EP1471321A1 - Dispositif ultraplat d'echange de chaleur - Google Patents

Dispositif ultraplat d'echange de chaleur Download PDF

Info

Publication number
EP1471321A1
EP1471321A1 EP04101650A EP04101650A EP1471321A1 EP 1471321 A1 EP1471321 A1 EP 1471321A1 EP 04101650 A EP04101650 A EP 04101650A EP 04101650 A EP04101650 A EP 04101650A EP 1471321 A1 EP1471321 A1 EP 1471321A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bridges
fluid
microtubes
heat
exchange
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04101650A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Antoine Gruss
Bernard Thonon
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP1471321A1 publication Critical patent/EP1471321A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/06—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of plastics material
    • F28F21/062—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of plastics material the heat-exchange apparatus employing tubular conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/02—Tubular elements of cross-section which is non-circular
    • F28F1/022—Tubular elements of cross-section which is non-circular with multiple channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F7/00—Elements not covered by group F28F1/00, F28F3/00 or F28F5/00
    • F28F7/02—Blocks traversed by passages for heat-exchange media
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2260/00—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures
    • F28F2260/02—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures having microchannels

Definitions

  • the invention relates to a device ultra-flat heat exchange between a primary fluid and a secondary fluid.
  • exchangers are known to cool a liquid thanks to the ambient air.
  • Such exchangers are commonly used for example as radiators in motor vehicles, or as self-cooling in industrial processes requiring a rejection of calories to the ambient air.
  • the liquid which can be water or a mixture water / antifreeze, circulates in flat tubes or circular, while reported surfaces, called secondary, allow the exchange side air.
  • Evaporators are also known and condensers in which a fluid evaporates or becomes condense by exchanging heat with another fluid.
  • Manufacturing methods and assembly, stamping, crimping, ... of the known art does not hardly allow to accurately obtain sizes characteristics less than one millimeter, without having to solve big difficulties that result in high manufacturing costs.
  • the thickness of such devices is usually of the order of several centimeters.
  • the optimum dimensioning imposed pressure loss which is the case by example for a car radiator, leads to a very flat and large surface heat exchanger given the high pressure losses resulting from the use of microchannels.
  • Structures are also known woven metal exchange, described in particular in the referenced document [3]. These very thin structures are tissues made with microtubes metal like chain and metal wires like frame.
  • tubes multiport 9 extruded aluminum as shown on FIG. 1, marketed for example by the Company Hydroaluminium and used especially in automotive air conditioning condensers.
  • Extruded polymer tubes are also described in the document referenced [4], in as an automotive radiator exchange structure. Such structures allow for low cost tubes smaller than one millimeter dimension accuracy typically of the order of 0.05mm.
  • the invention relates to a device ultra-flat heat exchange between a primary fluid and a secondary fluid having a set of parallel microtubes inside which circulates the primary fluid, characterized in that each microtube is separated from at least one neighboring microtube by a space and is connected to it, on at least part of its length, by at least one bridge pierced with holes communication through which the fluid flows secondary.
  • this device is realized in extrudable material.
  • the device of the invention can thus be made of any extrudable metal material such that for example an aluminum alloy. he can also be made of a thermoplastic polymer extrudable, charged or not, such as Oxide of Polyphenylene (PPO), Polypropylene (PP), Polypropylene Polychlorinated Chloride Vinyl Chloride (CPVC) Polyamide (PA) phenyl polysulfide (PPS), the Polyetherimide (PEI), Polysulfone (PSU), Polybenzidimazole (PBI).
  • a thermoplastic polymer extrudable, charged or not such as Oxide of Polyphenylene (PPO), Polypropylene (PP), Polypropylene Polychlorinated Chloride Vinyl Chloride (CPVC) Polyamide (PA) phenyl polysulfide (PPS), the Polyetherimide (PEI), Polysulfone (PSU), Polybenzidimazole (PBI).
  • PPO Oxide of Polyphenylene
  • PP Polyprop
  • the microtubes have a polygonal cross section for example square or rectangular, if not at least a microtube end, which has a cross section semicylindrical.
  • the inner surface of the microtubes can be grooved.
  • Bridges have notches cross-sections forming communication holes of on both sides of the device.
  • Bridges can be arranged successively on both sides of said device. They may all be on the same side of the said device. They can be arranged on both sides said device.
  • the openings in the bridges can be aligned or arranged in staggered rows. Fins extrusions can be arranged on one or two sides of the device, a secondary exchange surface, performed advantageously with a porous structure thermal conductor, can be added, for improve the heat exchange side secondary fluid.
  • this device comprises an end, a first end element and a another end, a second end element capable of be assembled with the first end element.
  • This device can have a structure cylindrical, a truncated cone structure, a linear accordion structure, or a structure in circular accordion.
  • the cylindrical structure, or the structure circular accordion, can be placed in a cylindrical envelope to form a flow partially annular.
  • Ventilation devices can be intruded into the cylindrical structure, the structure in truncated cone or circular accordion structure.
  • Figure 1 illustrates a device of the art prior.
  • FIGS 2 and 3 illustrate the device of the invention.
  • FIGS 4 to 14 illustrate different embodiments of the device of the invention.
  • the invention relates to an ultra-thin device 10 exchange of heat between a primary fluid 11, by example of water, and a secondary fluid 12, by example the air.
  • This device comprises a set of parallel microtubes 13, for example of square section or semicylindrical, constituting microchannels inside which circulates the primary fluid 11.
  • Each microtube 13 is separated from each of the microtubes neighbors by a space 14 and is connected to it, on at least part of its length, by at least one bridge 15 pierced with communication holes 16 through from which circulates the secondary fluid 12.
  • the thickness e of such a device is the order of a millimeter.
  • the section of microtubes is polygonal, cylindrical, semi-cylindrical or any other adapted form.
  • micro-grooves on the inner surface of the microchannels for improve the exchange coefficients. These grooves are easily obtained during manufacture by extrusion.
  • heat exchange secondary fluid side developing the surface to using extruded fins arranged on one or two side of the device.
  • the opening of bridges communication for the passage of the secondary fluid then realizes on the surface of the device a set of pins ("pin-fins" in English) particularly favorable to heat exchange.
  • the improvement of heat exchange side secondary fluid can also to be realized by adding an exchange surface secondary by brazing, gluing or any other process known to those skilled in the art.
  • This exchange surface secondary is advantageously carried out with a porous conductive thermal structure such as foam, aluminum cloth or any other good material thermal conductor.
  • the accordion configurations may be made by folding a serpentine profile as shown in Figures 6 and 6a.
  • Figure 6 illustrates the flow of the primary fluid 11 in a direction parallel to the edges of the folds.
  • Figure 6a illustrates the flow of the primary fluid 11a in a direction orthogonal to the previous so-called "in the direction of folding".
  • the configuration illustrated in Figure 6a is particularly suitable when working with a high pressure primary fluid because the water boxes at the ends of the profile are simpler to achieve and that can accept a higher pressure loss. . This is particularly the case for air conditioning using carbon dioxide (CO 2 ) as a refrigerant.
  • CO 2 carbon dioxide
  • FIG. also form with the device of the invention a cylindrical structure that can be positioned, to inside a circular envelope 20.
  • a circular configuration makes it possible to create a space integrated ring for the secondary fluid and to use the outer surface as a surface additional exchange in the annular space as well form.
  • the notches in the external decks can be realized very simply in turn or by any method known in the state of the art.
  • Such a configuration in the form of cylinder for a liquid / gas exchanger allows, as illustrated in Figure 9, to integrate in the volume central whole or part of ventilation members 25, by example a fan and a motor, which can make circulate the gas.
  • a configuration in the form of a truncated cone as illustrated in FIG. 10, makes it possible to such integration, and to easily insert the device of the invention in a circular sheath 24.
  • the device of the invention can be made of any extrudable metallic material, such as for example an aluminum alloy or any other metal known to those skilled in the art.
  • thermoplastic polymer such Polyphenylene Oxide (PPO), Polypropylene (PP), Chlorinated Polyvinyl Chloride (CPVC), Polyamide (PA) phenyl polysulfide (PPS), the Polyetherimide (PEI), Polysulfone (PSU), Polybenzidimazole (PBI) or any other known polymer of the skilled person. It can also be realized in extrudable ceramic material before sintering.
  • PPO Polyphenylene Oxide
  • PP Polypropylene
  • CPVC Chlorinated Polyvinyl Chloride
  • PA Polyamide
  • PES Polyetherimide
  • PSU Polysulfone
  • PBI Polybenzidimazole
  • the thickness of the device of the invention may be between 0.5 and 5 mm, typically 1 mm.
  • the overall width of all microtubes in a flat device which depends on extrusion possibilities of the material, is included between 10 and 500 mm, typically 50 mm.
  • the diameter of the circular device enveloping the microtubes which depends on the possibilities material extrusion is between 10 and 100 mm, typically 50 mm.
  • the size of the microchannels for the fluid primary, made in microtubes 13, can be between 0.1 and 2 mm, typically 0.5 mm.
  • the size of space 14 between microtubes 13 may be between 0.2 and 2 mm, typically 0.4 mm.
  • the width of notches 17 can be between 0.1 and 2 mm, typically 0.4 mm.
  • the assembly of water boxes to feed the device of the invention in primary fluid is a important and relatively expensive point in the realization of exchangers. This one can be realized easily by simple machining, over a length 1, of ends of the microtubes 13, as illustrated in FIG. figure 13, so as to let these ends.
  • the openings in the water boxes can then be performed by any method known to those skilled in the art such as stamping, drilling mechanical, laser, rectangular hole water jet in which are easily interlocked these ends.
  • end elements complementary, for example male and female, 30 and 31, as shown in Figure 14 allows an assembly devices between them to easily form a more important structure, avoiding leaks to the joint between the microtubes.
  • the device of the invention can be used for oil coolers, for example applicable in the field of motor transport, aeronautical transport.
  • the device of the invention can be used to make small drycoolers very compact industrial companies in the field of machinery cooling, cooling of electrical or electronic components, from the air conditioning, transportation ...

Abstract

L'invention concerne un dispositif ultraplat d'échange de chaleur entre un fluide primaire (11) et un fluide secondaire (12) comportant un ensemble de microtubes parallèles (13) à l'intérieur desquels circule le fluide primaire, dans lequel chaque microtube (13) est séparé d'au moins un microtube voisin par un espace (14) et est relié à celui-ci, sur une grande partie de sa longueur, par au moins un pont (15) percé de trous de communication (16) au travers desquels circule le fluide secondaire. <IMAGE>

Description

DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne un dispositif ultraplat d'échange de chaleur entre un fluide primaire et un fluide secondaire.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Dans le domaine des échangeurs de chaleur, on connaít des échangeurs permettant de refroidir un liquide grâce à l'air ambiant. De tels échangeurs sont communément utilisés par exemple comme radiateurs dans des véhicules automobiles, ou comme autoréfrigérants dans des procédés industriels nécessitant un rejet de calories vers l'air ambiant. Dans de tels échangeurs, le liquide, qui peut être de l'eau ou un mélange eau/antigel, circule dans des tubes plats ou circulaires, tandis que des surfaces rapportées, dites secondaires, permettent de réaliser l'échange côté d'air.
On connaít également des évaporateurs et condenseurs dans lequel un fluide s'évapore ou se condense en échangeant de la chaleur avec un autre fluide.
Les méthodes de fabrication et d'assemblage, estampage, sertissage, ...de l'art connu ne permettent guère d'obtenir avec précision des tailles caractéristiques inférieures au millimètre, sans avoir à résoudre de grosses difficultés qui se traduisent par des coûts de fabrication élevés.
Pour obtenir une surface d'échange suffisamment importante côté d'air, l'épaisseur de tels appareils est généralement de l'ordre de plusieurs centimètres.
La présence de surfaces secondaires serrés sur une épaisseur de plusieurs centimètres est de plus négative dans des situations de condensation d'air humide, car les condensats restent piégés dans les surfaces d'échange et dégradent les propriétés d'échange thermique et aérolique de ces surfaces.
Par ailleurs, les incertitudes métrologiques relatives augmentent lorsque l'on diminue la taille des canaux dans lesquels circulent les fluides. Les écoulements de fluide étant essentiellement laminaires à ces échelles, les pertes de pression sont proportionnelles à 1/d4 (d correspondant au diamètre hydraulique du canal). Dans ces conditions, une incertitude de fabrication de ± 0,05 mm entraíne un écart acceptable sur la perte de pression de ± 0,05/1 x 4 = ± 20% pour un canal de 1 mm ; par contre pour un canal de 0,2 mm, cette même incertitude entraíne des écarts de perte de pression de ± 0,05/0,2 x 4 = ± 100% difficilement acceptables industriellement.
Les documents référencés [1] et [2] en fin de description concernent des micro-échangeurs en PMMA (poly (méthyl méthacrylate)), dans lesquels les structures d'échanges sont réalisées de la manière suivante :
  • réalisation d'un moule par LIGA X,
  • embossage à chaud de deux demi-plaques en PMMA réalisant ainsi des demi-canaux pour l'eau et des canaux non débouchants pour l'air
  • assemblage de ces deux demi-plaques par collage,
  • surfaçage de manière à déboucher les canaux d'air.
Ces documents montrent qu'une surface d'échange ultraplate de ce type peut être comparée favorablement aux échangeurs de structure classique sur des critères de masse et de volume.
Par ailleurs, le dimensionnement optimum à perte de pression imposée, ce qui est le cas par exemple pour un radiateur automobile, aboutit à une forme d'échangeur très plate et de grande surface, compte tenu des pertes de pression élevées résultant de l'utilisation de microcanaux.
Il en résulte qu'une comparaison sur un critère de surface frontale minimum n'est pas favorable à ce type d'échangeur.
De plus, un tel mode de réalisation présente plusieurs inconvénients :
  • On ne peut réaliser que des configurations planaires, ce qui induit des échangeurs à surface frontale élevée.
  • La réalisation d'un moule par LIGA X est une technique assez lourde car elle nécessite l'utilisation d'un synchrotron
  • Le collage des deux demi-plaques avec des motifs en vis-à-vis est très délicat. Le moindre défaut sur une des deux pièces, par exemple une bulle d'air, un manque de colle, ou un défaut d'alignement, entraíne une fuite de liquide vers l'extérieur.
  • Une telle technique n'est applicable qu'à des pièces de surface très limitée (quelques dm2). La fabrication des moules par LIGA X, ainsi que le bon alignement n'est pas réalisable au-delà.
On connaít par ailleurs des structures d'échange métalliques tissées, décrites notamment dans le document référencé [3]. Ces structures très minces sont des tissus réalisés avec des microtubes métalliques comme chaíne et des fils métalliques comme trame.
Néanmoins de telles structures présentent les inconvénients suivants :
  • Le procédé de réalisation de celles-ci exige de grandes longueurs de microtube métallique de précision et est donc assez onéreux.
  • La connectique fluidique d'un grand nombre de microtubes sur des collecteurs est délicate et difficilement industrialisable.
On connaít par ailleurs des tubes multiports 9 en aluminium extrudé, comme illustré sur la figure 1, commercialisés par exemple par la Société Hydroaluminium et utilisés notamment dans les condenseurs de climatisation automobile.
Des tubes en polymère extrudés sont également décrits dans le document référencé [4], en tant que structure d'échange de radiateur automobile. De telles structures permettent de réaliser à bas coût des tubes de dimension inférieure au millimètre avec une précision de dimension typiquement de l'ordre de 0,05mm.
L'invention a pour objectif de pallier les inconvénients des dispositifs de l'art connu en proposant un dispositif d'échange thermique entre deux fluides ayant les caractéristiques suivantes :
  • C'est un dispositif d'échange ultraplat à microcanaux pour le fluide primaire ce qui permet d'augmenter la surface offerte au fluide secondaire tout en minimisant le volume.
  • C'est un dispositif d'échange comportant des microcanaux pour le fluide primaire ce qui permet d'obtenir une grande surface d'échange par une méthode industrielle à bas coût et de haute précision géométrique.
  • C'est un dispositif d'échange comportant des microcanaux pour le fluide secondaire, à courant croisé par rapport au fluide primaire, ce qui permet de réaliser une grande surface d'échange par une méthode industrielle reproductible, à bas coût, et de haute précision géométrique.
EXPOSE DE L'INVENTION
L'invention concerne un dispositif ultraplat d'échange de chaleur entre un fluide primaire et un fluide secondaire comportant un ensemble de microtubes parallèles à l'intérieur desquels circule le fluide primaire, caractérisé en ce que chaque microtube est séparé d'au moins un microtube voisin par un espace et est relié à celui-ci, sur au moins une partie de sa longueur, par au moins un pont percé de trous de communication au travers desquels circule le fluide secondaire.
Avantageusement ce dispositif, est réalisé en matériau extrudable.
Le dispositif de l'invention peut ainsi être réalisé en tout matériau métallique extrudable tel que par exemple un alliage d'aluminium. Il peut également être réalisé dans un polymère thermoplastique extrudable, chargé ou non, tel que l'Oxyde de Polyphénilène (PPO), le Polypropylène (PP), le Polychlorure de Vinyle surchloré (PVCC), le Polyamide (PA) le Polysulfure de phényléne (PPS), le Polyétherimide (PEI), le Polysulfone (PSU), le Polybenzidimazole (PBI).
Avantageusement les microtubes ont une section transversale polygonale par exemple carrée ou rectangulaire, si ce n'est au moins un microtube d'extrémité, qui a une section transversale semicylindrique. La surface interne des microtubes peut être rainurée. Les ponts sont munis d'entailles transversales formant des trous de communication de part et d'autre du dispositif.
Les ponts peuvent être disposés successivement de part et d'autre dudit dispositif. Ils peuvent être tous disposés du même coté dudit dispositif. Ils peuvent être disposés des deux cotés dudit dispositif. Les ouvertures dans les ponts peuvent être alignées ou disposées en quinconce. Des ailettes extrudées peuvent être disposées sur un ou deux côtés du dispositif, une surface d'échange secondaire, réalisée avantageusement avec une structure poreuse conductrice thermique, peut être ajoutée, pour améliorer l'échange thermique côté fluide secondaire.
Avantageusement ce dispositif comprend à une extrémité, un premier élément d'extrémité et à une autre extrémité, un second élément d'extrémité apte à être assemblé avec le premier élément d'extrémité.
Ce dispositif peut avoir une structure cylindrique, une structure en tronc de cône, une structure en accordéon linéaire, ou une structure en accordéon circulaire.
La structure cylindrique, ou la structure en accordéon circulaire, peut être placée dans une enveloppe cylindrique pour former un écoulement partiellement annulaire.
Des organes de ventilation peuvent être intrégés dans la structure cylindrique, la structure en tronc de cône ou la structure en accordéon circulaire.
L'invention permet de résoudre le problème technique posé plus haut. Elle permet, en effet :
  • la réalisation de microcanaux par extrusion,
  • la réalisation de microcanaux dans l'épaisseur du dispositif de l'invention, de taille inférieure au millimètre, typiquement entre 100 µm et 1 mm, permettant de bénéficier d'une surface d'échange importante pour le fluide primaire tout en conservant une épaisseur de surface d'échange très faible,
  • l'obtention d'une précision importante pour la taille des microcanaux, dans lesquels circule le fluide primaire, en utilisant une méthode industrielle reproductible et à bas coût, ce qui permet de contrôler la perte de charge dans ces microcanaux.
L'invention peut trouver des applications dans différents domaines tel que celui :
  • des aéroréfrigérants permettant d'évacuer de la chaleur d'équipements domestiques ou industriels vers le milieu ambiant,
  • des réchauffeurs et refroidisseurs de fluides,
  • des dispositifs d'évacuation de chaleur d'équipements électriques, électroniques domestiques ou industriels, fixes ou portables, vers l'air ambiant,
  • des évaporateurs et condenseurs de fluide frigorigènes,
  • des échangeurs thermiques intégrant une réaction chimique ou biologique (échangeurs réacteurs),
  • des échangeurs thermiques intégrant une fonction de filtrage tels que des échangeurs filtres pour refroidissement et filtrage d'huile de machines thermiques.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
La figure 1 illustre un dispositif de l'art antérieur.
Les figures 2 et 3 illustrent le dispositif de l'invention.
Les figures 4 à 14 illustrent différents modes de réalisation du dispositif de l'invention.
EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS
Comme illustré sur les figures 2 et 3, l'invention concerne un dispositif ultraplat 10 d'échange de chaleur entre un fluide primaire 11, par exemple de l'eau, et un fluide secondaire 12, par exemple l'air. Ce dispositif comporte un ensemble de microtubes parallèles 13, par exemple de section carrée ou semicylindrique, constituant des microcanaux à l'intérieur desquels circule le fluide primaire 11. Chaque microtube 13 est séparé de chacun des microtubes voisins par un espace 14 et est relié à celui-ci, sur au moins une partie de sa longueur, par au moins un pont 15 percé de trous de communication 16 au travers desquels circule le fluide secondaire 12.
L'épaisseur e d'un tel dispositif est de l'ordre du millimètre. La section des microtubes est polygonale, cylindrique, semi-cylindrique ou toute autre forme adaptée.
Pour réaliser un tel dispositif on peut extruder un matériau sous formes, de manière à réaliser les microcanaux dans lesquels peut circuler le fluide primaire 11.
On peut éventuellement réaliser des micro-rainures sur la surface interne des microcanaux pour améliorer les coefficients d'échange. Ces rainures sont facilement obtenues lors de la fabrication par extrusion.
Pour réaliser les trous de communication 16, on peut tout d'abord usiner des entailles rapprochées 17 dans les ponts 15, par exemple à l'aide d'une fraise-scie ou tout autre procédé d'enlèvement de manière connue de l'homme de l'art, puis d'ouvrir des trous de communication pour le fluide 12 dans chacun des ponts 15. Ces ouvertures peuvent être alignées ou disposées en quinconce de manière à améliorer le coefficient d'échange.
On peut ainsi améliorer l'échange thermique côté fluide secondaire, en développant la surface à l'aide d'ailettes extrudées disposées sur un ou deux cotés du dispositif. L'ouverture des ponts de communication pour le passage du fluide secondaire réalise alors sur la surface du dispositif un ensemble de picots (« pin-fins » en anglais) particulièrement favorable à l'échange thermique. L'amélioration de l'échange thermique coté fluide secondaire peut aussi être réalisée par ajout d'une surface d'échange secondaire par brasure, collage ou tout autre procédé connu de l'homme de l'art. Cette surface d'échange secondaire est réalisée avantageusement avec une structure poreuse conductrice thermique telle que mousse, toile en aluminium ou tout autre matériau bon conducteur thermique.
On peut alors replier ce dispositif suivant différentes configurations illustrées sur les figures 4, 5, 6, 6a et 7 qui illustrent respectivement une structure en cylindre, une structure en tronc de cône, une structure en accordéon linéaire, et une structure en accordéon circulaire, ou suivant toute autre configuration permettant de minimiser la surface frontale offerte au fluide secondaire.
Les configurations en accordéon peuvent être réalisées par pliage d'un profil en forme de serpentin, comme illustré sur les figures 6 et 6a. La figure 6 illustre l'écoulement du fluide primaire 11 selon une direction parallèle aux arêtes des plis. La figure 6a illustre l'écoulement du fluide primaire 11a dans une direction orthogonale à la précédente dite « dans le sens du pliage ». La configuration illustrée sur la figure 6a est particulièrement bien adaptée lorsqu'on travaille avec un fluide primaire à haute pression parce que les boites à eau aux extrémités du profil sont plus simples à réaliser et que l'on peut accepter une perte de pression plus élevée. C'est le cas notamment pour la climatisation utilisant comme fluide frigorigène du gaz carbonique (CO2).
Comme illustré sur la figure 8, on peut aussi former avec le dispositif de l'invention une structure cylindrique qui peut être positionnée, à l'intérieur d'une enveloppe circulaire 20. Une telle configuration circulaire permet de réaliser un espace annulaire intégré pour le fluide secondaire et d'utiliser la surface extérieure comme une surface d'échange supplémentaire dans l'espace annulaire ainsi formé. Dans cette configuration, les entailles dans les ponts extérieurs peuvent être réalisées très simplement au tour ou par tout procédé connu dans l'état de l'art.
Une telle configuration en forme de cylindre pour un échangeur liquide/gaz permet, comme illustré sur la figure 9, d'intégrer dans le volume central tout ou partie d'organes de ventilation 25, par exemple un ventilateur et un moteur, pouvant faire circuler le gaz.
Une configuration en forme de tronc de cône comme illustré sur la figure 10, permet de réaliser une telle intégration, et d'insérer aisément le dispositif de l'invention dans une gaine circulaire 24.
Différentes configurations du dispositif de l'invention sont également possibles :
  • une structure avec des ponts 15 disposés successivement de part et d'autre du dispositif, comme illustré sur les figures 2 et 3,
  • une structure avec tous les ponts 15 disposés du même côté, comme illustré sur la figure 11,
  • une structure avec des ponts 15 disposés des deux cotés, comme illustré sur la figure 12,
  • une structure circulaire, comme illustré sur la figure 8.
Exemple de modes de réalisation
Le dispositif de l'invention peut être réalisé en tout matériau métallique extrudable, tel que par exemple un alliage d'aluminium ou tout autre métal connu de l'homme de l'art.
Il peut également être réalisé dans un polymère thermoplastique extrudable, chargé ou non, tel que l'Oxyde de Polyphénilène (PPO), le Polypropylène (PP), le Polychlorure de Vinyle surchloré (PVCC), le Polyamide (PA) le Polysulfure de phényléne (PPS), le Polyétherimide (PEI), le Polysulfone (PSU), le Polybenzidimazole (PBI) ou tout autre polymère connu de l'homme de l'art. Il peut être également réalisé en matériau céramique extrudable avant frittage.
L'épaisseur du dispositif de l'invention peut être comprise entre 0,5 et 5 mm, typiquement 1 mm.
La largeur hors tout de l'ensemble des microtubes dans un dispositif plat, qui dépend des possibilités d'extrusion du matériau, est comprise entre 10 et 500 mm, typiquement 50 mm.
Le diamètre du dispositif circulaire enveloppant les microtubes, qui dépend des possibilités d'extrusion du matériau, est compris entre 10 et 100 mm, typiquement 50 mm.
La taille des microcanaux pour le fluide primaire, réalisés dans les microtubes 13, peut être comprise entre 0,1 et 2 mm, typiquement 0,5 mm.
La taille de l'espace 14 entre les microtubes 13 peut être comprise entre 0,2 et 2 mm, typiquement 0,4 mm.
La largeur de entailles 17 peut être comprise entre 0,1 et 2 mm, typiquement 0,4 mm.
L'assemblage de boítes à eau pour alimenter le dispositif de l'invention en fluide primaire est un point important et relativement coûteux dans la réalisation des échangeurs. Celui-ci peut être réalisé aisément par un usinage simple, sur une longueur 1, des extrémités des microtubes 13, comme illustré sur la figure 13, de manière à laisser dépasser ces extrémités. Les ouvertures dans les boítes à eau peuvent alors être réalisées par un procédé quelconque connu de l'homme de l'art tel que emboutissage, perçage mécanique, laser, jet d'eau de trous rectangulaires dans lesquels viennent s'emboíter aisément ces extrémités.
Un tel assemblage est facilité, par rapport à un ensemble de tubes séparés, du fait que le dispositif de l'invention garantit un espacement régulier entre les microtubes 13.
L'utilisation d'éléments d'extrémités complémentaires, par exemple mâle et femelle, 30 et 31, comme illustré sur la figure 14, permet un assemblage de dispositifs entre eux pour former aisément une structure plus importante, en évitant les fuites à la jointure entre les microtubes.
Applications industrielles
Dans une configuration circulaire liquide/liquide, le dispositif de l'invention peut être utilisé pour des refroidisseurs d'huile, par exemple applicables dans le domaine du transport automobile, du transport aéronautique.
Dans la configuration d'échangeur liquide/gaz, le dispositif de l'invention peut être utilisé pour réaliser des petits aéroréfrigérants industriels très compacts, dans le domaine de refroidissement de machines, du refroidissement de composants électriques ou électroniques, de la climatisation, du transport ...
Références
  • [1] « Design and Fabrication of a Cross Flow Micro Heat Exchanger » de Chad Harris, Mircea Despa et Kevin Kelly (Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 9, pages 502-508, 2000).
  • [2] US 6 415 860
  • [3] "A Study on the Development of the Wire Woven Heat Exchanger Using Small Diameter Tubes" de Sung-Ho Choi, Won-Ho Cho, Su-Won Kim et Jong-Soo Kim (International Symposium on Contact heat exchangers, Grenoble, 24 août 2002, pages 269 à 273) .
  • [4] "Intensification des transferts de chaleur dans un échangeur en matériau polymérique- Etude de l'écoulement gazeux et des performances thermiques" de Hervé Damotte (Thèse Université de Franche-Comté, 1993)

    • Claims (24)

    1. Dispositif ultraplat d'échange de chaleur entre un fluide primaire (11) et un fluide secondaire (12) comportant un ensemble de microtubes parallèles (13) à l'intérieur desquels circule le fluide primaire, caractérisé en ce que chaque microtube (13) est séparé d'au moins un microtube voisin par un espace (14) et est relié à celui-ci, sur au moins une partie de sa longueur, par au moins un pont (15) percé de trous de communication (16) au travers desquels circule le fluide secondaire.
    2. Dispositif, selon la revendication 1, qui est réalisé en un matériau extrudable.
    3. Dispositif selon la revendication 2, qui est réalisé en un matériau métallique extrudable.
    4. Dispositif selon la revendication 2, qui est réalisé en un polymère thermoplastique extrudable chargé ou non.
    5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel ce polymère est choisi parmi l'Oxyde de Polyphénilène (PPO), le Polypropylène (PP), le Polychlorure de Vinyle surchloré (PVCC), le Polyamide (PA) le Polysulfure de phényléne (PPS), le Polyétherimide (PEI), le Polysulfone (PSU), le Polybenzidimazole (PBI).
    6. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel plusieurs microtubes (13) ont une section transversale polygonale.
    7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel la section transversale est carrée ou rectangulaire.
    8. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel au moins un microtube d'extrémité a une section transversale semicylindrique.
    9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 ou 8, dans lequel la surface interne des microtubes est micro-rainurée.
    10. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les ponts sont munis d'entailles transversales (17) dans lesquelles sont percés les trous de communications (16).
    11. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les ponts (15) sont disposés successivement de part et d'autre dudit dispositif.
    12. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les ponts (15) sont tous disposés du même coté dudit dispositif.
    13. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les ponts (15) sont disposés des deux cotés dudit dispositif.
    14. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les ouvertures dans les ponts sont alignées ou disposées en quinconce.
    15. Dispositif selon la revendication 1, qui comprend des ailettes extrudées disposées sur au moins un coté de celui-ci.
    16. Dispositif selon la revendication 1, qui comprend une surface d'échange secondaire, qui est une structure poreuse conductrice thermique.
    17. Dispositif selon la revendication 1, qui comprend, à une extrémité, un premier élément d'extrémité (30) et, à une autre extrémité, un second élément d'extrémité complémentaire (31) apte à être assemblé avec le premier élément d'extrémité.
    18. Dispositif selon la revendication 1, qui a une structure cylindrique.
    19. Dispositif selon la revendication 1, qui a une structure en tronc de cône.
    20. Dispositif selon la revendication 1, qui a une structure en accordéon linéaire.
    21. Dispositif selon la revendication 1, qui a une structure en accordéon circulaire.
    22. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 18 ou 21, dans lequel la structure formée est placée dans une enveloppe cylindrique (20) pour former un écoulement partiellement annulaire.
    23. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 18, 19 ou 21, dans lequel des organes de ventilation (25) sont intégrés dans la structure.
    24. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes à au moins l'un des domaines suivants ;
      aéroréfrigérants permettant d'évacuer de la chaleur d'équipements domestiques ou industriels vers le milieu ambiant,
      réchauffeurs et refroidisseurs de fluides,
      dispositifs d'évacuation de chaleur d'équipements électriques, électroniques domestiques ou industriels, fixes ou portables, vers l'air ambiant,
      évaporateurs et condenseurs de fluide frigorigènes,
      échangeurs thermiques intégrant une réaction chimique ou biologique,
      échangeurs thermiques intégrant une fonction de filtrage tels que des échangeurs filtres pour refroidissement et filtrage d'huile de machines thermiques.
    EP04101650A 2003-04-23 2004-04-21 Dispositif ultraplat d'echange de chaleur Withdrawn EP1471321A1 (fr)

    Applications Claiming Priority (2)

    Application Number Priority Date Filing Date Title
    FR0350121A FR2854234B1 (fr) 2003-04-23 2003-04-23 Dispositif ultraplat d'echange de chaleur
    FR0350121 2003-04-23

    Publications (1)

    Publication Number Publication Date
    EP1471321A1 true EP1471321A1 (fr) 2004-10-27

    Family

    ID=32947406

    Family Applications (1)

    Application Number Title Priority Date Filing Date
    EP04101650A Withdrawn EP1471321A1 (fr) 2003-04-23 2004-04-21 Dispositif ultraplat d'echange de chaleur

    Country Status (2)

    Country Link
    EP (1) EP1471321A1 (fr)
    FR (1) FR2854234B1 (fr)

    Cited By (4)

    * Cited by examiner, † Cited by third party
    Publication number Priority date Publication date Assignee Title
    EP1533585A2 (fr) * 2003-11-20 2005-05-25 Commissariat A L'energie Atomique Plaque d'échangeur de chaleur, et cet échangeur
    CN102200399A (zh) * 2011-05-10 2011-09-28 天津大学 非金属微细管束换热器
    ITPG20130057A1 (it) * 2013-11-28 2015-05-29 Paolo Lupini Scambiatore di calore tra due fluidi, del tipo in controcorrente, producibile per estrusione
    WO2017004061A1 (fr) * 2015-06-29 2017-01-05 Carrier Corporation Échangeur de chaleur à microtube

    Citations (4)

    * Cited by examiner, † Cited by third party
    Publication number Priority date Publication date Assignee Title
    US5544698A (en) * 1994-03-30 1996-08-13 Peerless Of America, Incorporated Differential coatings for microextruded tubes used in parallel flow heat exchangers
    US5598632A (en) * 1994-10-06 1997-02-04 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Method for producing micro heat panels
    EP1031810A2 (fr) * 1999-02-26 2000-08-30 Tadayoshi Nagaoka Filtre-échangeur de chaleur
    US6415860B1 (en) * 2000-02-09 2002-07-09 Board Of Supervisors Of Louisiana State University And Agricultural And Mechanical College Crossflow micro heat exchanger

    Patent Citations (4)

    * Cited by examiner, † Cited by third party
    Publication number Priority date Publication date Assignee Title
    US5544698A (en) * 1994-03-30 1996-08-13 Peerless Of America, Incorporated Differential coatings for microextruded tubes used in parallel flow heat exchangers
    US5598632A (en) * 1994-10-06 1997-02-04 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Method for producing micro heat panels
    EP1031810A2 (fr) * 1999-02-26 2000-08-30 Tadayoshi Nagaoka Filtre-échangeur de chaleur
    US6415860B1 (en) * 2000-02-09 2002-07-09 Board Of Supervisors Of Louisiana State University And Agricultural And Mechanical College Crossflow micro heat exchanger

    Cited By (7)

    * Cited by examiner, † Cited by third party
    Publication number Priority date Publication date Assignee Title
    EP1533585A2 (fr) * 2003-11-20 2005-05-25 Commissariat A L'energie Atomique Plaque d'échangeur de chaleur, et cet échangeur
    EP1533585A3 (fr) * 2003-11-20 2006-04-26 Commissariat A L'energie Atomique Plaque d'échangeur de chaleur, et cet échangeur
    CN102200399A (zh) * 2011-05-10 2011-09-28 天津大学 非金属微细管束换热器
    ITPG20130057A1 (it) * 2013-11-28 2015-05-29 Paolo Lupini Scambiatore di calore tra due fluidi, del tipo in controcorrente, producibile per estrusione
    WO2017004061A1 (fr) * 2015-06-29 2017-01-05 Carrier Corporation Échangeur de chaleur à microtube
    CN107709915A (zh) * 2015-06-29 2018-02-16 开利公司 微型管热交换器
    US11060801B2 (en) 2015-06-29 2021-07-13 Carrier Corporation Microtube heat exchanger

    Also Published As

    Publication number Publication date
    FR2854234A1 (fr) 2004-10-29
    FR2854234B1 (fr) 2008-09-05

    Similar Documents

    Publication Publication Date Title
    Harris et al. Design and fabrication of a cross flow micro heat exchanger
    US6415860B1 (en) Crossflow micro heat exchanger
    EP0625688A1 (fr) Echangeur de chaleur à plaques
    EP0680585B1 (fr) Chaudiere electrique pour liquide caloporteur en circulation dans un circuit ouvert ou ferme
    EP2783180B1 (fr) Boîte collectrice, notamment pour refroidisseur de batterie, et échangeur de chaleur comprenant au moins une telle boîte
    EP3553445A1 (fr) Caloduc a pompage capillaire a rainures reentrantres offrant un fonctionnement ameliore
    EP2273224A1 (fr) Unité d&#39;échange thermique et échangeur thermique correspondant, procédé de réalisation d&#39;une unité d&#39;échange thermique
    FR2928449A1 (fr) Dispositif d&#39;echange de chaleur et procede de fabrication d&#39;un element d&#39;echange de chaleur pour un dispositif d&#39;echange de chaleur
    EP1471321A1 (fr) Dispositif ultraplat d&#39;echange de chaleur
    EP3234488B1 (fr) Plaque d&#39;echange thermique a microcanaux et echangeur thermique comportant au moins une telle plaque
    EP1579162B1 (fr) Module d&#39;echange de chaleur et procede de fabrication
    CA2485308A1 (fr) Plaque d&#39;echangeur de chaleur, et cet echangeur
    CA2509777A1 (fr) Echangeur thermique procedes et moyens de fabrication de cet echangeur
    WO2010119100A1 (fr) Tube de circulation de fluide réfrigérant, faisceau d&#39;échange de chaleur et échangeur de chaleur comportant de tels tubes
    EP1676088B1 (fr) Élément de circuit hydraulique pour échangeur de chaleur , et échangeur de chaleur ainsi obtenu
    EP3308096B1 (fr) Echangeur de chaleur pour vehicule automobile
    EP0445006B1 (fr) Echangeur de chaleur à écoulement circulaire
    WO2002011930A1 (fr) Dispositif d&#39;echange thermique
    EP3447432B1 (fr) Plaque d&#39;échange thermique à microcanaux comportant un élément d&#39;assemblage en bordure de plaque
    FR3034184A1 (fr) Boite collectrice pour echangeur thermique a faisceau de tubes
    WO2023143841A1 (fr) Échangeur de chaleur comprenant au moins une plaque latérale d&#39;encapsulage, système de conditionnement d&#39;air et véhicule
    FR3103031A1 (fr) Évaporateur pour système de transfert thermique diphasique à pompage capillaire et procédé de fabrication associé
    FR3121204A1 (fr) Procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur, échangeur de chaleur obtenu par un tel procédé, élément de plancher et plancher comprenant un tel échangeur de chaleur
    WO2020239533A1 (fr) Bouteille pour condenseur a eau de vehicule automobile
    WO2010100367A1 (fr) Appareil de séparation d&#39;air incorporant un échangeur de chaleur à plaques

    Legal Events

    Date Code Title Description
    PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

    Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

    AK Designated contracting states

    Kind code of ref document: A1

    Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LI LU MC NL PL PT RO SE SI SK TR

    AX Request for extension of the european patent

    Extension state: AL HR LT LV MK

    17P Request for examination filed

    Effective date: 20050420

    AKX Designation fees paid

    Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LI LU MC NL PL PT RO SE SI SK TR

    RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

    Owner name: COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE

    17Q First examination report despatched

    Effective date: 20090923

    RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

    Owner name: COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES

    STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

    Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

    STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

    Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

    18D Application deemed to be withdrawn

    Effective date: 20171103

    RIC1 Information provided on ipc code assigned before grant

    Ipc: F28F 1/02 20060101ALI20040526BHEP

    Ipc: F28D 1/02 20060101AFI20040526BHEP