FR2975177A1 - Echangeur de chaleur a echange thermique ameliore, comprenant une zone de stockage de materiau a changement de phase - Google Patents

Echangeur de chaleur a echange thermique ameliore, comprenant une zone de stockage de materiau a changement de phase Download PDF

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Abstract

L'invention se rapporte à un échangeur de chaleur (1) comprenant : - une zone (2) de circulation d'un premier fluide ; - deux zones (4) de stockage d'un matériau à changement de phase, agencées de part et d'autre de la zone (2), cette zone (2) et les deux zones (4) formant une structure élémentaire (12) ; et - deux zones (6) de circulation du second fluide, agencées de part et d'autre de la structure (12) qui comprend un profilé intégrant au moins un premier canal (16a) formant la zone (2) de circulation du premier fluide, ainsi qu'au moins deux seconds canaux (16b) formant respectivement les deux zones (4) de stockage du matériau à changement de phase.

Description

ECHANGEUR DE CHALEUR A ECHANGE THERMIQUE AMELIORE, COMPRENANT UNE ZONE DE STOCKAGE DE MATERIAU A CHANGEMENT DE PHASE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rapporte au domaine des 10 échangeurs de chaleur intégrant un matériau à changement de phase. L'invention présente des applications multiples, comme le refroidissement de composants d'électronique de puissance pour véhicules 15 ferroviaires, par exemple du type Métro, train de banlieue, navettes, etc., ou encore le refroidissement de composants d'électronique de puissance pour démarrage de moteurs électriques. L'invention peut également s'appliquer aux 20 évaporateurs / condenseurs dans des systèmes de climatisation. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Dans l'art antérieur, il est connu d'intégrer un matériau à changement de phase au sein 25 d'un échangeur de chaleur afin d'absorber les variations de puissance thermique. Un tel échangeur est par exemple connu du document El Qarnia, H et al ., Use of a Phase Change Material to Prevent Frosting in a Compact Crossflow Air Exchanger", Energy Conversion and 30 Management, vol. 42, pp. 1277-1296, 2001. Dans ce5 2 document, les zones de circulation du fluide chaud et les zones de circulation du fluide froid sont séparées par une couche de matériau à changement de phase, en forme de plaque. Dans l'application visée, la fonction d'absorption des variations de puissance thermique est prévue pour minimiser les risques de givrage. L'inconvénient d'une telle réalisation réside dans le fait que les couches de matériau à changement de phase constituent des résistances thermiques importantes, qui impactent directement les performances de l'échangeur. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a donc pour but de remédier au moins partiellement aux inconvénients mentionnés ci- dessus, relatifs aux réalisations de l'art antérieur. Pour ce faire, l'invention a pour objet un échangeur de chaleur entre un premier fluide et un second fluide, ledit échangeur comprenant au moins : une zone de circulation du premier fluide ; - deux zones de stockage d'un matériau à changement de phase, respectivement agencées de part et d'autre de ladite zone de circulation du premier fluide, ladite zone de circulation du premier fluide et lesdites deux zones de stockage du matériau à changement de phase formant une structure élémentaire ; et - deux zones de circulation du second fluide, respectivement agencées de part et d'autre de ladite structure élémentaire, de sorte que ladite zone de circulation du premier fluide, lesdites deux zones 3 de stockage du matériau à changement de phase, et lesdites deux zones de circulation du second fluide soient empilées. Selon l'invention, ladite structure élémentaire comprend un profilé intégrant au moins un premier canal formant ladite zone de circulation du premier fluide, ainsi qu'au moins deux seconds canaux formant respectivement lesdites deux zones de stockage du matériau à changement de phase.
L'invention est ainsi remarquable en ce qu'elle apporte une solution simple, peu coûteuse et performante, permettant d'absorber les variations de puissance thermique de manière très satisfaisante grâce à la présence des zones de stockage du matériau à changement de phase, tout en améliorant les échanges thermiques entre les fluides. En effet, la structure du profilé, de préférence réalisée par extrusion, permet de constituer des ponts thermiques, et limite ainsi considérablement les effets de résistance thermique provoqués par la présence du matériau à changement de phase. De plus, les fluctuations de température étant atténuées dans les composants de l'échangeur, il en résulte une diminution des fluctuations rapides de température génératrices de problèmes thermomécaniques, susceptibles d'endommager et de réduire la durée de vie des composants. Comme évoqué ci-dessus, l'échangeur de chaleur selon l'invention se révèle peu coûteux car réalisé à partir de profilés faciles à fabriquer, de préférence par extrusion. 4 D'une manière générale, l'invention permet un gain en performances, tout en présentant une forte compacité.
De préférence, ledit profilé comprend successivement une première, une seconde, une troisième et une quatrième parois de préférence parallèles entre elles, la première et la seconde parois définissant entre elles au moins l'un desdits seconds canaux, la seconde et la troisième parois définissant entre elles ledit au moins un premier canal, et la troisième et la quatrième parois définissant entre elles au moins un autre desdits seconds canaux. Dans un tel cas, il est alors fait préférentiellement en sorte que les première et seconde parois soient reliées l'une à l'autre par au moins trois parois de jonction, de même que les troisième et quatrième parois soient reliées l'une à l'autre par au moins trois parois de jonction. Ces parois de jonction, qui délimitent les différents canaux, permettent alors de former les ponts thermiques précités, et favorisent les échanges de chaleur entre les premier et second fluides. Sans sortir du cadre de l'invention, il pourrait être seulement prévu deux parois de jonction, reliant deux à deux les extrémités des parois concernées. Chaque zone de stockage du matériau à changement de phase prendrait ainsi la forme d'un unique tube de section en forme de quadrilatère et délimité par les deux parois et ses deux parois de jonction associées. Il est par ailleurs possible d'envisager un nombre de parois de jonction largement supérieur à trois. De préférence, lesdites première, seconde, troisième et quatrième parois parallèles sont 5 orthogonales auxdites parois de jonction, qui s'étendent de préférence chacune sur toute la longueur du profilé. De préférence, chaque zone de circulation du second fluide comprend une structure à ailettes, ou une structure en mousse, de préférence métallique. Toute autre structure d'échange thermique connue de l'homme du métier est naturellement envisageable, sans sortir du cadre de l'invention. De préférence, ledit premier fluide est le fluide chaud, et le second fluide est le fluide froid. De préférence, ledit premier fluide est liquide, et ledit second fluide est gazeux, de préférence l'air ambiant. A cet égard, il est noté que ledit premier fluide est préférentiellement un liquide susceptible d'être sous forme gazeuse et/ou liquide en fonctionnement. D'autres combinaisons pourraient naturellement être envisagées, sans sortir du cadre de l'invention. De préférence, ledit matériau à changement de phase est une paraffine. Ici encore, d'autres types de matériau à changement de phase sont envisageables. De préférence, l'échangeur comprend une pluralité de profilés empilés de manière à ce que chacun de ces profilés délimite, avec un profilé directement consécutif, une zone de circulation du second fluide. 6 Selon un mode de réalisation préféré, aucun lien direct n'est prévu entre les différents profilés espacés, entre lesquels se trouvent les zones de circulation du second fluide. Selon un autre mode de réalisation envisagé, lesdits profilés sont raccordés entre eux par des pontets. Dans ce cas de figure, lesdits profilés et lesdits pontets sont de préférence réalisés d'une seule pièce, préférentiellement par extrusion.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur tel que décrit ci-dessus, comprenant l'utilisation d'un profilé pour réaliser chaque structure élémentaire de l'échangeur.
Enfin, l'invention a également pour objet l'utilisation d'un échangeur de chaleur tel que décrit ci-dessus, pour le refroidissement de composants d'électronique de puissance dans les véhicules de transport, de préférence pour les véhicules ferroviaires. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ; - la figure 1 est une vue en perspective d'un échangeur de chaleur selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention ; - la figure 2 est une vue éclatée de celle montrée sur la figure 1 ; 30 7 - la figure 3 est une vue agrandie d'une partie de l'échangeur montré sur les figures précédentes ; - la figure 4 est une vue en coupe prise selon la plan P de la figure 1 ; - les figures 5a à 5c représentent différentes réalisations pour les zones de circulation du second fluide de l'échangeur ; et - la figure 6 est une vue en perspective d'un échangeur de chaleur selon un second mode de réalisation préféré de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS En référence tout d'abord aux figures 1 à 5c, il est représenté un échangeur de chaleur 1 selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention. L'échangeur 1, de forme globale parallélépipédique, comprend l'empilement de zones 2 de circulation d'un premier fluide, de zones 4 de stockage d'un matériau à changement de phase, et de zones 6 de circulation d'un second fluide. Plus précisément, l'empilement comporte la répétition de quatre zones empilées, à savoir, successivement, une zone 6 de circulation du second fluide, une zone 4 de stockage du matériau à changement de phase, une zone 2 de circulation du premier fluide, puis une autre zone 4 de stockage du matériau à changement de phase. Dans l'exemple représenté, la direction 8 d'empilement des zones correspond à la direction horizontale sur les figures, et à la direction de la largeur de l'échangeur. A cet égard, cette largeur est 8 par exemple de l'ordre de 30 à 40 cm, tandis que la longueur est quant à elle de l'ordre de 60 à 80 cm, pour une hauteur comprise par exemple entre 8 et 12 cm. Dans l'empilement, les zones s'étendent sur sensiblement toute l'épaisseur de l'échangeur ainsi que sur toute la longueur de ce dernier, mais ne constituent chacun qu'une portion de la largeur de cet échangeur. Celui-ci présente par ailleurs deux extrémités opposées 10 de conception identique ou similaire, dont l'une d'elles sera détaillée ci-dessous. Chaque zone 2 de circulation du premier fluide est ainsi agencée entre deux zones 4 de stockage du matériau à changement de phase, pour former ensemble une structure élémentaire référencée 12. De même, dans l'empilement, chaque structure élémentaire 12 est agencée entre deux zones 6 de circulation du second fluide. L'une des particularités de la présente invention réside dans le fait que chaque structure élémentaire 12 est réalisée par un profilé, de préférence fabriqué simplement par extrusion. Plus précisément en référence à la figure 3, le profilé 12 comprend successivement une première 14a, une seconde 14b, une troisième 14c et une quatrième parois 14d espacées les unes des autres selon la direction 8 et parallèles entre elles, en étant agencées orthogonalement à la direction 8. La seconde et la troisième parois 14b, 14c définissent entre elles au moins un premier canal 16a de la zone 2, dans lequel le premier fluide est destiné à circuler. Dans le mode 9 de réalisation préféré représenté, il s'agit d'un unique premier canal 2 s'étendant sur sensiblement toute la longueur de l'échangeur, et toute son épaisseur. De façon analogue, la première et la seconde parois 14a, 14b définissent entre elles au moins un second canal 16b, de même que la troisième et la quatrième parois 14c, 14d définissent également entre elles au moins un autre second canal 16b. Dans le mode de réalisation préféré représenté, pour chacune des deux zones 4, il est prévu plusieurs canaux 16b superposés selon la direction de l'épaisseur de l'échangeur. En revanche, chaque second canal 16b s'étend ici aussi sur sensiblement toute la longueur de l'échangeur.
Comme cela ressort de ce qui précède, la seconde paroi 14b et la troisième paroi 14c appartiennent chacune à la zone 2 et à l'une des deux zones 4 qu'elles délimitent. Toujours en référence plus spécifiquement à la figure 3, les première et seconde parois 14a, 14b sont reliées l'une à l'autre par une pluralité de parois de jonction 20b, de même que les troisième et quatrième parois 14c, 14d. Chaque second canal 16b est alors délimité par deux parois de jonction 20b directement consécutives, ainsi que par une portion de chacune des première et seconde parois 14a, 14b, ou chacune des troisième et quatrième parois 14c, 14d. A titre d'exemple indicatif, chaque zone de stockage 4 peut présenter une superposition de 15 à 30 seconds canaux 20b. Les parois de jonction 20b, parallèles à la direction 8 et orthogonales aux parois 14a-14d, 10 permettent de constituer des ponts thermiques entre les parois qu'elles relient directement, et limite ainsi les effets de résistance thermique provoqués par la présence du matériau à changement de phase dans les seconds canaux 16b (non représenté sur les figures). Cela favorise les échanges thermiques entre le premier fluide destiné à circuler dans le premier canal 16a, et le second fluide destiné à circuler dans les zones 6 placées au contact des parois 14a, 14d.
De préférence, la distance entre les parois 14a-14d est comprise entre 1 et 5 mm, typiquement de l'ordre de 3 mm, tandis que les parois présentent une épaisseur de l'ordre de 0,5 à 1,5 mm. Chaque profilé 12 présente une section transversale constante, dont la périphérie prend une forme générale de carré ou de rectangle. Cette périphérie est constituée des parois 14a, 14d, des quatre parois de jonction 20b situées aux extrémités des zones de stockage 4, et de deux parois de jonction secondaires 20a situées aux extrémités de la zone 2, délimitant le premier canal 16a. D'ailleurs, chacune des deux parois 16a est prolongée de part et d'autre selon la direction 8 par deux parois de jonction 20b, respectivement, de manière à former une plaque de fermeture du profilé 12. Les zones 6 de circulation du second fluide sont de préférence chacune réalisée par une structure à ailettes placée entre deux profilés 12 directement consécutifs dans l'empilement, en étant préférentiellement au contact de ces profilés. De telles structures à ailettes, classiques et connues de 11 l'homme du métier, sont représentées à titre d'exemples indicatifs sur les figures 5a et 5b. Elles sont de préférence métalliques. Il peut s'agir d'ailettes droites triangulaires ou rectangulaires, d'ailettes décalées (également dénommées ailettes « OSF », de l'anglais « Offset Strip Fins »), ou encore d'ailettes à persiennes. Alternativement, comme cela a été représenté schématiquement sur la figure 5c, il peut s'agir d'une structure métallique en mousse, du type plaque percée ou non de trous favorisant l'écoulement du second fluide. Le premier fluide est préférentiellement celui à refroidir. Il s'agit typiquement de l'eau ou de l'eau glycolée. Des adjuvants (inhibiteur de corrosion, antibactérien, anti-moussant, etc.) adaptés aux matériaux du circuit de refroidissement et connus de l'homme du métier, peuvent être ajoutés au liquide. Alternativement, le premier fluide à refroidir peut être de la vapeur, l'échangeur de chaleur fonctionnant alors en tant que condenseur. La vapeur peut alors être de l'eau, un hydrocarbure fluoré ou non, un alcool, ou tout autre fluide connu de l'homme de l'art pour être utilisé en condensation.
Le fluide secondaire, qui est alors le fluide froid, est quant à lui préférentiellement l'air ambiant, mais peut être tout autre gaz. Le matériau à changement de phase remplissant les seconds canaux 16b est de préférence une paraffine. En variante, tout autre matériau à changement de phase connu de l'homme du métier, 12 organiques ou inorganiques, peut être envisagé, tels que ceux décrits dans le document Zalba B et al., « Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications », 5 Applied Thermal Engineering, 23, pp 251-283, 2003. Les profils extrudés 12, par nature réalisés d'une seule pièce, ainsi que les ailettes des zones 6, sont de préférence en alliage d'aluminium. En variante, il peut être utilisé tout type de matériau à 10 extruder présentant une bonne conductivité thermique, tels que les métaux, les polymères chargés, les céramiques, etc. A présent, il va être décrit l'une des extrémités 10 de l'échangeur 1, particulièrement en 15 référence aux figures 2 et 4. Chaque extrémité présente tout d'abord une plaque 22 d'isolation entre l'air et le matériau à changement de phase. Cette plaque 22 est en appui contre les extrémités des zones 6 qu'elle obture. En 20 revanche, des trouées 24 sont prévues sur cette plaque pour libérer l'accès aux profilés 12. Les parois 14a et 14d peuvent être prolongées pour venir en appui sur la tranche de la plaque 22. En appui sur cette plaque 22, il est agencé 25 un boîtier intermédiaire 26 en forme de cadre, sur lequel est plaquée une autre plaque 28 d'isolation entre le matériau à changement de phase et le premier fluide. Cette plaque 28 est en appui contre les extrémités des zones 4 qu'elle obture. De plus, des 30 fentes 30 sont prévues sur cette plaque pour permettre le passage d'une extension des zones 2 des profilés 12. 13 Ces extensions 32 peuvent être rapportées sur les profilés 12, ou bien, de préférence, réalisées d'une seule pièce avec ces derniers. Les extensions 32 débouchent alors dans un boîtier terminal 34 plaqué contre la plaque 28. Il est alors prévu des moyens 50 d'amenée du premier fluide dans l'espace 52 défini par le boîtier 34 et la plaque 28, espace communiquant avec les extensions 32 de manière à alimenter les canaux 16a de circulation du premier fluide. De manière analogue, il est prévu des moyens 54 d'introduction du matériau à changement de phase dans l'espace 56 défini par le boîtier 26 et la plaque 24, espace communiquant avec les zones 4 de manière à remplir les canaux 16b de stockage du matériau à changement de phase. A cet égard, il est indiqué qu'une fois l'échangeur fabriqué, le matériau à changement de phase reste confiné dans les canaux 16b et les espaces 60 précités.
Deux parois latérales 41 sont également prévues en appui sur les zones 6, respectivement agencées aux deux extrémités opposées de l'empilement. Elles sont par exemple mises à profit pour assurer l'arrivée du second fluide dans ces zones 6, ainsi que sa sortie. Selon un second mode de réalisation préféré de l'invention représenté sur la figure 6, les profilés 12 sont raccordés entre eux par des pontets 60. Dans ce cas de figure, les profilés 12 et les pontets 60 sont de préférence réalisés d'une seule pièce, par extrusion. Dans un tel cas, les bandes de liaison entre 14 les profilés 12 s'étendent sur toute la longueur de ces derniers après l'opération d'extrusion, puis sont ensuite usinées pour faire apparaitre des passages 62 du second fluide entre les pontets restants 60.
Les zones 6 entre les profilés 12 sont laissées libres pour le passage du second fluide. L'échange thermique peut être amélioré par la présence d'une structure / plaque en mousse 70 déportée et brasée, par exemple sous la structure profilée, avec des mousses telles que celles décrites en référence aux figures 5a à 5c. Enfin, deux extrémités identiques ou similaires à l'extrémité 10 décrite ci-dessus sont également prévues sur cet échangeur 1.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs. 25

Claims (13)

  1. REVENDICATIONS1. Echangeur de chaleur (1) entre un premier fluide et un second fluide, ledit échangeur comprenant au moins . - une zone (2) de circulation du premier fluide ; - deux zones (4) de stockage d'un matériau à changement de phase, respectivement agencées de part et d'autre de ladite zone (2) de circulation du premier fluide, ladite zone de circulation du premier fluide et lesdites deux zones de stockage du matériau à changement de phase formant une structure élémentaire (12) ; et - deux zones (6) de circulation du second fluide, respectivement agencées de part et d'autre de ladite structure élémentaire (12), de sorte que ladite zone de circulation du premier fluide, lesdites deux zones de stockage du matériau à changement de phase, et lesdites deux zones de circulation du second fluide soient empilées, caractérisé en ce que ladite structure élémentaire comprend un profilé (12) intégrant au moins un premier canal (16a) formant ladite zone (2) de circulation du premier fluide, ainsi qu'au moins deux seconds canaux (16b) formant respectivement lesdites deux zones (4) de stockage du matériau à changement de phase.
  2. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit profilé 16 comprend successivement une première (14a), une seconde (14b), une troisième (14c) et une quatrième parois (14d) de préférence parallèles entre elles, la première et la seconde parois (14a, 14b) définissant entre elles au moins l'un desdits seconds canaux (16b), la seconde et la troisième parois (14b, 14c) définissant entre elles ledit au moins un premier canal (16a), et la troisième et la quatrième parois (14c, 14d) définissant entre elles au moins un autre desdits seconds canaux (16b).
  3. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les première et seconde parois (14a, 14b) sont reliées l'une à l'autre par au moins trois parois de jonction (20b), de même que les troisième et quatrième parois (14c, 14d) sont reliées l'une à l'autre par au moins trois parois de jonction (20b).
  4. 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites première, seconde, troisième et quatrième parois parallèles (14a-14d) sont orthogonales auxdites parois de jonction (20b).
  5. 5. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque zone (6) de circulation du second fluide comprend une structure à ailettes, ou une structure en mousse, de préférence métallique. 17
  6. 6. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit premier fluide est liquide, et en ce que ledit second fluide est gazeux.
  7. 7. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit premier fluide est un liquide susceptible d'être sous forme gazeuse et/ou liquide en fonctionnement, et en ce que ledit second fluide est gazeux.
  8. 8. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit matériau à changement de phase est une paraffine.
  9. 9. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de profilés (12) empilés de manière à ce que chacun de ces profilés délimite, avec un profilé directement consécutif, une zone (6) de circulation du second fluide.
  10. 10. Echangeur de chaleur selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits profilés (12) sont raccordés entre eux par des pontets (60).
  11. 11. Echangeur de chaleur selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdits 18 profilés (12) et lesdits pontets (60) sont réalisés d'une seule pièce.
  12. 12. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon l'une quelconque de revendications précédentes, comprenant l'utilisation d'un profilé (12) pour réaliser chaque structure élémentaire de l'échangeur.
  13. 13. Utilisation d'un échangeur de chaleur selon l'une quelconque de revendications 1 à 11, pour le refroidissement de composants d'électronique de puissance dans les moyens de transport.15
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