dans l’enceinte climatique ainsi que la puissance thermique disponible.
Le dispositif de régulation thermique primaire, qui est statique dans son fonctionnement propre, met en œuvre au moins un ensemble thermoélectrique pour pouvoir contrôler la température à l’intérieur de l’enceinte climatique. A cette fin, au moins un capteur de température est disposé dans l’enceinte climatique. La face interne de chaque ensemble est disposée à l’intérieur de l’enceinte climatique et la face externe de chaque ensemble est disposée à l’extérieur de l’enceinte climatique. De préférence, la face interne est la face froide et le sens du courant traversant l’ensemble thermoélectrique est donc imposé par le fait que la face froide, celle qui « aspire » les calories, est du côté interne de/dans l’enceinte climatique. Dans certaines variantes de fonctionnement, la face interne peut devenir une face chaude ou une face froide par inversion de la polarité du courant traversant le/les ensembles thermoélectriques.
Dans la description qui suit, on décrit prioritairement une enceinte climatique mobile car installée dans un simulateur de mouvements et avec un dispositif de régulation thermique primaire dont la face interne du/des ensembles thermoélectriques est une face froide.
L’enceinte climatique est solidaire du simulateur de mouvements et elle est donc mobile selon les mouvements des articulations du simulateur, typiquement selon des axes de rotation et/ou de translation, et en fonction de la manière dont elles sont commandées. Le simulateur de mouvements est typiquement multiaxes. L’enceinte climatique est remplie d’un gaz. Ce gaz peut être de l’air, air ambient, ou un ou plusieurs gaz spécifiques autres que l’air. L’enceinte climatique qui peut être ouverte, notamment pour la mise en place de l’équipement, et refermée, isole thermiquement l’intérieur de l’enceinte par rapport à l’environnement extérieur. L’intérieur de l’enceinte climatique peut être étanche à l’air et aux gaz et peut pouvoir supporter une dépression ou une surpression par rapport à l’extérieur notamment pour des tests supplémentaires de (dé)pression sur l’équipement. Une enceinte climatique étanche peut aussi permettre l’introduction de gaz spécifique(s), par exemple azote ou argon, pour des tests supplémentaires d’étanchéité de l’équipement en lui-même, notamment à la recherche de fuites ou de risques de contamination dans l’équipement.
Dans d’autres modalités de mise en œuvre, l’enceinte climatique n’est pas prévue pour être étanche à la surpression et à la dépression, les échanges gazeux entre l’intérieur et l’extérieur à l’équilibre des pressions entre l’intérieur et l’extérieur étant toutefois réduits et dans un tel cas, le gaz interne est typiquement de l’air et il est à la pression atmosphérique de l’environnement.
La face froide de chaque ensemble thermoélectrique 10, qui est sur la figure 1 la face interne 11 , comporte une surface d’échange de chaleur qui est de préférence étendue par la présence d’un radiateur 1. Les échanges de chaleur à l’intérieur de l’enceinte climatique 3 sont de préférence favorisés par un dispositif de brassage du gaz 2 interne à l’enceinte climatique 3, typiquement au moins un ventilateur soufflant ou aspirant sur la surface d’échange. Une convexion forcée est donc mise en œuvre dans l’enceinte climatique 3. Le radiateur 1 est un dissipateur thermique du type utilisé pour le refroidissement des composants de puissance en électronique, par exemple un radiateur à ailettes.
La face chaude de l’ensemble thermoélectrique 10, celle qui « rejette » les calories « aspirées » par la face froide, est disposée à l’extérieur de l’enceinte climatique et correspond à la face externe 14 de l’ensemble thermoélectrique 10. Chaque ensemble thermoélectrique est donc disposé traversants de la paroi de l’enceinte climatique et en évitant de créer un pont thermique entre l’intérieur et l’extérieur de l’enceinte climatique.
L’alimentation électrique du/des ensembles thermoélectriques passe par les articulations du simulateur de mouvements et met en œuvre des liaisons électriques à contacts ou collecteurs, par exemple tournants ou glissants, ou une transmission d’énergie électrique sans contact par induction ou tout autre moyen adéquat.
Il est avantageux de mettre en œuvre plusieurs ensembles thermoélectriques et de câbler les ensembles thermoélectriques en série pour augmenter la tension d’alimentation et ainsi réduire le courant électrique circulant, limitant ainsi l’usure des collecteurs tournants électriques disposés dans les articulations du simulateur de mouvements et le bruit CEM pouvant être généré. On peut aussi par un câblage adapté entre les ensembles thermoélectriques et en utilisant des moyens de pilotage individuels adressables individuellement, un pour chaque ensemble thermoélectrique, réduire le nombre total de liaisons électriques nécessaires, par exemple deux pour un bus d’alimentation de puissance et une pour une liaison de données. Les données peuvent comporter des instructions adressées envoyées aux moyens de pilotage individuels et des mesures de capteurs avec identifiants, les capteurs étant disposés dans le simulateur de mouvement et en particulier dans l’enceinte climatique.
Dans la modalité préférée de mise en œuvre qui est à plusieurs ensembles thermoélectrique, il est mis en œuvre un contrôle individuel et indépendant de la puissance de chaque ensemble thermoélectrique, basé sur la température de chaque face froide individuellement dans l’enceinte climatique. Dans un tel cas, chaque ensemble thermoélectrique comporte son propre capteur de température de face froide et sa propre régulation de courant.
Dans d’autres modalités de mise en œuvre, le contrôle de la puissance des ensembles thermoélectrique se fait globalement pour tous les ensembles thermoélectrique, un seul capteur de température de face interne ou plusieurs capteurs de température avec moyennage des mesures de faces internes étant mis en œuvre et le courant pour tous les ensembles thermoélectrique qui sont donc régulés globalement.
Si un ensemble thermoélectrique est constitué de plusieurs éléments thermoélectriques, il n’y a pas de régulation individuelle de chaque élément (pas de capteur + régulation de courant d’élément), la régulation se faisant sur l'ensemble thermoélectrique dans sa globalité, et de préférence individuellement (une régulation par ensemble) dans le cas de la mise en œuvre de plusieurs ensembles thermoélectrique dans le système. Concernant les faces externes des ensembles thermoélectriques dans un système à plusieurs ensembles thermoélectriques, elles sont en parallèle sur le circuit de régulation thermique secondaire.
Des matériaux d’isolation thermique peuvent être mis en oeuvre pour constituer l’enceinte climatique 3. L’enceinte climatique 3 peut être monocomposant dans une matière à faible conductivité thermique ou être multicouche avec par exemple une couche d’isolant thermique externe et une paroi métallique interne, possiblement reliée à la face froide, pouvant aussi favoriser la répartition de la chaleur dans l’enceinte.
Le but du dispositif de régulation thermique primaire est multiple :
- Réguler finement et rapidement la température dans l’enceinte climatique, grâce à la faible inertie thermique dudit dispositif et au fonctionnement linéaire et continu du/des ensembles thermoélectriques.
- Elargir la plage de température offerte par le seul circuit de régulation thermique secondaire, en travaillant avec en plus le DT du/des ensembles thermoélectriques.
- Améliorer les échanges thermiques sur la face froide et la répartition calorique interne grâce à la convection forcée par brassage du gaz présent dans le volume interne de l’enceinte climatique.
Le circuit de régulation thermique secondaire 9 exemplifié à la figure 2, utilise un fluide caloporteur, et ce circuit est destiné à introduire ou extraire de l’énergie calorique de la face externe 14 du/des ensembles thermoélectriques 10. Ce circuit de régulation thermique secondaire 9 comporte une extrémité d’échange thermique 4 pour face externe 14 d’ensemble thermoélectrique 10. Le fluide amené par le circuit de régulation thermique secondaire contre la face externe 14 de chaque ensemble thermoélectrique peut être à une température faible, par exemple -10°C voire moins, -20°C, ou élevée, par exemple 80°C, voire plus, 120°C, ou toute autre température entre les deux. On comprend donc que le fluide caloporteur qui est un liquide, est prévu pour, de préférence, rester en phase liquide sur toute la gamme de température envisagée. On peut par exemple utiliser de l’eau glycolée, c’est-à-dire de l’eau avec du glycol et/ou prévoir un fluide sous pression.
D’autres fluides peuvent être utilisés : Ethylène glycol, méthylène glycol, Coolanol®... Les fluides mis en oeuvre présentent l’avantage de pouvoir être chauffés et refroidis au moins par rapport à la température ambiante. On peut de cette manière augmenter l’amplitude thermique de fonctionnement des ensembles thermoélectriques tout en conservant une puissance thermique/calorique correcte. On peut en outre utiliser des ensembles thermoélectriques à plusieurs éléments thermoélectriques montés thermiquement en série/en cascade ce qui permet aussi d’obtenir une plus grande amplitude thermique mais au détriment de la puissance thermique.
On comprend que dans le cas où il y a plusieurs ensembles thermoélectriques, l’extrémité d’échange thermique 4 pour face externe 14 d’ensemble thermoélectrique 10 est divisée en plusieurs entités, chaque entité étant disposée sur une face externe 14 d’ensemble thermoélectrique 10 et dans ce cas, ces différentes entités sont en parallèle afin que les différents ensembles thermoélectriques reçoivent du fluide caloporteur à la même température.
Etant donné donc que l’extrémité d’échange thermique 4 pour face externe 14 est contre le/les ensembles thermoélectriques 10 de l’enceinte climatique 3, elle doit suivre les mouvements de cette enceinte climatique.
De préférence, dans le circuit de régulation thermique secondaire 9, seule l’extrémité d’échange thermique 4 est placée sur une partie mobile car contre le/les ensembles thermoélectriques de l’enceinte disposée dans le simulateur de mouvement, le reste du circuit de régulation thermique secondaire 9 étant de préférence fixe, à l’extérieur du simulateur de mouvement. On comprend que des circuits ou connexions fluidiques à joints fluidiques mobiles relient les deux en traversant et/ou passant par les articulations du simulateur de mouvements.
Dans une variante de réalisation, d’autres composants du circuit de régulation thermique secondaire 9 sont embarqués dans le simulateur de mouvements,
Le circuit de régulation thermique secondaire 9 comporte les éléments suivants, les termes amont et aval étant définis en référence au sens de circulation du fluide caloporteur imposé par la pompe 15 du circuit :
- une extrémité d’échange thermique 4 pour face externe 14 d’ensemble thermoélectrique 10, possiblement en plusieurs entités en parallèle dans le cas où il y a plusieurs ensembles thermoélectriques.
- Un moyen actif d’assurer la circulation d’un fluide caloporteur, dans l’exemple représenté c’est une pompe 15 de circulation asservie sur la vitesse du fluide caloporteur. Dans une variante moins performant la circulation du fluide est passive par utilisation de la différence de densité entre le fluide froid et le fluide chaud. Dans une autre variante on utilise un changement de phase du fluide pour la circulation du fluide.
- Une entrée froide de fluide réfrigéré formant une source froide 8, par exemple provenant d’un groupe d’eau glacée.
- Un échangeur thermique réchauffeur ou source chaude 12 pour possiblement réchauffer le fluide caloporteur qu’il reçoit, par exemple un réchauffeur à circulation ou, de préférence, à contre-circulation. Tout autre moyen de chauffage du fluide caloporteur est utilisable, par exemple par effet joule avec une résistance électrique, par rayonnement électromagnétique notamment avec un fluide caloporteur adapté.
- Un dispositif mélangeur 13 commandé permettant de régler la température du fluide caloporteur circulant, par exemple une vanne trois voies.
- Des capteurs pour effectuer des mesures et des températures du fluide 5a, 5b, 5c, 5d, du débit 6 du fluide caloporteur, de la pression 7 du fluide caloporteur.
- Un système de régulation de la température de l’enceinte électronique et/ou numérique permettant de commander les différents effecteur, notamment pompe, échangeur thermique réchauffeur, mélangeur, courant du/des ensembles thermoélectriques en intensité et possiblement polarité, en fonction de mesures des capteurs et d’une consigne de température. En pratique, ce système de régulation de la température de l’enceinte est partagé entre le dispositif de régulation thermique primaire et le circuit de régulation thermique secondaire 9.
Le circuit de régulation thermique secondaire est configuré avec deux extrémités opposées, d’un côté, l’extrémité d’échange thermique 4 pour face externe 14 déjà présentée et, de l’autre côté, une entrée froide reliée à un groupe d’eau glacée formant la source froide 8. La source froide peut être ou non réglable en température. Cette source froide 8 permet de porter le fluide caloporteur à une température basse, possiblement et préférentiellement négative en degrés Celsius. Le fluide caloporteur ainsi amené à température basse est en relation fluidique avec un côté amont de la vanne trois voies 13. Cette vanne trois voies comporte un côté amont 16 vers la source froide 8, comporte un côté aval 17 vers la pompe 15, la source chaude 12 puis l’extrémité d’échange thermique 4 et comporte un côté de recirculation 15 relié au circuit de retour 18 canalisant le fluide caloporteur ayant traversé l’extrémité d’échange thermique 4. Le côté amont 16 et le côté de recirculation 15 sont des entrées de fluide caloporteur dont le rapport des débits respectifs peut être réglé. Le côté aval 17 est une sortie de fluide caloporteur.
La vanne trois voies 13 permet de contrôler, en introduisant plus ou moins de froid, la température du fluide caloporteur qui est envoyé vers l’extrémité d’échange thermique 4 grâce à la pompe 15 disposée côté aval de la vanne trois voies puis à travers l’échangeur thermique réchauffeur ou source chaude 12, avant d’atteindre l’extrémité d’échange thermique 4. La source chaude 12 permet de réchauffer le fluide caloporteur la traversant. La source chaude 12 peut être ou non réglable en température.
Ainsi, la vanne trois voies permet de commander le taux de recirculation du fluide ayant traversé l’extrémité d’échange thermique 4 par rapport au fluide provenant du groupe d’eau glacée par l’entrée froide ou source froide 8. Ainsi, la température du fluide coté aval 17 de la vanne trois voies peut être rendue plus froide par rapport au fluide caloporteur recirculant (celui ressortant de l’extrémité d’échange thermique 4), en augmentant le débit provenant du côté amont 16 de la vanne trois voies 13. L’échangeur thermique réchauffeur ou source chaude 12, quant à lui, permet de chauffer le fluide caloporteur provenant du côté aval 17 de la vanne trois voies à travers la pompe 15.
La vanne trois voies 13 permet donc de commander la quantité de fluide en sortie du groupe d’eau glacée et il s’agit donc d’un actionneur permettant de commander « la puissance de froid ». Dans le système de régulation de la température de l’enceinte, « La puissance de froid » apportée par la vanne trois voies est linéarisée en termes d’ouverture par l’utilisation d’une « Look-up-table » afin d’optimiser la régulation.
L’échangeur thermique réchauffeur permet quant à lui, de chauffer le fluide caloporteur. Il s’agit donc d’un actionneur permettant de commander « la puissance de chaud ».
Ainsi, en fonction du taux de recirculation au sein de la vanne trois voies 13 et du niveau de chauffage apporté par l’échangeur thermique réchauffeur 12, on peut régler la température du fluide caloporteur envoyé dans l’extrémité d’échange thermique 4 du circuit de régulation thermique secondaire 9. On peut donc régler entre une température basse, celle du groupe d’eau glacée de l’entrée froide 8 lorsque la recirculation à travers la vanne trois voie 13 est arrêtée (débit côté amont = débit côté aval dans la vanne trois voies) et en absence de chauffage par l’échangeur thermique réchauffeur 12 et une température haute correspondant à celle du chauffage maximum possible par l’échangeur thermique réchauffeur 12 lorsque la recirculation est totale dans la vanne trois voies (débit côté amont = 0). Les températures intermédiaires sont obtenues par des commandes adéquates du taux de recirculation dans la vanne trois voies 13 et du niveau de chauffage de l’échangeur thermique réchauffeur 12.
On comprend qu’il est possible de disposer la pompe en d’autres emplacements, par exemple en inversant la pompe 15 et l’échangeur thermique réchauffeur 12 ou en plaçant la pompe 15 dans le circuit de retour 18.
Les capteurs de température 5a, 5b, 5c, 5d sont placés :
- 5a, côté amont 16 de la vanne trois voies pour mesurer la température du fluide caloporteur venant du groupe d’eau glacée de l’entrée froide 8.
- 5d en aval, c-à-d. en sortie de l’extrémité d’échange thermique 4 pour face externe 14 d’ensemble thermoélectrique 10, sur le circuit de retour 18 du fluide caloporteur. - 5b côté aval de la vanne trois voies 13.
- 5c en aval, c-à-d. en sortie de l’échangeur thermique réchauffeur 12.
On comprend qu’il est possible de réduire le nombre de capteurs de température dans des modalités de réalisation simplifiées.
Grâce à la possibilité de pouvoir réguler la température à l’extrémité d’échange thermique 4 du circuit de régulation thermique secondaire 9, on peut optimiser le rendement global du système par décalage du point de réglage en température du circuit de régulation thermique secondaire en fonction de la consigne de température de l’enceinte climatique. En outre, la possibilité de modifier le point de réglage en température du circuit de régulation thermique secondaire permet d’éviter le plus possible l’inversion de la polarité du courant circulant dans les ensembles thermoélectriques, prolongeant ainsi leur durée de vie en évitant le stress mécanique dû à l’inversion du fonctionnement et à l’inversion fonctionnelle de face chaude en face froide et inversement.
Globalement, le système de régulation met en œuvre à la fois le circuit de régulation thermique secondaire 9 et le dispositif de régulation thermique primaire à ensemble(s) thermoélectrique(s) pour réguler selon des mesures et une consigne de température, la température dans l’enceinte climatique.
Dans l’exemple maintenant présenté du système de régulation de la température de l’enceinte, les deux actionneurs (vanne trois voies et échangeur thermique réchauffeur) du circuit de régulation thermique secondaire et les capteurs associés permettent de réaliser une boucle de régulation/d’asservissement de partage chaud et froid dont le but est de réguler la température du fluide dans l’extrémité d’échange thermique 4. La consigne propre de cette boucle de régulation est basée sur un critère d’optimisation du point de fonctionnement du dispositif de régulation thermique primaire fonction de la consigne de température pour l’enceinte climatique.
Une autre boucle pour régulation de débit permet l’asservissement de la pompe 15 en fonction du débit. Cette régulation est nécessaire pour éviter la cavitation à haute température du fluide, la pression de vapeur saturante pouvant être très différente entre les deux extrêmes de température du circuit de régulation thermique secondaire 9. La limitation du débit de fluide caloporteur dans les canalisations est aussi utile pour réduire l’usure de celles-ci et de réduire la consommation énergétique de la pompe 15.
Le capteur de pression 7 et le débitmètre 6 disposés sur le circuit de retour 18 permettent de surveiller l’état du circuit de régulation thermique secondaire 9, notamment de la partie froide côté entrée froide, à cause d’éventuelles prises en glace du fluide, de fuites, et d’autres problèmes.
On comprend qu’il est possible de disposer ces capteurs ou d’autres capteurs en d’autres emplacements.
Plus généralement, dans l’exemple représenté, c’est le même fluide caloporteur qui est utilisé à l’entrée froide et à l’extrémité d’échange thermique pour face externe d’ensemble thermoélectrique. Dans des variantes, on peut séparer les fluides entre ces deux extrémités en utilisant un échangeur thermique entre les deux. En outre, on comprend bien que d’autres structures de circuit de régulation thermique secondaire sont utilisables par l’homme du métier pour fournir un fluide caloporteur à l’extrémité d’échange thermique 4 dans une gamme de températures contrôlables adéquates. Par exemple, on peut prévoir une seconde vanne trois voies reliée à une source chaude de fluide caloporteur.
On peut, dans des variantes prévoir un montage avec une vanne trois voies en mode diviseur ou mélangeur, un montage sans vanne trois voies mais avec un échangeur de chaleur a plaque ou à tubes...
Le système de régulation de la température de l’enceinte comporte donc plusieurs boucles de régulation partiellement interdépendantes.
La boucle de régulation principale agit sur le dispositif de régulation thermique primaire et concerne la régulation de la température interne, notée T de l’enceinte climatique, qui se fait par application d’un courant et/ou d’une tension régulés sur les ensembles thermoélectriques, en pratique des composants Peltier.
Selon les modalités de mise en oeuvre, la boucle de régulation principale peut agir globalement sur tous les ensembles thermoélectrique ou aussi agir individuellement par une boucle locale individuelle à chaque ensemble thermoélectrique.
La consigne de température d’enceinte Tic fournie par l’utilisateur est de préférence filtrée, généralement par un filtre passe-bas encore dit filtre de consigne, et le résultat de ce filtrage Ticf est comparé à Tb et la différence Ticf - alimente un premier correcteur C qui peut être du type proportionnel intégral (PI) ou proportionnel intégral dérivé (PID), ou encore d’un autre type, et qui va calculer la commande de courant et/ou de tension envoyée aux ensembles thermoélectriques.
Une boucle de régulation de partage chaud et froid est mise en oeuvre pour la commande du circuit de régulation thermique secondaire. La température, notée Te, du fluide caloporteur, de préférence de l’eau glycolée, du circuit de régulation thermique secondaire, permettant essentiellement un refroidissement, est asservie au moyen d’une commande partagée (« Split/range ») qui répartit l’action chaud (chaud crée par exemple, par une résistance électrique, cf. « Puiss. res. externe » = puissance de la résistance externe de la source chaude sur la figure 3) et l’action froid (créé par l’ouverture et le degré d’ouverture de la vanne trois voies et possiblement sa fermeture). Un deuxième correcteur C2 est utilisé pour la régulation de Te. La consigne Tec de cette boucle dépend de la consigne Tic et est calculée au moyen d’une interpolation par morceau (« Look-up table ») dans une tabulation.
On peut noter qu’il existe des couplages dynamiques schématisés par des flèches en pointillés : La température interne Tj influe sur Te, de même que Te influe sur Tj indirectement. Dans l’exemple décrit ces couplages sont négligés pour la synthèse de la loi de commande mais on comprend bien que dans d’autres versions on puisse en tenir compte.
Enfin, toujours pour la commande du circuit de régulation thermique secondaire, le débit de l’eau du circuit interne, noté D, est asservi au moyen d’une troisième boucle de régulation de débit incluant dans cet exemple un correcteur de type PI ou PID noté C3. La consigne de cette boucle est notée Dc. L’actionneur de cette boucle étant la tension et/ou le courant de la pompe du circuit de régulation thermique secondaire.
On retrouve sur la Fig. 3 les trois boucle de régulation avec leurs correcteurs respectifs Clt C2 et C3. En relation avec le premier correcteur Clt C2 et C3, U/l correspond au courant et/ou la tension régulés envoyés aux ensembles thermoélectriques de l’enceinte climatique.
En relation avec le deuxième correcteur C2, « Puiss. res. externe » correspond à la commande en puissance de la résistance électrique (source chaude). A noter qu’il est possible d’utiliser un l’échangeur thermique réchauffeur autre qu’une résistance électrique et que dans ce cas la commande sera adaptée en conséquence. Toujours pour le deuxième correcteur C2, « Degré ouverture vanne » correspond à la commande en ouverture/fermeture et degré d’ouverture de la vanne trois voies (source froide).
Enfin, en relation avec le troisième correcteur C3, « U pompe » correspond à une commande en tension dans cet exemple mais on peut prévoir plus généralement une commande en courant et/ou tension.
Grâce à l’invention, il est possible d’obtenir des vitesses de variation de température au sein de l’enceinte climatique qui sont très élevées, de l’ordre de 5°C/min, et des cycles permettant de passer de la température ambiante ou plus froide à 100°C et inversement, par paliers, ceci avec une précision de régulation inférieure à 0,5°C.
On envisage enfin, dans le cadre de l’invention, que l’extrémité d’échange thermique comporte en outre/en plus, un dispositif d’échange thermique direct avec l’intérieur de l’enceinte et qui est relié au reste du circuit fluidique du circuit de régulation thermique secondaire 9 par l’intermédiaire d’une vanne commandée afin d’obtenir une mise en température accélérée de l’enceinte, la vanne commandée coupant ensuite le circuit fluidique et laissant le/les ensembles thermoélectriques agir de concert avec le circuit de régulation thermique secondaire 9 comme décrit ci-dessus.

Claims

REVENDICATIONS
1. Enceinte climatique (3) à régulation thermique destinée à tester au moins un équipement, l’enceinte climatique (3) comportant une paroi définissant un espace interne contenant un gaz et pouvant recevoir et contenir ledit au moins un équipement à tester, l’espace interne étant thermiquement isolé de l’environnement extérieur à l’enceinte climatique (3), dans laquelle au moins un ensemble thermoélectrique (10) est disposé à travers la paroi de l’enceinte climatique (3), chaque ensemble thermoélectrique (10) comportant deux faces, une face interne (11 ) disposée à l’intérieur de l’enceinte climatique et une face externe (14) disposée à l’extérieur de l’enceinte climatique (3), et dans laquelle une des deux faces (11, 14) dite face froide est destinée à absorber de l’énergie calorique et l’autre dite face chaude est destinée à rejeter de l’énergie calorique en fonction du courant électrique traversant ledit au moins un ensemble thermoélectrique (10), dans laquelle une extrémité d’échange thermique (4) pour face externe (14) d’ensemble thermoélectrique (10) d’un circuit de régulation thermique secondaire (9) est disposée en contact thermique avec chaque face externe (14) d’ensemble thermoélectrique (10) afin d’échanger de l’énergie calorique entre ledit au moins un ensemble thermoélectrique (10) et ledit circuit de régulation thermique secondaire (9), le circuit de régulation thermique secondaire (9) étant externe à l’enceinte climatique et comportant un circuit de fluide caloporteur, une source froide (8), une source chaude (12), un dispositif mélangeur (13), une pompe de circulation (15) et des capteurs (5a, 5b, 5c, 5d, 6, 7), et dans lequel un système de régulation de la température de l’enceinte est configuré pour commander le courant électrique dudit au moins un ensemble thermoélectrique (10) et commander au moins le dispositif mélangeur (13) et la pompe de circulation (15) du circuit de régulation thermique secondaire (9) en fonction d’une consigne de température d’enceinte (Tic) et de mesures de capteurs (5a, 5b, 5c, 5d, 6, 7).
2. Enceinte climatique selon la revendication 1, dans laquelle l’enceinte climatique (3) est fixée sur un support mobile d’un simulateur de mouvements et le support mobile peut être entraîné en mouvement par l’intermédiaire d’articulations dudit simulateur de mouvements.
3. Enceinte climatique selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans laquelle la température de la source chaude (12) est réglable et le système de régulation de la température de l’enceinte règle en outre la température de la source chaude (12).
4. Enceinte climatique selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le système de régulation de la température de l’enceinte (3) est configuré pour réguler la température de la face externe (14) en fonction de la consigne de température d’enceinte (Tic) et afin que la polarité du courant circulant dans ledit au moins un ensemble thermoélectrique (10) soit constante, la face interne (11) étant une face froide absorbant de l’énergie calorique provenant de l’intérieur de l’enceinte climatique (3).
5. Enceinte climatique selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le système de régulation de la température de l’enceinte (3) est configuré pour assurer un débit continu du fluide caloporteur dans l’extrémité d’échange thermique (4) pour face externe (14) d’ensemble thermoélectrique (10) du circuit de régulation thermique secondaire (9).
6. Enceinte climatique selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle le système de régulation de la température de l’enceinte est configuré pour asservir le débit du fluide caloporteur tout en évitant une cavitation à haute température du fluide caloporteur qui serait due à une vitesse trop élevée du fluide caloporteur.
7. Enceinte climatique selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comportant au moins deux ensembles thermoélectriques à travers l’enceinte climatique et les ensembles thermoélectriques sont reliés électriquement en parallèle.
8. Enceinte climatique selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle le système de régulation de la température de l’enceinte comporte au moins deux boucles de régulation, lesdites au moins deux boucles de régulation étant une boucle de régulation principale commandant le courant électrique dudit au moins un ensemble thermoélectrique (10) et au moins une boucle de régulation secondaire commandant le circuit de régulation thermique secondaire (9).
9. Enceinte climatique selon la revendication 8, dans laquelle la boucle de régulation secondaire commandant le circuit de régulation thermique secondaire (9) comporte une boucle de régulation de partage chaud et froid et une boucle de régulation de débit.
10. Procédé de régulation thermique d’une enceinte climatique destinée à tester au moins un équipement, dans lequel on met en œuvre une enceinte climatique à ensemble(s) thermoélectrique(s) (10) selon l’une quelconque des revendications 2 à 9, l’enceinte climatique (3) étant fixée sur un support mobile d’un simulateur de mouvements et le support mobile pouvant être entraîné en mouvement par l’intermédiaire d’articulations dudit simulateur de mouvements, et dans lequel on met en œuvre en outre un circuit de régulation thermique secondaire (9) comportant une extrémité d’échange thermique (4) pour face externe (14) d’ensemble thermoélectrique (10), on dispose l’extrémité d’échange thermique(4) contre la/les faces externes (14) du/des ensembles thermoélectriques, le reste du circuit de régulation thermique secondaire (9) étant disposé en dehors de parties mobiles du simulateur de mouvements et étant relié à l’extrémité d’échange thermique (4) par des joints fluidiques mobiles passant par les articulations du simulateur de mouvements.
11. Kit d’installation d’une enceinte climatique (3) à régulation thermique dans un simulateur de mouvements, l’enceinte climatique (3) étant destinée à tester au moins un équipement, le simulateur de mouvements comportant un support mobile entraîné en mouvement par l’intermédiaire d’articulations dudit simulateur de mouvements, lequel kit comportant :
- une enceinte climatique (3) comportant une paroi définissant un espace interne pouvant recevoir et contenir ledit au moins un équipement à tester, l’espace interne pouvant comporter un gaz et étant thermiquement isolé de l’environnement extérieur à l’enceinte climatique, l’enceinte climatique comportant des moyens de fixation au support mobile, l’enceinte comportant en outre au moins un ensemble thermoélectrique (10), ledit au moins un ensemble thermoélectrique (10) étant disposé à travers la paroi de l’enceinte climatique (3), chaque ensemble thermoélectrique (3) comportant deux faces, une face interne (11 ) disposée à l’intérieur de l’enceinte climatique (3) et une face externe (14) à l’extérieur de l’enceinte climatique (3), et dans laquelle une des deux faces dite face froide est destinée à absorber de l’énergie calorique et l’autre dite face chaude est destinée à rejeter de l’énergie calorique en fonction d’un courant électrique traversant ledit au moins un ensemble thermoélectrique (10),
- un circuit de régulation thermique secondaire (9) comportant un circuit de fluide caloporteur, des moyens de raccordement à une source froide (8), une source chaude (12), un dispositif mélangeur (13), une pompe de circulation (15) et des capteurs (5a, 5b, 5c, 5d, 6, 7), le circuit de fluide caloporteur comportant une extrémité d’échange thermique pour face externe (14) d’ensemble thermoélectrique (10) destinée à venir en contact thermique une face externe (14) d’ensemble thermoélectrique (10) afin d’échanger de l’énergie calorique entre ledit au moins un ensemble thermoélectrique (10) et ledit circuit de régulation thermique secondaire (9),
- des joints fluidiques mobiles destinés à être installés dans des articulations du simulateur de mouvements pour permettre la circulation du fluide caloporteur du circuit de régulation thermique secondaire (9) entre l’extrémité d’échange thermique (4) qui est destinée à être installée dans le simulateur de mouvements contre la face externe de l’ensemble thermoélectrique et le reste du circuit de régulation thermique secondaire (9) qui est destiné à être installé en dehors de parties mobiles du simulateur de mouvements,
- des liaisons électriques mobiles destinées à être installés dans des articulations du simulateur de mouvements pour permettre une circulation de courant électrique,
- un système de régulation de la température de l’enceinte destiné à commander le courant électrique dudit au moins un ensemble thermoélectrique (10) et commander au moins le dispositif mélangeur (13) et la pompe de circulation (15) du circuit de régulation thermique secondaire (9) en fonction d’une consigne de température d’enceinte (Tic) et de mesures de capteurs (5a, 5b, 5c, 5d, 6, 7).
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