FR3056722A1

FR3056722A1 - Echangeur thermique comprenant un materiau a changement de phase

Info

Publication number: FR3056722A1
Application number: FR1659388A
Authority: FR
Inventors: Kamel Azzouz; Julien Tissot; Michael Lissner
Original assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Current assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2018-03-30
Anticipated expiration: 2036-09-29
Also published as: FR3056722B1

Abstract

Cet échangeur thermique (10) comprend des canaux d'échange thermique (12) raccordant une boite collectrice d'entrée (22) et une boite collectrice de sortie (24), ces canaux (12) et boites collectrices (22, 24) étant agencés de manière à former un circuit dans lequel circule un fluide caloporteur interne (16) depuis un orifice d'entrée (26) de la boite collectrice d'entrée (22) vers un orifice de sortie (28) de la boite collectrice de sortie (28) en passant à travers les différents canaux d'échange thermique (12). Des enveloppes (32) de forme générale tubulaire encapsulant un matériau à changement de phase sont logées dans au moins l'une des boites collectrices (22, 24), les enveloppes (32) étant sensiblement parallèles entre elles.

Description

® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE

INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE © N° de publication : 3 056 722 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction) (© N° d’enregistrement national : 16 59388

COURBEVOIE © Int Cl⁸ : F28 D 20/02 (2017.01), F28 F 9/02

DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1

(© Date de dépôt : 29.09.16.	© Demandeur(s) : VALEO SYSTEMES THERMIQUES
(30) Priorité :	Société par actions simplifiée — FR.
	@ Inventeur(s) : AZZOUZ KAMEL, TISSOT JULIEN et
	LISSNER MICHAEL.
(43) Date de mise à la disposition du public de la
demande : 30.03.18 Bulletin 18/13.
©) Liste des documents cités dans le rapport de
recherche préliminaire : Se reporter à la fin du
présent fascicule
(© Références à d’autres documents nationaux	® Titulaire(s) : VALEO SYSTEMES THERMIQUES
apparentés :	Société par actions simplifiée.
©) Demande(s) d’extension :	© Mandataire(s) : VALEO SYSTEMES THERMIQUES.

ECHANGEUR THERMIQUE COMPRENANT UN MATERIAU A CHANGEMENT DE PHASE.

FR 3 056 722 - A1 (6/2 Cet échangeur thermique (10) comprend des canaux (rechange thermique (12) raccordant une boite collectrice d'entrée (22) et une boite collectrice de sortie (24), ces canaux (12) et boites collectrices (22, 24) étant agencés de manière à former un circuit dans lequel circule un fluide caloporteur interne (16) depuis un orifice d'entrée (26) de la boite collectrice d'entrée (22) vers un orifice de sortie (28) de la boite collectrice de sortie (28) en passant à travers les différents canaux d'échange thermique (12). Des enveloppes (32) de forme générale tubulaire encapsulant un matériau à changement de phase sont logées dans au moins l'une des boites collectrices (22, 24), les enveloppes (32) étant sensiblement parallèles entre elles.

-1Echanqeur thermique comprenant un matériau à changement de phase

La présente invention concerne les échangeurs thermiques. Plus précisément, cette invention concerne les échangeurs thermiques utilisés dans les véhicules automobiles, notamment les refroidisseurs d’air de suralimentation et les radiateurs de refroidissement de liquide de refroidissement de moteur.

De manière habituelle, les échangeurs thermiques pour véhicules automobiles comprennent des canaux d’échange thermique dans lesquels circule un fluide caloporteur. Lors de sa circulation dans les canaux d’échange thermique, le fluide caloporteur échange de la chaleur avec le milieu entourant les canaux d’échange thermique. Ces échanges de chaleur ont pour but de réchauffer ou de refroidir le fluide caloporteur. Deux boites collectrices respectivement d’entrée et de sortie sont agencés de part et d’autre des canaux d’échange thermique de manière à former un circuit de circulation du fluide caloporteur s’étendant depuis un orifice d’entrée de la boite collectrice d’entrée vers un orifice de sortie de la boite collectrice de sortie. Le fluide caloporteur circule dans ce circuit à travers les différents canaux d’échange thermique.

Ce type d’échangeur thermique est dimensionné pour résister aux températures atteintes lors du fonctionnement normal du véhicule et dissiper suffisamment de chaleur dans des plages de températures définies par les constructeurs automobiles. Les températures le plus extrêmes ne sont atteintes que brièvement lors de certaines étapes de fonctionnement de l’échangeur.

Dans le cas d’un radiateur de refroidissement de liquide de refroidissement de moteur, on a estimé que pour 90% du temps de fonctionnement, seul un tiers de la surface d’échange du radiateur serait suffisante pour dissiper suffisamment de chaleur pour satisfaire aux conditions de fonctionnement du moteur. Le radiateur est donc surdimensionné car il n’est utilisé à son plein potentiel que ponctuellement dans le temps.

Dans le cas d’un refroidisseur d’air de suralimentation, les changements fréquents de température en entrée imposent de choisir des matériaux particulièrement résistants pour les boites collectrices. De tels matériaux sont relativement coûteux. Une meilleure régulation des variations de température permettrait d’utiliser des matériaux moins coûteux.

-2L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients en fournissant un échangeur thermique moins sensible aux températures extrêmes du fluide caloporteur interne entrant dans l’échangeur ou du milieu entourant les canaux d’échange thermique.

A cet effet, l’invention a pour objet un échangeur thermique comprenant des canaux d’échange thermique raccordant une boite collectrice d’entrée et une boite collectrice de sortie, ces canaux et boites collectrices étant agencés de manière à former un circuit dans lequel circule un fluide caloporteur interne depuis un orifice d’entrée de la boite collectrice d’entrée vers un orifice de sortie de la boite collectrice de sortie en passant à travers les différents canaux d’échange thermique, et dans lequel des enveloppes de forme générale tubulaire encapsulant un matériau à changement de phase sont logées dans au moins l’une des boites collectrices, les enveloppes étant sensiblement parallèles entre elles.

Ainsi, lorsque la température en entrée du fluide caloporteur interne augmente, ou lorsque la chaleur dissipée dans les canaux d’échange thermique est moins importante, par exemple parce que le milieu entourant les canaux d’échange thermique a une température plus élevée, les enveloppes encapsulant le matériau à changement de phase absorbent temporairement le surplus de chaleur du fluide caloporteur interne traversant l’échangeur thermique en atténuant ainsi les pics de température du fluide caloporteur interne.

Selon d’autres caractéristiques optionnelles correspondant à différents modes de réalisation de l’échangeur thermique selon l’invention :

- le matériau à changement de phase a une chaleur latente de fusion supérieure à 280kJ/m3 ;

- le matériau à changement de phase passe de la phase solide à la phase liquide à une température comprise dans une plage de température de fusion comprise entre 20 et 110°C, et plus particulièrement choisi :

• entre 45 et 55°C si l’échangeur thermique est destiné au refroidissement de l’air de suralimentation du moteur, • entre 50 et 100°C si l’échangeur thermique est destiné au refroidissement d’une boite de vitesse,

- entre 80 et 110°C si l’échangeur thermique est destiné au refroidissement du moteur ;

- le matériau à changement de phase est choisi parmi un acide gras, un alcool gras, une paraffine et un sel hydraté ;

-3- les enveloppes ont une section circulaire dont le diamètre externe est compris entre 1 et 8mm ;

- le fluide caloporteur interne est sous forme gazeuse ;

- le fluide caloporteur interne est sous forme liquide ;

- l’échangeur thermique comprend des enveloppes positionnées transversalement les unes par rapport aux autres à l’aide de moyens choisi parmi :

- au moins une bague d’entretoisement portée par une enveloppe,

- une plaque transversale munie de pions de positionnement emboîtés dans des orifices d’extrémité d’enveloppes,

- une grille d’entretoisement traversée par des enveloppes, positionnant transversalement les enveloppes traversées entre elles ;

- les canaux d’échange thermique sont des tubes à section sensiblement circulaire ou oblongue ;

- un fluide caloporteur externe, liquide ou gazeux, circule à l’extérieur des canaux d’échange thermique, de manière à échanger de la chaleur avec les canaux d’échange thermique essentiellement par convection,

- des ailettes sont conformées sur une surface extérieure de l’au moins une des boites collectrices logeant les enveloppes,

- les ailettes sont conformées sur au moins une portion de surface extérieure localisée en correspondance des dans ladite au moins une boite collectrice.

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 annexés, dans lesquels :

- la figure 1 est une vue en perspective éclatée d’un radiateur de refroidissement de liquide de refroidissement de moteur, selon un premier mode de réalisation de l’invention,

- la figure 2 est une vue en perspective d’un détail du radiateur de refroidissement représenté à la figure 1,

- la figure 3 est une vue en perspective d’un détail du radiateur de refroidissement représenté à la figure 1 avec un arrachement d’une boite collectrice de cet échangeur,

- la figure 4 est une vue en perspective éclatée d’un détail du radiateur de refroidissement représenté à la figure 1 montrant plus en détail une plaque transversale munie de pions de positionnement,

- la figure 5 est une vue semblable à celle de la figure 3 montrant des bagues d’entretoisement,

-4- la figure 6 est une vue en perspective d’une enveloppe encapsulant du matériau à changement de phase sur laquelle est placée une bague d’entretoisement,

- la figure 7 est une vue en coupe d’une multitude d’enveloppes de matériau à changement de phase positionnées les unes par rapport aux autres par une grille d’entretoisement,

- la figure 8 est une vue en perspective d’un refroidisseur d’air de suralimentation selon un second mode de réalisation de l’invention, dans laquelle une boite collectrice est représentée en coupe,

- la figure 9 est une vue en perspective d’une enveloppe encapsulant du matériau à changement de phase utilisée dans le refroidisseur représenté à la figure 8.

Les figures 1 à 7 représentent un échangeur thermique selon un premier mode de réalisation de l’invention formant un radiateur 10 de refroidissement de liquide de refroidissement d’un moteur de véhicule automobile.

Ce radiateur 10 comprend une multitude de canaux d’échange thermique 12 parallèles entre eux. Ces canaux d’échange thermique 12 ont une forme tubulaire dont la section peut être oblongue, circulaire ou autre. Les canaux d’échange thermique 12 sont délimités par des parois 13. Chaque canal 12 est fixé à chacune de ses extrémités à un organe de maintien 14 qui peut aussi être appelé plaque collectrice ou collecteur, qui positionne les canaux 12 les uns par rapport aux autres. Lors du fonctionnement du radiateur 10, un fluide caloporteur interne 16 circule à l’intérieur des canaux d’échange thermique 12. Ce fluide 16 est un liquide de refroidissement, par exemple, de l’eau glycolée. A l’extérieur des canaux d’échange thermique 12, un fluide caloporteur externe 18 circule à travers le radiateur 10. Ce fluide 18 est de l’air.

Lorsqu’il circule dans les canaux d’échange thermique 12, le fluide caloporteur interne 16 transmet de la chaleur à des parois 13 des canaux 12. Ainsi, le fluide caloporteur interne 16 refroidit et sa température en sortie des canaux 12 est plus basse qu’en entrée des canaux 12. La chaleur transmise aux parois 13 des canaux 12 d’échange thermique se diffuse par conduction, notamment vers des ailettes de refroidissement 20 logées entre les canaux d’échange thermique 12. Ces ailettes 20 transfèrent leur chaleur, essentiellement par convection, au fluide caloporteur externe 18.

Les ailettes de refroidissent 20 sont des feuilles de matériau conducteur thermiquement, ondulées, qui sont fixées aux parois 13 des canaux d’échange

-5thermique 12.

Une boite collectrice d’entrée 22 et une boite collectrice de sortie 24 sont agencées de part et d’autre des canaux d’échange thermiques 12. Ces boites collectrices 22, 24 ont une forme générale allongée et sont fixées de façon connue en soi aux organes de maintien 14. Ainsi, les différents canaux d’échange thermique 12 raccordent la boite collectrice d’entrée 22 à la boite collectrice de sortie 24.

Les boites collectrices 22, 24 sont des organes dont la fonction est de diviser le flux de fluide caloporteur interne 16 entrant dans le radiateur 10 et de fusionner les flux de fluide caloporteur interne 16 sortant des canaux d’échange thermique 12. La boite collectrice d’entrée 22 et la boite collectrice de sortie 24 sont munies respectivement d’un orifice d’entrée 26 et d’un orifice de sortie 28. Les boites collectrices 22, 24 sont aussi munies chacune d’une face de raccordement 30 fixée sur l’organe de maintien 14 correspondant et raccordant les boites collectrices 22, 24 aux canaux 12.

Ainsi, lorsqu’il circule à travers le radiateur 10, le fluide caloporteur interne 16 circule dans un circuit allant depuis l’orifice d’entrée 26 de la boite collectrice d’entrée 22 jusqu’à l’orifice de sortie 28 de la boite collectrice de sortie 24 en passant à travers les différentes boites collectrices 22, 24 et les canaux d’échange thermique 12.

Dans les boites collectrices 22, 24, des enveloppes 32 encapsulant un matériau à changement de phase 34 sont logées. Un matériau à changement de phase 34 est un matériau dont la chaleur latente est importante et qui est utilisé dans une plage de température comprenant sa température de changement de phase. De cette manière, un matériau à changement de phase est susceptible de stocker ou de restituer une grande quantité de chaleur lors de son changement de phase. Le matériau à changement de phase utilisé est choisi parmi un acide gras, un alcool gras, une paraffine et un sel hydraté.

Le matériau à changement de phase 34 utilisé dans ce radiateur 10 à une chaleur latente de fusion supérieur à 280 kJ/m3. Le matériau à changement de phase 34 utilisé a un température de fusion comprise dans un intervalle choisi entre 20 et 110°C, et plus particulièrement parmi 50°C à 100°C, 45°C à 55°C et 80°C à 110°C selon la température prévue du fluide caloporteur interne 16 à l’endroit où il est positionné dans le radiateur 10. Idéalement, la température de fusion du matériau à changement de phase 34 doit être légèrement supérieure à la température du fluide caloporteur interne

-616 en contact avec les enveloppes 32 encapsulant ce matériau à changement de phase 34 lorsqu’il n’y a pas surchauffe.

Les enveloppes 32 ont une forme générale tubulaire, de section extérieure comprise entre 1 et 8 mm. Chaque enveloppe 32 est fermée à ces deux extrémités par un bouchon 36.

Les différentes enveloppes 32 sont sensiblement de la même longueur et sont positionnées sensiblement parallèlement les unes par rapport aux autres de manière à former un faisceau 38. Chaque faisceau 38 d’enveloppes 32 est logé dans la boite collectrice 22, 24 correspondante, sensiblement parallèlement à la direction longitudinale de la boite collectrice 22, 24.

Avantageusement, des ailettes sont conformées sur une surface extérieure au d’une des boites collectrices, ou des deux boites collectrices, logeant les enveloppes 32. Ces ailettes augmentent les transferts thermiques entre la boite à eau et son environnement extérieur, par exemple avec l’air entrant sous le capot du véhicule dans lequel la boite collectrice est installée, permettant un refroidissement efficace de la boite à air. Les ailettes permettent d’améliorer l’efficacité de l’échange thermique se produisant à l’intérieur de la boite collectrice et par conséquent, permet au matériau à changement de phase de se décharger, i.e. de refroidir, et ainsi de se régénérer.

Les ailettes peuvent être en particulier conformées sur une portion de surface extérieure de la boite collectrice localisée à proximité des enveloppes logées dans la boite collectrice. De préférence, la portion est située sur la boite collectrice en correspondance de la localisation des enveloppes 32 dans ladite au moins une boite collectrice, comme illustré sur la figure 1 avec les ailettes présentes sur des portions de surface extérieure des boites 22 et 24. Ainsi, les ailettes permettent d’améliorer l’échange thermique dans une zone des boites collectrices où sont situées les enveloppes, ce qui améliore encore l’efficacité de l’échangeur thermique avec une meilleure absorption des pics de température et une meilleure régénération du matériau à changement de phase grâce à un refroidissement plus rapide obtenu par la présence d’ailettes sur une zone appropriée de la boite.

Le radiateur 10 comprend des moyens de positionnement transversal 40, 42, 46 des enveloppes 32 les unes par rapport aux autres. Ces moyens de positionnement 40, 42, 46 peuvent comprendre :

-7- des bagues d’entretoisement 40 (voir figures 5 et 6), portées par les enveloppes

- des plaques transversales 42 (voir figures 1, 3 et 4) emboîtées dans des orifices ménagés dans l’extrémité des enveloppes 32,

- des grilles d’entretoisement 46 (voir figure 7) traversées par une partie des enveloppes 32, positionnant transversalement les enveloppes 32 entre elles.

Les bagues d’entretoisement 40 sont des éléments tubulaires placées sur les enveloppes 32. L’épaisseur de ces bagues 40 permet de maintenir éloignées les enveloppes 32 entre elles.

Les plaques transversales 42 sont des plaques logées au niveau des extrémités de faisceaux 38 d’enveloppes 32. Ces plaques 42 sont munies de pions 48 de positionnement qui sont emboîtés dans les orifices 44 ménagés aux extrémités des enveloppes 32 de matériau à changement de phase 34. Les pions de positionnement 48 positionnent axialement et transversalement les enveloppes 32 entre elles.

Les figures 7 à 9 représentent un échangeur thermique selon un second mode de réalisation. Dans ce mode de réalisation, les éléments analogues au premier mode de réalisation sont désignés par des références identiques.

Dans ce mode de réalisation, l’échangeur thermique est un refroidisseur d’air de suralimentation 50. Le premier fluide caloporteur 16 traversant ce refroidisseur est donc un gaz sous pression issu d’un turbocompresseur et destiné à alimenter un moteur thermique. L’on peut voir sur la figure 8 que la forme des enveloppes 32 de matériaux à changement de phase 34 peut être adaptée à l’utilisation que l’on en fait. Notamment, dans ce mode de réalisation, les enveloppes 32 ont un diamètre plus grand que dans le premier mode de réalisation. De cette manière chaque enveloppe 32 contient une plus grande quantité de matériau à changement de phase 34.

L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisations présentés et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier. Il est notamment possible que le second fluide caloporteur 18 soit un liquide.

Claims

REVENDICATIONS

1. Echangeur thermique (10, 50) comprenant des canaux d’échange thermique (12) raccordant une boite collectrice d’entrée (22) et une boite collectrice de sortie (24), ces canaux (12) et boites collectrices (22, 24) étant agencés de manière à former un circuit dans lequel circule un fluide caloporteur interne (16) depuis un orifice d’entrée (26) de la boite collectrice d’entrée (22) vers un orifice de sortie (28) de la boite collectrice de sortie (28) en passant à travers les différents canaux d’échange thermique (12), caractérisé en ce que des enveloppes (32) de forme générale tubulaire encapsulant un matériau à changement de phase (34) sont logées dans au moins l’une des boites collectrices (22, 24), les enveloppes (32) étant sensiblement parallèles entre elles.
2. Echangeur thermique (10, 50) selon la revendication précédente dans lequel le matériau à changement de phase (34) a une chaleur latente de fusion supérieure à 280kJ/m3.
3. Echangeur thermique (10, 50) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau à changement de phase (34) passe de la phase solide à la phase liquide à une température comprise dans une plage comprise entre 20 et 110Ό.
4. Echangeur thermique selon la revendication 3, dans lequel, pour le refroidissement d’une boite de vitesse de véhicule, la plage de température à laquelle le matériau à changement de phase (34) passe de la phase solide à la phase liquide est choisie entre 50 et 100°C.
5. Echangeur thermique selon la revendication 3, dans lequel, pour le refroidissement d’une boite de l’air de suralimentation d’un moteur, la plage de température à laquelle le matériau à changement de phase (34) passe de la phase solide à la phase liquide est choisie entre 45 et 55°C.
6. Echangeur thermique selon la revendication 3, dans lequel, pour le refroidissement d’un moteur de véhicule, la plage de température à laquelle le matériau à changement de phase (34) passe de la phase solide à la phase liquide est choisie entre 80 et 110Ό.

-97. Echangeur thermique (10, 50) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau à changement de phase (34) est choisi parmi un acide gras, un alcool gras, une paraffine et un sel hydraté.

8. Echangeur thermique (10, 50) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les enveloppes (32) ont une section circulaire dont le diamètre externe est compris entre 1 et 8 mm.

9. Echangeur thermique (10, 50) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le fluide caloporteur interne (16) est sous forme gazeuse.

10. Echangeur thermique (10, 50) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le fluide caloporteur interne (16) est sous forme liquide.

11. Echangeur thermique (10, 50) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant des enveloppes (32) positionnées transversalement les unes par rapport aux autres à l’aide d’au moins une bague d’entretoisement (40) portée par une enveloppe (32).

12. Echangeur thermique (10, 50) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, comprenant des enveloppes (32) positionnées transversalement les unes par rapport aux autres à l’aide d’une plaque transversale (42) munie de pions (48) de positionnement emboités dans des orifices d’extrémité (44) d’enveloppes (32).

13. Echangeur thermique (10, 50) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, comprenant des enveloppes (32) positionnées transversalement les unes par rapport aux autres à l’aide d’une grille d’entretoisement (46) traversée par des enveloppes (32), positionnant transversalement les enveloppes (32) traversées entre elles.

14. Echangeur thermique (10, 50) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les canaux d’échange thermique (12) sont des tubes à section sensiblement circulaire ou oblongue.

15. Echangeur thermique (10, 50) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un fluide caloporteur externe (18), liquide ou gazeux, circule à l’extérieur des canaux d’échange thermique (12), de manière à échanger

-10de la chaleur avec les canaux d’échange thermique (12) essentiellement par convection.

16. Echangeur thermique (10, 50) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel des ailettes sont conformées sur une surface extérieure

5 de l’au moins une des boites collectrices logeant les enveloppes (32).

17. Echangeur thermique (10, 50) selon la revendication précédente, dans lequel les ailettes sont conformées sur au moins une portion de surface extérieure localisée en correspondance des enveloppes (32) dans ladite au moins une boite collectrice.

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