FR3043187B1 - Batterie thermique a chaleur latente pour automobile - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une batterie thermique à chaleur latente, notamment pour véhicule automobile, comprenant une enveloppe extérieure (20) et un corps d'échange de chaleur (22), situé dans ladite enveloppe (20), ledit corps comprenant un faisceau de tubes (2) et une pluralité d'ailettes (4) s'étendant à partir desdits tubes (2), l'un parmi ledit faisceau de tubes (2) ou ladite enveloppe extérieure (20) étant configuré pour laisser circuler un fluide caloporteur et l'autre pour contenir à demeure un matériau (6) apte à changer de phase sous l'effet d'un échange thermique avec ledit fluide caloporteur, les tubes (2) présentant une section droite de forme arrondie et lesdites ailettes (4) présentant des trous de passage des tubes (2), lesdits trous de passage présentant une forme complémentaire à celle des tubes (2). Elle concerne encore un module et un dispositif de chauffage utilisant une telle batterie.

Description

La présente invention concerne une batterie thermique à chaleur latente, un module de chauffage utilisant une telle batterie et un dispositif de chauffage utilisant une telle batterie et/ou un tel module. Elle trouvera ses applications dans le domaine des véhicules automobiles, notamment des véhicules automobiles à système de traction partiellement ou totalement électrique. Elle est plus particulièrement destinée au chauffage ou au refroidissement de l’habitacle desdit véhicules.

Actuellement, pour les véhicules à moteur thermique, tel que moteur essence ou diesel, il est connu de refroidir le moteur à l’aide d’un circuit utilisant un fluide caloporteur qui, après avoir été chauffé en traversant le moteur peut être envoyé non seulement vers un radiateur de refroidissement dudit fluide mais aussi vers un radiateur de chauffage servant à réchauffer l’habitacle du véhicule.

Dans les véhicules électriques, on considère aujourd’hui que les systèmes d’entraînement des véhicules, notamment les machines électriques et leur dispositif de commande, dissipent trop peu de chaleur pour assurer de la sorte un chauffage satisfaisant de l’habitacle.

Le problème peut se poser de la même façon, même si c’est dans une moindre mesure, dans les véhicules à traction hybride, c’est-à-dire, combinant un moteur thermique et une machine électrique pour assurer l’entraînement du véhicule.

Il a ainsi été proposé d’utiliser des résistances électriques, alimentées à partir des batteries électriques du véhicule, pour assurer un chauffage de l’habitacle. Cependant, le bon fonctionnement de cette solution dépend de l’état de charge des batteries électriques.

Il y a donc de plus en plus de développement autour de la récupération d’énergie dans le domaine automobile, notamment dans la recherche de stockage de chaleur. A cette fin, ont été proposées des batteries à chaleur latente, c’est-à-dire, des batteries permettant de stocker et de restituer de la chaleur par l’intermédiaire d’un matériau à changement de phase.

Ce type d’accumulateur de chaleur est généralement constitué d’un échangeur brasé, soit à plaques, soit à tubes rectangulaires ou plats, dans lequel circule le fluide à réchauffer ou à refroidir. Autour de cet échangeur on retrouve une chambre étanche, le plus souvent métallique, soudée sur ou autour de l’échangeur. Mais la réalisation de ces accumulateurs se heurte à différents problèmes.

En particulier, le fait de braser des composants en aluminium, matériau communément utilisé pour ces équipements, oblige d’utiliser des flux de brasage. Mais ces flux constituent un polluant qui doit être éliminé par nettoyage avant le remplissage du volume par le matériau à changement de phase.

En outre, ces échangeurs brasés sont sensibles aux dilatations et aux cycles ou chocs thermiques.

Il existe donc un besoin pour réaliser des batteries à chaleur latente qui ne présente pas au moins certains des inconvénients ci-dessus. A cette fin, l'invention porte sur une batterie thermique à chaleur latente, notamment pour véhicule automobile, comprenant une enveloppe extérieure et un corps d'échange de chaleur, situé dans ladite enveloppe, ledit corps comprenant un faisceau de tubes et une pluralité d'ailettes s'étendant à partir desdits tubes, l’un parmi ledit faisceau de tubes ou ladite enveloppe extérieure étant configuré pour laisser circuler un fluide caloporteur et l’autre pour contenir à demeure un matériau apte à changer de phase sous l’effet d’un échange thermique avec ledit fluide caloporteur.

Selon l’invention, les tubes présentent une section droite de forme arrondie et lesdites ailettes présentent des trous de passage des tubes, lesdits trous de passage présentant une forme complémentaire à celle des tubes. Autrement dit, lesdits trous de passage présentent une forme permettant d’établir un contact continue entre lesdits tubes et lesdites ailettes sur l’ensemble de la périphérie desdits trous de passage. A titre d’exemple, ladite pluralité d’ailettes est fixée sur lesdits tubes par un assemblage mécanique. On entend par assemblage mécanique tout assemblage résultant d’une expansion radiale des tubes provoquant une liaison mécanique avec les ailettes au niveau du pourtour des orifices de passage desdits tubes.

Un tel type d'assemblage, qui exclut de la sorte le brasage et le soudage, permet d'éviter l'utilisation des flux de brasage qui font office de polluants. Il permet en outre de disposer de corps d’échange de chaleur qui sont moins sensibles aux phénomènes de dilatations thermiques.

Préférentiellement le faisceau de tubes est configuré pour permettre la circulation dudit fluide et ladite enveloppe est configurée pour maintenir à demeure ledit matériau.

Dans un mode particulier de réalisation la batterie comprend en outre une première boîte collectrice en communication fluidique avec ledit faisceau, dans laquelle les tubes sont fixés sur une paroi de ladite boite, notamment par assemblage mécanique, avec interposition d’un joint élastomère entourant lesdits tubes et assurant l'étanchéité au niveau de leur traversée de ladite paroi.

Avantageusement la batterie comprend une seconde boite collectrice, en communication fluidique avec ledit faisceau et située du côté desdits tubes opposé à la première boite, les tubes du faisceau étant fixés sur une paroi de ladite seconde boite, notamment par assemblage mécanique, avec interposition d’un joint élastomère entourant lesdits tubes au niveau de leur traversée de ladite paroi de la seconde boite.

De façon préférentielle l'ensemble formé par ledit corps et ladite seconde boite est inséré dans, voire porté par ladite enveloppe. Ce choix entraîne une réduction de la liaison entre le corps d'échange de chaleur et les éléments de structure, ce qui améliore la souplesse de l'ensemble et sa résistance aux sollicitations mécaniques ou thermiques.

Avantageusement, la ou lesdites boîtes collectrices comprennent des couvercles assujettis à la ou auxdites parois de fixation des tubes.

De façon préférentielle la ou les parois de fixation des tubes sont réalisées en matière plastique. Ce matériau offre une meilleure isolation thermique que les matériaux métalliques traditionnels et offre une plus grande liberté de design.

De façon plus préférentielle le ou les couvercles de la ou des boites collectrices sont réalisées en matière plastique. Ils pourront être soudées à la ou auxdites parois de fixation des tubes par une soudure plastique.

Dans un mode préférentiel de réalisation tous les éléments, à l'exclusion du corps d'échange de chaleur, sont réalisés en matière plastique, ce qui permet de diminuer encore les éventuelles ponts thermiques vers l’extérieur.

Avantageusement au moins une des boites collectrices s'étend de façon à déborder des parois latérales de l'enveloppe extérieure, à laquelle elle est fixée par sertissage, notamment à l'aide d'une virole de sertissage en plastique.

Lesdites boîtes collectrices sont configurées pour permettre une circulation en I ou en U du fluide caloporteur dans ladite pluralité de tubes.

Avantageusement, les ailettes sont ondulées et/ou les tubes sont disposés en quinconce. L'invention porte également sur un module de chauffage ou de réfrigération, notamment pour véhicule automobile, comprenant une batterie thermique telle que décrite ci-dessus et sur un dispositif de chauffage d’un véhicule automobile à système d’entrainement partiellement ou totalement électrique comprenant un tel module de chauffage ou de réfrigération. L’invention sera mieux comprise à la lumière de la description suivante qui n’est donnée qu’à titre indicatif et qui n’a pas pour but de la limiter, accompagnée des dessins joints parmi lesquels : - la figure 1 illustre en perspective, partiellement éclatée, une batterie thermique selon l'invention, - la figure 2 illustre, de façon schématique et partielle, en vue de face, un faisceau de tubes formant le corps de la batterie de la figure 2, et - la figure 3 illustre, en vue de dessus, le faisceau de la figure 3, dans deux variantes de positionnement des tubes.

Comme illustré à la figure 1, l’invention concerne tout d’abord une batterie thermique 1, notamment pour véhicule automobile, comprenant, entre autres, une enveloppe extérieure 20, notamment un boîtier, dans laquelle est disposé un faisceau de tubes 2 d’échange de chaleur.

Ladite batterie 1 est configurée pour permettre un échange de chaleur entre un fluide caloporteur, par exemple un liquide caloporteur, en particulier de l’eau additionnée d’antigel, notamment du glycol, ici circulant au travers dudit faisceau et un matériau stockeur de calories, ici confiné dans ladite enveloppe extérieure 20. On réalise ainsi une batterie à chaleur latente qui convient à des applications automobile.

Ledit matériau stockeur de calories est constitué, préférentiellement, d’un matériau à changement de phase (MCP). Ce dernier est choisi de façon à ce que, lorsque la batterie est traversée par le liquide caloporteur prévu suffisamment chaud, c’est-à-dire à une température supérieure à la température de solidification du MCP, celui-ci fond et par conséquent emmagasine de la chaleur par changement de phase solide-liquide. L’énergie latente emmagasinée pourra alors être déstockée en faisant circuler dans la batterie le liquide caloporteur, prévu à une température inférieure à la température de fusion du MCP. L’enveloppe 20 accueille un corps 22, formé par le faisceau de tubes 2 et une pluralité d’ailettes 4 s’étendant à partir desdits tubes. Ici, le corps d’échange de chaleur baigne dans ledit matériau à changement de phase. Ladite enveloppe extérieure 20 est, par exemple, en plastique.

Ladite batterie comporte en outre ici deux boites collectrices qui sont situées de part et d'autre du corps 22. A sa partie supérieure, l'enveloppe extérieure est constituée par l’une desdites boites, dite boîte collectrice supérieure 3, réalisée en matière plastique, qui prolonge vers le haut le corps 22 et qui fait, par ailleurs, office de couvercle pour le boîtier 10. A sa partie inférieure, l'enveloppe extérieure 20 renferme l’autre boite collectrice, dite inférieure 13, qui prolonge vers le bas le corps 22, sur lequel elle est fixée, et qui est réalisée également en matière plastique.

Chaque boite collectrice 3 ou 13 est réalisée en deux parties, avec une plaque sensiblement plane, dénommé ci-après collecteur, respectivement 31 pour la boite collectrice supérieure et 131 pour la boite collectrice inférieure, et un couvercle 32, respectivement 132, qui s'étend transversalement aux tubes 2 du faisceau de transfert de chaleur. Entre ces deux parties, qui sont associées l'une à l'autre par une soudure circonférentielle 7, est laissé un espace pour la circulation du fluide caloporteur à l'entrée ou à la sortie des tubes d'échange de chaleur 2.

La partie soudée du collecteur supérieur 31 et du couvercle associé 32 déborde des parois latérales de l'enveloppe extérieure 20 et est posée sur une nervure 21 qui s'étend perpendiculairement à la paroi latérale de celle-ci. Ces deux éléments sont fixés l'un à l'autre par sertissage, à l'aide d'une virole de sertissage 8 qui les presse l'un contre l'autre et assure ainsi l'étanchéité du contenu de l'enveloppe 20 vis-à-vis de l'extérieur.

Sur le couvercle du collecteur supérieur 31 est fixé une bride d'entrée 35 et une bride de sortie (non représentée sur la figure) pour le fluide caloporteur. Ces tuyauteries sont mises, chacune, en relation avec une partie du volume interne de la boite collectrice supérieure 3, ces deux parties formant deux cavités disjointes : dans une cavité d'entrée débouche la bride d'entrée 35, et dans une cavité de sortie débouche la bride de sortie. Ces deux cavités sont séparées l'une de l'autre par une cloison (non représentée). Les tubes 2 du faisceau de tubes sont ainsi divisés en deux groupes, un premier groupe de tubes servant à faire passer le liquide caloporteur de la cavité d'entrée à la boite collectrice inférieure 13, et le second groupe faisant passer le liquide caloporteur de la boite collectrice inférieure 13 à la cavité de sortie de la boite collectrice supérieure 3. Ainsi le liquide passe de la température chaude (respectivement froide) dans la cavité d'entrée à une température intermédiaire dans la boite collectrice inférieure 13 pour revenir dans la boite collectrice supérieure 3 au niveau de sa cavité de sortie, à une température froide (respectivement chaude).

En ce qui concerne le corps 22 de la batterie à chaleur latente 1, il est constitué par un faisceau de tubes métalliques, préférentiellement en aluminium pour les qualités de bon conducteur de la chaleur de ce matériau. Ces tubes sont placés parallèlement les uns aux autres. Le faisceau occupe la quasi totalité de l'espace central de l'enveloppe extérieure 20. Sur ces tubes sont fixées les ailettes 4, en forme de plaques sensiblement planes, qui s'étendent perpendiculairement au tube 2 sur lequel elles sont fixées. Elles sont réalisées, elles aussi en matériau métallique, préférentiellement en aluminium, et sont au contact du tube 2 pour assurer une diffusion (ou une récupération) de la chaleur véhiculée par le liquide caloporteur. Ces ailettes sont positionnées tout le long des tubes, parallèlement les unes aux autres, en respectant un espacement régulier entre elles.

Dans les espaces laissés libres entre les ailettes 4 se trouve le matériau à changement de phase 6 qui constitue le réservoir de calories (ou de frigories), pour le fonctionnement de la batterie à chaleur latente. A cette fin un bouchon de remplissage 9 est mis en place sur une des parois de l'enveloppe extérieure 20, qui donne un accès à l'intérieur du corps 22. Par ce trou est injecté le matériau à changement de phase 6, sous sa forme liquide, lors de la fabrication de la batterie 1. Lorsqu'il convient de stocker des calories dans la batterie 1 le liquide caloporteur circule dans les tubes 2 et réchauffe les ailettes 4 qui font fondre le matériau à changement de phase. Inversement lorsqu'il convient de réchauffer le liquide caloporteur à partir d'une température très basse, sa circulation dans les tubes provoque le gel du matériau à changement de phase et la libération des calories qui sont alors récupérées par le liquide caloporteur.

La figure 2 montre, de façon schématique, le corps 22 de la batterie 1 avec des tubes 2 reliés les uns aux autres par une série de plaques formant les ailettes 4. A cette figure, les repères 4 visent une seule et même ailettes. Telles que représentée, une même ailette est ainsi traversée par plusieurs tubes qui sont expansés pour leur être fixées dessus. Les ailettes pourraient, dans un mode alternatif, ne pas constituer une plaque continue, chaque tube portant des ailettes qui lui sont propres. L'écartement "d" entre les tubes est calibré de façon à donner la capacité d'emmagasinement des calories recherchée et à permettre, au besoin, un changement de phase complet pour le matériau 6.

En variante, les ailettes pourront être ondulées pour augmenter la surface d’échange avec le matériau et/ou être munies de persiennes.

Enfin la figure 3, qui représente une vue de dessus du corps 22, montre deux dispositions possibles pour le faisceau des tubes 2 de ce corps. Dans une première version les tubes sont positionnés en quinconce, c'est-à-dire selon un carré ou un rectangle tourné de 45° par rapport aux parois de l'enveloppe extérieure 20 ; dans une seconde version, ils sont positionnés selon des carrés, ou des rectangles, dont les côtés sont alignés avec les parois de cette enveloppe extérieure.

Pour assurer un assemblage sans brasage des tubes 2 sur les ailettes 4 l'invention préconise une liaison par une mise sous contrainte, encore appelée assemblage mécanique. Pour cela les tubes 2 sont placés, lors de la fabrication, dans des trous pratiqués dans la plaque formant les ailettes, puis ils sont déformés sous pression pour accroître leur diamètre et venir forcer sur les parois du trou correspondant. Ce type d'assemblage assure, d'une part, une bonne solidarité des tubes avec les ailettes et, d'autre part, un contact aluminium-aluminium qui se caractérise par une excellente conductivité thermique. Par ailleurs l'absence de brasure ou de soudure répond à l'objectif d'une bonne tolérance aux déformations et aux cycles ou chocs thermiques.

La déformation des tubes est obtenue, par exemple, en faisant circuler à l’intérieur des tubes une olive d’expansion déformant la paroi des tubes pour augmenter leur section de sorte à obtenir un serrage des ailettes sur les tubes.

Pour permettre un tel type de liaison entre les tubes et les ailettes, lesdits tubes présentent une section arrondie. On entend par là une section ronde ou ovale, ladite section pouvant présenter localement des zones concaves.

Parallèlement l'invention cherche à augmenter l'isolation du corps 22 et à minimiser les ponts thermiques. Elle préconise pour cela de réaliser tous les autres éléments de la batterie en matériau plastique. Seuls les éléments qui participent aux échanges de chaleur, c'est à dire les tubes 2 et les ailettes 4, sont réalisées en matériau métallique.

Les collecteurs, tant supérieur 31 qu'inférieur 131, sont réalisés en matière plastique de même que leurs couvercles, supérieur 32 et inférieur 132, et ils sont assemblés avec leurs couvercles respectifs par une soudure plastique 7, par vibrations, ultrasons ou laser. On évite ainsi les ponts thermiques qui pourraient être occasionnés par une soudure ou un assemblage à apport métallique.

La liaison entre le faisceau de tubes 2 et les boites collectrices, tant supérieure 3 qu'inférieure 13, est assurée par des joints élastomères 5 qui sont placés contre le collecteur de ladite boite et qui viennent entourer les tubes 2 au niveau de leur traversée du collecteur. Ce faisant, ce joint élastomère 5 assure l'étanchéité à la fois du côté du fluide caloporteur, dans la boite collectrice 3 ou 13, et du côté du matériau à changement de phase 6, au niveau de l'intérieur du corps 22. La présence de ce matériau élastomère autorise les mouvements relatifs entre les tubes et le collecteur et permet de prendre en compte les éventuelles déformations dues, par exemple, à des chocs ou à des cycles thermiques.

Au final l'ensemble formé par les tubes 2 et les ailettes 4, augmenté de la boite collectrice inférieure 13, qui est porté par cette liaison souple entre le corps 22 et le collecteur supérieur 31, peut se mouvoir sans que sa liaison avec le collecteur supérieur 31 ou que les autres pièces de la batterie 1 n'en souffrent.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS

   1. Batterie thermique à chaleur latente, notamment pour véhicule automobile, comprenant une enveloppe extérieure (20) et un corps d'échange de chaleur (22), situé dans ladite enveloppe (20), ledit corps comprenant un faisceau de tubes (2) et une pluralité d’ailettes (4) s'étendant à partir desdits tubes (2), l’un parmi ledit faisceau de tubes (2) ou ladite enveloppe extérieure (20) étant configuré pour laisser circuler un fluide caloporteur et l’autre pour contenir à demeure un matériau (8) apte à changer de phase sous l’effet d'un échange thermique avec ledit fluide caloporteur, les tubes (2) présentant une section droite de forme arrondie et lesdites ailettes (4) présentant des trous de passage des tubes (2), lesdits trous de passage présentant une forme complémentaire à celle des tubes (2), comprenant en outre une première boîte collectrice (3, 13) en communication fluidique avec ledit faisceau, dans laquelle les tubes (2) sont fixés sur une paroi (31, 131) de ladite boite avec interposition d'au moins un joint élastomère (5) entourant lesdits tubes et assurant l'étanchéité au niveau de leur traversée de ladite paroi.
2. 2. Batterie selon la revendication 1 comprenant une seconde boite collectrice (13) en communication fluidique avec ledit faisceau et située du côté desdits tubes (2) opposé à la première boite, les tubes (2) du faisceau étant fixés sur une paroi (131) de ladite seconde boite avec interposition d’au moins un joint élastomère (5) entourant lesdits tubes au niveau de leur traversée de ladite paroi de la seconde boite (13).
3. 3. Batterie selon la revendication 2 dans laquelle S'ensembie formé par ledit corps (22) et lesdites boites (3, 13) est porté par ladite enveloppe.
4. 4. Batterie selon l'une des revendications 2 ou 3 dans laquelle la ou les parois (31, 131) de fixation des tubes (2) sont réalisées en matière plastique,
5. 5. Batterie selon l’une des revendication 2 à 4 dans laquelle un ou des couvercles (32, 132) de la ou des boites collectrices sont réalisées en matière plastique et soudées à la ou auxdifes parois de fixation des tubes (2) par une soudure plastique (7).
6. 6. Batterie selon Tune des revendications 2 à 5 dans laquelle au moins une des boites collectrices s'étend de façon à déborder des parois latéraies de S'enveloppe extérieure (20) et à laquelle elle est fixée par sertissage, à l’aide d'une virole de sertissage en plastique (8).
7. 7. Batterie selon l'une des revendications 1 à 6 dans laquelle les ailettes (4) sont ondulées et/ou les tubes (2) sont disposés en quinconce.
8. 8. Module de chauffage ou de réfrigération, notamment pour véhicule pour véhicule automobile, comprenant une batterie thermique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
9. 9. Dispositif de chauffage d’un véhicule automobile à système d’entrainement partiellement ou totalement électrique comprenant un module de chauffage ou de réfrigération selon la revendication précédente.