FR3019632A1

FR3019632A1 - AIR-LIQUID COOLING EQUIPMENT WITH FAN

Info

Publication number: FR3019632A1
Application number: FR1452925A
Authority: FR
Inventors: Rio Fabien Del; Rene Salvador; Thierry Fontalbat; Christophe Castelli
Original assignee: Technofan SA
Current assignee: Safran Ventilation Systems SAS
Priority date: 2014-04-02
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2015-10-09
Anticipated expiration: 2034-04-02
Also published as: FR3019632B1

Abstract

Cet équipement (14) de refroidissement comporte : - un ventilateur (30) comportant une enveloppe (40) et une hélice (46) rotative dans l'enveloppe (40) suivant l'axe de ladite enveloppe (40) ; et - un échangeur gaz-liquide (32) disposé dans le prolongement de l'enveloppe (40), lequel échangeur (32) délimite un réseau de conduites (52) de circulation d'un liquide caloporteur, au travers duquel un gaz peut circuler sous l'effet du ventilateur (30). L'équipement de refroidissement comporte au moins un conduit (60) de circulation du liquide caloporteur ménagé dans l'épaisseur de ladite enveloppe (40) au-delà de l'échangeur (32), le ou chaque conduit (60) prolongeant le réseau de conduites (52) de circulation du liquide caloporteur dans l'échangeur.This cooling device (14) comprises: - a fan (30) comprising a casing (40) and a helix (46) rotatable in the casing (40) along the axis of said casing (40); and a gas-liquid exchanger (32) disposed in the extension of the envelope (40), which exchanger (32) delimits a network of conduits (52) for circulating a heat-transfer liquid, through which a gas can circulate under the effect of the fan (30). The cooling equipment comprises at least one conduit (60) for circulating the coolant liquid formed in the thickness of said envelope (40) beyond the exchanger (32), the or each conduit (60) extending the network. pipes (52) for circulating the coolant in the exchanger.

Description

Equipement de refroidissement air-liquide à ventilateur La présente invention concerne un équipement de refroidissement comportant : - un ventilateur comportant une enveloppe et une hélice rotative dans l'enveloppe suivant l'axe de ladite enveloppe ; - un échangeur gaz-liquide disposé dans le prolongement de l'enveloppe, lequel échangeur délimite un réseau de conduites de circulation d'un liquide caloporteur, au travers duquel un gaz peut circuler sous l'effet du ventilateur. Il est connu d'assurer le refroidissement d'une turbine d'hélicoptère ou de sa boite de transmission par circulation d'un liquide caloporteur au travers de la turbine. Pour assurer le refroidissement du liquide caloporteur, celui-ci est mis en circulation au travers d'un échangeur air-liquide. Un flux d'air est imposé au travers de l'échangeur par un ventilateur mécanique entraîné par exemple par la turbine de l'hélicoptère ou la boite de transmission. Ce ventilateur comporte classiquement une entrée d'admission axiale en son centre, en amont de laquelle est placé l'échangeur. L'échangeur est généralement en forme de brique, c'est-à-dire parallélépipédique. Il comporte un ensemble de plaques d'échange au travers desquelles circule l'air de refroidissement. Chaque plaque est parcourue par un ensemble de conduites de circulation du liquide caloporteur.The present invention relates to a cooling equipment comprising: a fan comprising an envelope and a rotating helix in the envelope along the axis of said envelope; - A gas-liquid exchanger disposed in the extension of the envelope, which exchanger defines a network of pipes for circulating a coolant, through which a gas can flow under the effect of the fan. It is known to ensure the cooling of a helicopter turbine or its transmission box by circulating a heat transfer liquid through the turbine. To cool the heat transfer liquid, it is circulated through an air-liquid exchanger. A flow of air is imposed through the exchanger by a mechanical fan driven for example by the turbine of the helicopter or the gearbox. This fan conventionally comprises an axial inlet inlet at its center, upstream of which is placed the exchanger. The exchanger is generally brick-shaped, that is to say parallelepipedic. It comprises a set of exchange plates through which circulates the cooling air. Each plate is traversed by a set of liquid coolant circulation lines.

Un tel agencement est relativement encombrant. L'invention a pour but de proposer un équipement de refroidissement d'un encombrement plus réduit avec une masse plus faible pour une performance identique. A cet effet, l'invention a pour objet un équipement de refroidissement du type précité, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un conduit de circulation du liquide caloporteur ménagé dans l'épaisseur de ladite enveloppe au-delà de l'échangeur, le ou chaque conduit prolongeant le réseau de conduites de circulation du liquide caloporteur dans l'échangeur. Suivant un mode particulier de réalisation, l'équipement de refroidissement comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - ledit au moins un conduit comporte un faisceau de conduits élémentaires s'étendant longitudinalement suivant la direction de l'axe de l'hélice du ventilateur ; - ledit au moins un conduit comporte au moins un conduit en forme de serpentin dessinant une hélice ayant pour axe, l'axe de l'hélice du ventilateur ; - ledit réseau de circulation du liquide caloporteur dans l'échangeur et le ou chaque conduit sont dimensionnés pour que la quantité de chaleur évacuée du liquide caloporteur lors de la circulation dans ledit au moins un conduit est comprise entre 1/20 et 1/3 de la quantité de chaleur totale évacuée du liquide caloporteur lors de sa circulation dans le réseau de conduites de l'échangeur ; - l'échangeur et une entrée du ventilateur à laquelle est connecté l'échangeur présentent des sections transversales au sens de circulation de l'air sensiblement identiques ; - l'échangeur et l'entrée du ventilateur ont des sections circulaires sensiblement identiques ; et - l'échangeur est de forme extérieure essentiellement cylindrique et est monté avec son axe disposé suivant l'axe de rotation du ventilateur.Such an arrangement is relatively bulky. The object of the invention is to propose a cooling equipment of a smaller size with a smaller mass for identical performance. For this purpose, the subject of the invention is a cooling equipment of the aforementioned type, characterized in that it comprises at least one heat transfer liquid circulation duct formed in the thickness of said casing beyond the exchanger, the or each duct extending the network of heat transfer fluid circulation pipes in the exchanger. According to a particular embodiment, the cooling equipment comprises one or more of the following characteristics: said at least one duct comprises a bundle of elementary ducts extending longitudinally in the direction of the axis of the propeller of the fan; said at least one duct comprises at least one serpentine-shaped duct which draws a helix having as its axis the axis of the fan propeller; said heat transfer liquid circulation network in the exchanger and the or each duct are dimensioned so that the quantity of heat discharged from the heat-transfer liquid during circulation in the said at least one duct is between 1/20 and 1/3 of the total amount of heat removed from the coolant as it flows through the exchanger pipe network; the exchanger and an inlet of the fan to which the exchanger is connected have cross sections in the direction of air circulation that are substantially identical; the heat exchanger and the fan inlet have substantially identical circular sections; and the exchanger has a substantially cylindrical outer shape and is mounted with its axis arranged along the axis of rotation of the fan.

L'invention a également pour objet une installation comportant : - une source de chaleur traversée par un circuit de circulation d'un fluide caloporteur ; et - un équipement selon l'une quelconque des revendications précédentes relié au circuit de la source de chaleur.The invention also relates to an installation comprising: a heat source traversed by a circulation circuit of a heat transfer fluid; and an equipment according to any one of the preceding claims connected to the circuit of the heat source.

Suivant un mode particulier de réalisation, l'installation comporte une ou plusieurs caractéristiques suivantes : - ladite installation comporte des moyens pour assurer une circulation du liquide caloporteur au travers dudit au moins un conduit ménagé dans l'enveloppe vers le réseau de conduites de l'échangeur ; et - la circulation du liquide caloporteur et du gaz dans l'échangeur sont en sens opposés. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'une installation comportant un équipement de refroidissement selon l'invention dans le cas où le ventilateur est centrifuge avec une volute de rejet de l'air ; et - la figure 2 est une vue en coupe schématique de l'installation de la figure 1 ; et - la figure 3 est une vue identique à celle de la figure 2 d'une variante de réalisation.According to a particular embodiment, the installation comprises one or more of the following characteristics: said installation comprises means for ensuring a circulation of the coolant liquid through said at least one conduit formed in the envelope towards the pipe network of the exchanger; and the circulation of the coolant and the gas in the exchanger are in opposite directions. The invention will be better understood on reading the description which follows, given solely by way of example and with reference to the drawings, in which: FIG. 1 is a perspective view of an installation comprising cooling according to the invention in the case where the fan is centrifuged with an air discharge volute; and - Figure 2 is a schematic sectional view of the installation of Figure 1; and - Figure 3 is a view identical to that of Figure 2 of an alternative embodiment.

L'installation de propulsion 10 illustrée sur la figure 1 est intégrée par exemple dans un hélicoptère. Elle comporte une source de chaleur 12 formée par exemple par une turbine d'hélicoptère ou la boite de transmission. Cette turbine est associée à un équipement 14 de refroidissement d'un liquide caloporteur circulant au travers de la turbine 12 pour son propre refroidissement.The propulsion plant 10 illustrated in Figure 1 is integrated for example in a helicopter. It comprises a heat source 12 formed for example by a helicopter turbine or transmission box. This turbine is associated with equipment 14 for cooling a coolant circulating through the turbine 12 for its own cooling.

Ainsi, la turbine 12 comporte un circuit interne de circulation du fluide caloporteur dont une entrée 16 et une sortie 18 sont représentées sur les figures 1 et 2.Thus, the turbine 12 comprises an internal circulation circuit of the heat transfer fluid, an inlet 16 and an outlet 18 are shown in Figures 1 and 2.

Ces entrée 16 et sortie 18 sont reliées, par des conduites adaptées, respectivement à une sortie 20 et à une entrée 22 de l'équipement de refroidissement 14. Avantageusement, une pompe 24 de mise en circulation du liquide caloporteur est installée sur une conduite entre la turbine 12 et l'équipement de refroidissement 14.These input 16 and output 18 are connected, by suitable conduits, respectively to an outlet 20 and an inlet 22 of the cooling equipment 14. Advantageously, a pump 24 for circulating the heat transfer liquid is installed on a pipe between the turbine 12 and the cooling equipment 14.

L'équipement de refroidissement 14 comporte principalement un ventilateur 30, un échangeur gaz-liquide 32 placé en entrée du ventilateur et un divergent 34 d'évacuation de l'air en sortie du ventilateur 30. Dans le mode de réalisation représenté, le ventilateur 30 est un ventilateur centrifuge (également axial ou mixte). Il comporte une enveloppe tubulaire 40 formant une volute comportant une entrée axiale 41 et s'ouvrant tangentiellement dans le divergent 34 par une sortie latérale 42 dans le cas où le ventilateur est centrifuge. L'enveloppe 40 délimite une ouverture axiale d'entrée 43 du ventilateur qui prolonge une virole 44 formant l'enveloppe de l'échangeur 32. En variante, le ventilateur est mixte ou axial. Dans les applications où le ventilateur est purement axial, l'air est aspiré à travers l'échangeur en son centre et rejeté en son centre en aval. L'air impacte donc la turbine 12 avant de se disperser. La virole 44 est dans ce cas remplacée par un corps cylindrique simple et le conduit d'évacuation 34 est alors supprimé. La virole 44 délimite une veine d'air généralement cylindrique s'étendant suivant l'axe X-X de l'échangeur. Une hélice de ventilateur 46 est disposée à l'intérieur de la veine d'air suivant l'axe X-X dans l'espace délimité par l'enveloppe tubulaire 40. Cette hélice 46 comporte des pales 48 mobiles en rotation autour de l'axe X-X. L'hélice est reliée pour son entraînement à un arbre 50 de la turbine 12. L'échangeur 32 présente une forme extérieure généralement cylindrique. Sa section est sensiblement identique à la section de l'entrée 43 du ventilateur telle que définie au travers de l'enveloppe 40 du ventilateur. Il est monté suivant l'axe X-X du ventilateur 30. L'échangeur 32 comporte, comme connu en soi, un réseau de conduites 52 porté par des plaques. Les plaques délimitent entre elles des passages de circulation pour l'air. Les conduites formant le réseau 52 sont reliées à une extrémité, à l'entrée 20, de l'échangeur par une couronne de collecte 54. Le réseau de conduites 52 se prolonge par un ensemble de conduits élémentaires 60 ménagés dans l'épaisseur de l'enveloppe 40 sur l'essentiel de la longueur axiale de celle-ci. Les conduits élémentaires 60 s'étendent sensiblement parallèlement à l'axe X-X du ventilateur. En variante, les conduites forment un ou plusieurs serpentins disposés sous forme d'hélice dans la viole 44 de l'échangeur. Ils sont reliés à la sortie 22 par un collecteur 62 dans lequel les sorties des conduits élémentaires 60 débouchent hors de l'enveloppe 40. Ce collecteur 62 est relié à l'ensemble des conduits 60. Ces conduits élémentaires 60 forment ainsi un faisceau de conduites parallèles les unes aux autres disposées suivant la périphérie de l'enveloppe généralement cylindrique 40. En variante, les conduites 60 forment un faisceau d'hélices dans le cas d'une forme de serpentin. L'hélice 48 est conformée pour assurer une circulation d'air d'abord au travers de l'échangeur 32 puis au travers du ventilateur 30 et enfin au travers du divergent d'évacuation 34. De préférence, le liquide caloporteur circule au travers de l'équipement de refroidissement 14 en sens opposé au sens de circulation de l'air. Avantageusement, l'enveloppe 40 de l'échangeur est réalisée en métal. Les proportions entre le réseau de l'échangeur 32 et les conduites élémentaires 60 du ventilateur sont telles que la quantité de chaleur évacuée par le liquide caloporteur lors de la circulation dans les conduites élémentaires 60 est comprise entre 1/20 et 1/3 de la quantité de chaleur totale évacuée du liquide caloporteur lors de la circulation dans le réseau 52 de l'échangeur. Ainsi, par exemple, en fonctionnement, le liquide caloporteur entre dans les conduits élémentaires 60 à une température de 150°C et pénètre en sortie des conduits élémentaires 60 dans l'échangeur 32, à une température de 140°C. La température de sortie de l'échangeur du liquide caloporteur est par exemple égale à 110°C On comprend qu'avec un tel agencement, l'enveloppe 40, équipée des conduites 60 de circulation du liquide caloporteur prolongeant le réseau de l'échangeur 52, participe à l'évacuation de la chaleur. Ainsi, l'échangeur 32 peut être de dimensions inférieures.The cooling equipment 14 mainly comprises a fan 30, a gas-liquid exchanger 32 placed at the inlet of the fan and a divergent outlet 34 of the air at the outlet of the fan 30. In the embodiment shown, the fan 30 is a centrifugal fan (also axial or mixed). It comprises a tubular envelope 40 forming a volute having an axial inlet 41 and opening tangentially in the divergent 34 by a side outlet 42 in the case where the fan is centrifugal. The envelope 40 defines an axial inlet opening 43 of the fan which extends a shell 44 forming the envelope of the exchanger 32. In a variant, the fan is mixed or axial. In applications where the fan is purely axial, the air is drawn through the exchanger at its center and rejected at its center downstream. The air thus impacts the turbine 12 before dispersing. The shell 44 is in this case replaced by a simple cylindrical body and the exhaust duct 34 is then removed. The shell 44 delimits a generally cylindrical air stream extending along the X-X axis of the exchanger. A fan impeller 46 is disposed inside the air duct along the axis XX in the space delimited by the tubular casing 40. This propeller 46 comprises blades 48 movable in rotation around the axis XX . The propeller is connected for its drive to a shaft 50 of the turbine 12. The exchanger 32 has a generally cylindrical outer shape. Its section is substantially identical to the section of the inlet 43 of the fan as defined through the envelope 40 of the fan. It is mounted along the X-X axis of the fan 30. The exchanger 32 comprises, as known per se, a pipe network 52 carried by plates. The plates delimit between them circulation passages for the air. The ducts forming the network 52 are connected at one end, at the inlet 20, of the exchanger by a collection ring 54. The duct network 52 is extended by a set of elementary ducts 60 formed in the thickness of the duct. envelope 40 over most of the axial length thereof. The elementary ducts 60 extend substantially parallel to the X-X axis of the fan. Alternatively, the pipes form one or more coils arranged in the form of a helix in the hole 44 of the exchanger. They are connected to the outlet 22 by a collector 62 in which the outputs of the elementary ducts 60 open out of the casing 40. This collector 62 is connected to all the ducts 60. These elementary ducts 60 thus form a bundle of ducts. parallel to each other disposed along the periphery of the generally cylindrical casing 40. In a variant, the ducts 60 form a helical bundle in the case of a serpentine form. The propeller 48 is shaped to ensure an air flow first through the exchanger 32 and then through the fan 30 and finally through the discharge divergent 34. Preferably, the coolant circulates through the cooling equipment 14 in the opposite direction to the direction of air circulation. Advantageously, the envelope 40 of the exchanger is made of metal. The proportions between the network of the exchanger 32 and the elementary ducts 60 of the fan are such that the amount of heat discharged by the heat transfer liquid during circulation in the elementary ducts 60 is between 1/20 and 1/3 of the total amount of heat removed from the coolant during circulation in the network 52 of the exchanger. Thus, for example, in operation, the coolant enters the elementary ducts 60 at a temperature of 150 ° C and enters the outlet of the elementary ducts 60 in the exchanger 32, at a temperature of 140 ° C. The exit temperature of the exchanger of the heat transfer liquid is, for example, equal to 110 ° C. It is understood that with such an arrangement, the casing 40 equipped with the pipes 60 for circulating the heat transfer fluid prolonging the network of the exchanger 52 , participates in the evacuation of heat. Thus, the exchanger 32 may be of smaller dimensions.

De même, l'échangeur 32 ayant une section sensiblement identique et de préférence égale à celle de la section intérieure de l'enveloppe tubulaire 40 du ventilateur, la circulation de l'air au travers de l'échangeur est optimale sur toute la section de celui-ci, permettant de réduire encore les dimensions de l'échangeur. Sur la figure 3 est représentée une installation équipée d'un ventilateur purement axial. Sur cette figure, les éléments identiques ou correspondants sont désignés par les mêmes numéros de référence que ceux des figures 1 et 2. Le ventilateur 30 a une entrée 141 et une sortie 142 disposées de part et d'autre de l'hélice 46 coaxialement suivant l'axe X-X du ventilateur et de l'échangeur.Similarly, the exchanger 32 having a substantially identical section and preferably equal to that of the inner section of the tubular casing 40 of the fan, the flow of air through the exchanger is optimal over the entire section of this one, to further reduce the dimensions of the exchanger. In Figure 3 is shown an installation equipped with a purely axial fan. In this figure, the identical or corresponding elements are designated by the same reference numbers as those of Figures 1 and 2. The fan 30 has an inlet 141 and an outlet 142 disposed on either side of the impeller 46 coaxially following the axis XX of the fan and the exchanger.

De préférence, la différence entre les sections internes du ventilateur et de l'échangeur est inférieure à 5%.Preferably, the difference between the internal sections of the fan and the exchanger is less than 5%.

Le réseau de conduites 52 de l'échangeur 32 s'étend complétement dans le prolongement de l'orifice de l'enveloppe 40 du ventilateur 30 prolongé par l'échangeur 32. La sortie 142 s'ouvre en regard de la turbine 12. Les sections de l'entrée 141 et de la sortie 142 sont identiques à la section interne de l'enveloppe 40 du ventilateur 30. Ainsi, l'enveloppe du ventilateur présente intérieurement une forme cylindrique de son entrée à sa sortie. Sa section est de préférence circulaire dans le plan perpendiculaire à l'axe X-X. En variante, elle est polygonale. La section interne de l'enveloppe 40 du ventilateur est en tout point de l'axe X-X sensiblement égale à la section interne de l'échangeur 32. Extérieurement, le ventilateur 40 et l'échangeur 32 sont de forme cylindrique et sont disposés coaxialement dans le prolongement l'un de l'autre. L'échangeur ou le ventilateur est disposé dans le prolongement de l'encombrement de l'autre du ventilateur et de l'échangeur.The pipe network 52 of the exchanger 32 extends completely in the extension of the orifice of the casing 40 of the fan 30 extended by the exchanger 32. The outlet 142 opens opposite the turbine 12. sections of the inlet 141 and the outlet 142 are identical to the inner section of the casing 40 of the fan 30. Thus, the fan casing has a cylindrical interior shape from its inlet to its outlet. Its section is preferably circular in the plane perpendicular to the X-X axis. In a variant, it is polygonal. The internal section of the envelope 40 of the fan is at every point of the axis XX substantially equal to the internal section of the exchanger 32. Externally, the fan 40 and the exchanger 32 are of cylindrical shape and are arranged coaxially in the extension of one another. The exchanger or the fan is arranged in the extension of the space of the other of the fan and the exchanger.

Avantageusement, la différence de section extérieure entre le ventilateur et l'échangeur est inférieure à 10% et la différence entre les diamètres extérieurs du ventilateur et de l'échangeur suivant toute section transversale passant par l'axe est inférieure à 5%. Dans ces conditions, l'encombrement de l'équipement est réduit, toute la section de l'échangeur étant utilisée pour assurer le refroidissement.Advantageously, the difference in outer section between the fan and the exchanger is less than 10% and the difference between the outer diameters of the fan and the exchanger according to any cross section passing through the axis is less than 5%. Under these conditions, the size of the equipment is reduced, the entire section of the exchanger being used to provide cooling.

Claims

1. Equipment (14) for cooling comprising: - a fan (30) having a casing (40) and a helix (46) rotatable in the casing (40) along the axis of said casing (40); - A gas-liquid exchanger (32) disposed in the extension of the casing (40), which exchanger (32) defines a network of pipes (52) for circulating a coolant liquid, through which a gas can flow under the effect of the fan (30), characterized in that it comprises at least one conduit (60) for circulating the coolant liquid formed in the thickness of said envelope (40) beyond the exchanger (32), the or each duct (60) extending the pipe network (52) for circulating the coolant in the exchanger.

2. Equipment according to claim 1, characterized in that said at least one duct (60) comprises a bundle of elementary ducts (60) extending longitudinally in the direction of the axis (XX) of the propeller (46). ) of the fan (30).

3.- Equipment according to claim 1, characterized in that said at least one conduit (60) comprises at least one serpentine-shaped duct drawing a helix having as its axis, the axis of the propeller (46) of the fan ( 30).

4. Equipment according to any one of the preceding claims, characterized in that said network (52) for circulating the coolant in the heat exchanger (32) and the or each duct (60) are sized so that the amount of heat discharged from the heat transfer fluid during circulation in the at least one duct (60) is between 1461/20 and 1/3 of the total amount of heat discharged from the coolant as it circulates in the duct system (52) of the exchanger (32).

5.- Equipment according to any one of the preceding claims, characterized in that the exchanger (32) and an inlet (43) of the fan (30) to which is connected the exchanger (32) have cross sections to the sense substantially identical air circulation.

6. Equipment according to claim 5, characterized in that the exchanger (32) and the inlet (43) of the fan have substantially identical circular sections.

7. Equipment according to any one of the preceding claims, characterized in that the exchanger is substantially cylindrical outer shape and is mounted with its axis disposed along the axis of rotation of the fan (30).

8.- Installation (10) comprising: - a heat source (12) traversed by a heat transfer fluid circulating circuit and - an equipment (14) according to any preceding claim connected to the circuit of the source of heat.

9.- Installation according to claim 8, characterized in that it comprises means (24) for circulating heat transfer liquid through said at least one conduit (60) formed in the casing (40) to the network of pipes (52) of the exchanger (32).

10.- Installation according to claim 8 or 9, characterized in that the circulation of the coolant and gas in the exchanger (32) are in opposite directions.