FR3102550A1

FR3102550A1 - Échangeur de chaleur à plaques comprenant un élément électrique chauffant

Info

Publication number: FR3102550A1
Application number: FR1912089A
Authority: FR
Inventors: Bastien Jovet; Quentin Navarre
Original assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Current assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2021-04-30

Abstract

Échangeur de chaleur à plaques comprenant un élément électrique chauffant L’invention concerne un échangeur de chaleur (1) comprenant un empilement (10) de plaques (12) destiné à permettre un échange de chaleur entre un premier fluide (30) et un deuxième fluide (32), caractérisé en ce qu’il comporte sur au moins une de ses faces externes (4) au moins un élément électrique chauffant (50), ledit au moins un élément électrique chauffant (50) recouvrant au moins partiellement la surface de ladite face externe (4). L’invention concerne également un dispositif de gestion thermique tel qu’un chauffage ou une climatisation pour véhicule automobile comportant au moins un échangeur de chaleur tel que défini précédemment. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Échangeur de chaleur à plaques comprenant un élément électrique chauffant

Le domaine de la présente invention concerne les échangeurs de chaleur et plus particulièrement un échangeur de chaleur à plaques pour un véhicule automobile électrique ou hybride, comme par exemple un échangeur de chaleur utilisé pour la régulation thermique des batteries.

La régulation thermique des batteries, notamment dans le domaine automobile et plus particulièrement celui des véhicules électriques et hybrides, est essentielle pour le bon fonctionnement du véhicule. De telles batteries doivent être chauffées ou refroidies afin de maintenir une température de fonctionnement acceptable, par exemple entre 20°C et 40°C pour un fonctionnement optimal.

Lorsque de l'énergie électrique est tirée ou chargée des batteries, celles-ci émettent de la chaleur ; les batteries doivent donc être refroidies pour les empêcher de chauffer à des températures supérieures à 40°C par exemple. À basse température extérieure, par exemple en dessous de 10°C, il est nécessaire de chauffer ces batteries afin d’en extraire l'énergie électrique de façon optimale.

Pour ce faire, le véhicule hybride ou électrique comporte généralement un dispositif de régulation de température des batteries. Un tel dispositif utilise généralement des fluides caloporteurs circulant dans un circuit de gestion thermique qui comporte au moins un échangeur de chaleur en contact direct avec les batteries.

Les fluides caloporteurs peuvent ainsi absorber de la chaleur émise par les batteries afin de les refroidir et évacuer cette chaleur au niveau d’un ou de plusieurs autres échangeurs de chaleur comme par exemple un radiateur ou un échangeur de chaleur bifluide relié à une autre boucle de gestion thermique. Cette autre boucle de gestion thermique est par exemple une boucle de climatisation qui va absorber cette chaleur pour la disperser à l’extérieur ou alors l’utiliser pour aider au chauffage de l’habitacle.

Les fluides généralement utilisés sont l’air ambiant ou des liquides comme par exemple de l’eau glycolée. Les liquides étant meilleurs conducteurs de chaleur que les gaz, ils sont généralement privilégiés dans ce type de structure car ils peuvent augmenter l’efficacité du transfert thermique au sein de l’échangeur de chaleur.

Un tel échangeur de chaleur bifluide est généralement un échangeur de chaleur à plaques. Un tel échangeur de chaleur à plaques comporte par exemple deux empilements de plaques distincts, également appelés « faisceaux ». L’un des empilements de plaques de cet échangeur de chaleur à plaques est configuré pour refroidir le fluide caloporteur si la température de celui-ci est trop élevée, tandis que l’autre empilement de plaques est configuré pour augmenter la température du fluide caloporteur dans le cas où les batteries requièrent une température plus élevée pour fonctionner de manière optimale. Un tel échangeur de chaleur à plaques a donc recours à deux « faisceaux » distincts pour assurer d’une part la fonction de chauffage et d’autre part la fonction de refroidissement. Ce dédoublement de moyens de gestion thermique des batteries peut entraîner des coûts de montage relativement élevés et implique une plus grande variété de pièces, ainsi qu’un espace d'installation et un poids accrus, rendant la régulation thermique de la batterie relativement coûteuse. Il convient donc de disposer d’un circuit de gestion thermique plus simple et plus léger.

L’invention a pour objectif de pallier au moins partiellement ces inconvénients de l’art antérieur en proposant une solution simple et économique.

À cet effet l’invention a pour objet un échangeur de chaleur comprenant un empilement de plaques destiné à permettre un échange de chaleur entre un premier fluide et un deuxième fluide, l’échangeur de chaleur comportant sur au moins une de ses faces externes au moins un élément électrique chauffant, ledit au moins un élément électrique chauffant recouvrant au moins partiellement la surface de ladite face externe.

L’élément électrique chauffant disposé sur au moins une face externe de l’empilement est un composant additionnel utilisé pour chauffer le liquide caloporteur circulant à travers l’empilement de plaques. L’élément électrique chauffant peut notamment permettre d’améliorer le transfert de chaleur, par exemple en diminuant le temps nécessaire pour atteindre une température donnée et/ou en limitant la perte de chaleur du fait de sa proximité avec les plaques de l’empilement.

Le fait de disposer d’au moins un élément électrique chauffant directement en contact avec l’empilement des plaques au sein de l’échangeur de chaleur permet un gain de place dans la conception générale d’une installation de gestion thermique dans laquelle un dispositif de chauffage du fluide caloporteur est nécessaire. Un même échangeur de chaleur est ainsi configuré pour assurer à la fois une fonction de chauffage des batteries et une fonction de refroidissement des batteries, en fonction de la température ciblée pour les batteries à un instant donné.

L’invention peut en outre comprendre un ou plusieurs des aspects suivants pris seuls ou en combinaison :

- la au moins une face externe comportant l’élément électrique chauffant est une face latérale externe parallèle à l’axe d’empilement, ladite au moins une face latérale externe étant orientée perpendiculairement aux plans des plaques de l’empilement ;

- l’empilement des plaques a une forme parallélépipédique comportant quatre faces externes latérales s’étendant parallèlement à l’axe d’empilement ;

- la au moins une face externe comportant l’élément électrique chauffant comporte des extensions faisant saillie vers l’extérieur de l’empilement, lesdites extensions étant configurées pour augmenter la surface d’échange entre la face externe et l’élément électrique chauffant ;

- l’échangeur de chaleur comporte de la pâte thermique interposée entre les éléments électriques chauffant et la au moins une face externe ;

- les extensions faisant saillie vers l’extérieur de l’empilement sont des prolongements des tranches des plaques de l’empilement, lesdits prolongements faisant saillies par rapport aux faces latérales externes ;

- le au moins un élément électrique chauffant est un fil résistif ;

- le au moins un élément électrique chauffant comporte un patin de conduction thermique en contact avec la face externe ;

- le au moins un élément électrique chauffant est une couche d’encre conductrice ou de peinture thermique déposée sur la surface de la au moins une face externe de l’échangeur de chaleur ; et

- l’échangeur de chaleur est encapsulé, ladite encapsulation étant configurée pour isoler thermiquement l’échangeur de chaleur de son environnement extérieur.

L’invention concerne également un dispositif de gestion thermique tel qu’un chauffage ou une climatisation pour véhicule automobile comportant au moins un échangeur de chaleur tel que défini précédemment.

Un tel échangeur de chaleur est aisément intégrable dans une boucle de gestion thermique, notamment dans un dispositif de gestion thermique qui est par exemple installé dans le compartiment moteur d’un véhicule automobile.

D'autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d’exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels :

La figure 1 représente une vue schématique en perspective d’un échangeur de chaleur à plaques ;

La figure 2 représente une vue de détail d’une plaque de l’échangeur de chaleur de la Figure 1 ;

La figure 3 représente une vue schématique éclatée et en perspective de l’échangeur de chaleur à plaques de la Figure 1 ;

La figure 4 représente une vue schématique en coupe de l’empilement de plaques de l’échangeur de chaleur suivant le plan IV de la Figure 1 ;

La figure 5 représente une vue schématique d’un deuxième mode de réalisation de l’échangeur de chaleur à plaques de la Figure 1 ;

La figure 6 représente une vue de détail de l’empilement de plaques de la Figure 3, et

La figure 7 représente une vue schématique de l’échangeur de chaleur de la Figure 1 encapsulé dans une encapsulation d’isolation thermique.

Sur ces figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence.

Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s’appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées ou interchangées pour fournir d’autres réalisations.

Dans la description, on peut indexer certains éléments, comme par exemple premier élément ou deuxième élément. Dans ce cas, il s’agit d’un simple indexage pour différencier et dénommer des éléments proches mais non identiques. Cette indexation n’implique pas une priorité d’un élément par rapport à un autre et on peut aisément interchanger de telles dénominations sans sortir du cadre de la présente description. Cette indexation n’implique pas non plus un ordre dans le temps.

Il est illustré à la figure 1 un échangeur de chaleur 1 comportant un empilement 10 de plaques 12 suivant un axe d’empilement X qui est orienté perpendiculairement aux plans des plaques 12. Les faces des plaques 12 présentent une multitude de surfaces d’échange configurées pour permettre un transfert thermique entre un premier fluide 30 et un deuxième fluide 32. Dans la présente description, nous utiliserons comme exemple de premier fluide 30 un fluide caloporteur à destination des batteries du véhicule automobile électrique ou hybride. Ce fluide caloporteur 30 est notamment destiné à circuler au sein d’un circuit de fluide caloporteur, le fluide caloporteur 30 est par exemple de l’eau glycolée. Comme exemple de deuxième fluide 32, nous utiliserons un fluide réfrigérant, tel que du CO₂ ou du R134a ou encore du R1234y_,destiné à circuler au sein d’un circuit de climatisation.

Les plaques 12 de l’empilement 10 présentent par exemple chacune un fond 6 et un bord plié 8 par rapport au fond 6, comme représenté sur la Figure 2. Le bord plié 8 entoure par exemple périphériquement le fond 6.

Au moins l’une de ces plaques 12 et avantageusement l’ensemble des plaques 12 de l’empilement 10 comprennent un dispositif de perturbation 5 de l’écoulement des fluides caloporteur et/ou réfrigérant 30 et/ou 32. Les surfaces des plaques 12 et notamment leurs fonds 6 sont par exemple nervurées, ils comportent des petites bosses et/ou des petits enfoncements permettant de créer des turbulences lors de la circulation des fluides 30, 32 sur ces plaques 12. Ces nervures ont par exemple une forme de chevrons, comme illustré sur la figure 2.

Les plaques 12 sont par exemple en aluminium ou réalisées à partir d’un alliage d’aluminium. Les plaques 12 peuvent éventuellement être en acier inoxydable. Les plaques 12 sont brasées entre elles afin de les solidariser les unes aux autres dans l’empilement 10 et également afin d’assurer l’étanchéité de l’ensemble.

Au sein de l’empilement 10, les plaques 12 sont agencées de telle sorte qu’elles délimitent toutes ensemble un premier circuit 20 réservé à la circulation d’un fluide caloporteur 30 et un deuxième circuit 22 réservé à la circulation d’un fluide réfrigérant 32, comme détaillé sur la Figure 3. Chaque circuit 20, 22 comprend respectivement une entrée de fluide, une chambre d’admission, une pluralité de chambres de circulation, une chambre d’évacuation et une sortie de fluide.

L’échangeur de chaleur 1 comprend ainsi un premier manchon d’entrée 24a par lequel le fluide caloporteur 30 peut entrer dans l'échangeur de chaleur 1 et un premier manchon de sortie 24b par lequel le fluide caloporteur 30 peut sortir de l'échangeur de chaleur 1. Cet échangeur de chaleur 1 comprend également un deuxième manchon d’entrée 26a par lequel le fluide réfrigérant 32 peut entrer dans l’empilement 10 de plaques 12, ainsi qu'un deuxième manchon de sortie 26b par lequel le fluide réfrigérant 32 peut sortir de l’empilement 10 de plaques 12.

Le manchon d’entrée 24a du premier circuit 20 débouche dans une chambre d'admission 25 tandis que le manchon de sortie 24b est connecté fluidiquement à une chambre d'évacuation 27, comme illustré sur la Figure 4. De manière similaire, le manchon d’entrée 26a du deuxième circuit 22 débouche dans une chambre d'admission (non représentée sur la figure 4) tandis que le manchon de sortie 26b est connecté fluidiquement à une chambre d'évacuation (non représentée sur la figure 4).

La chambre d'admission 25 et la chambre d'évacuation 27 du premier circuit 20 sont par exemple délimitées par la superposition d’orifices 15 formés dans chaque plaque 12 pour le passage du fluide caloporteur 30 (Figure 3). De manière similaire, les chambres d’admission et d’évacuation sont par exemple délimitées par la superposition d’orifices 17 formés dans chaque plaque 12 pour le passage du fluide réfrigérant 32.

Des plaques adjacentes 12a, 12b dans l’empilement 10 peuvent être regroupées par couples 13, 14 pour délimiter une pluralité de chambres de circulation empruntées respectivement par le fluide réfrigérant 32 et le fluide caloporteur 30 lors de leur passage à travers l’échangeur de chaleur 1, comme illustré sur la Figure 3. Les chambres de circulation formées par les couples 13 et 14 de plaques adjacentes 12a, 12b sont alternées dans l’empilement. Autrement dit, le fluide caloporteur 30 circule uniquement dans les chambres de circulation formées par des couples 14 de plaques adjacentes 12a, 12b tandis que le fluide réfrigérant 32 circulent uniquement et de préférence à contre-courant dans les chambres de circulation formées par des couples 13, un couple 13 étant pris en sandwich entre deux couples 14 et inversement.

L’empilement 10 de plaques 12 forme ainsi un ensemble de surfaces d’échange de chaleur entre deux fluides 30, 32 de températures différentes. La circulation du fluide caloporteur 30 à travers le premier circuit 20 est représentée par des flèches pleines sur les figures 1, 3, 4 et 7 tandis que la circulation du fluide réfrigérant 32 à travers le deuxième circuit 22 est représentée par des flèches en pointillés sur ces mêmes figures. Telles que représentées sur les dessins, chaque plaque 12 est en contact simultané avec les deux fluides 30, 32. Le liquide caloporteur 30 s’écoule le long d’une surface plane d’une plaque 12 tandis que le fluide réfrigérant 32 s’écoule le long de la surface plane opposée de la même plaque 12.

Il est possible d’imaginer d’autres types d’échangeurs de chaleur à plaques. Une configuration envisageable comprend par exemple un empilement de plaques à double parois (non illustré sur les figures). Les plaques à doubles parois délimitent des chambres de circulation empilées les unes au-dessus des autres. Ces chambres de circulation sont empruntées alternativement par les fluides 30 et 32. Par « alternativement », on entend que les chambres de circulation empruntées par le fluide caloporteur 30 sont prises en sandwich entre deux chambres de circulation empruntées par le fluide réfrigérant 32. Chaque chambre de circulation est délimitée par deux parois de plaques. Il y a donc deux parois de plaques distinctes qui séparent le fluide caloporteur 30 du fluide réfrigérant 32.

Cependant, un échangeur de chaleur ayant recours à une configuration de paroi simple plutôt qu’une double paroi est privilégié car cette configuration présente une meilleure conduction thermique, un poids moindre et peut s’avérer être la solution la plus économique parmi les deux configurations proposées ci-dessus.

Pour apporter de la chaleur au fluide caloporteur 30 en optimisant l’espace dans l’échangeur de chaleur 1, celui-ci comporte sur au moins une de ses faces externes 4 (Figure 1) au moins un élément électrique chauffant 50 qui recouvre au moins partiellement la surface de ladite face externe 4. Cela permet ainsi d’inclure l’élément électrique chauffant 50 directement au niveau de l’échangeur de chaleur 1 au lieu de le disposer indépendamment sur un dispositif de gestion thermique ce qui engendrerait une augmentation de l’espace nécessaire pour ledit dispositif de gestion thermique.

L’élément électrique chauffant 50 est ainsi par exemple en contact direct avec les plaques 12 de l’empilement 10 à travers lesquelles circule le fluide caloporteur 30. Par contact direct, on entend l’absence de couche supplémentaire interposée entre l’élément électrique chauffant 50 et les plaques 12. Selon une variante, l’élément électrique chauffant 50 est en contact indirect avec les plaques 12, il y a alors par exemple une ou plusieurs couches interposées entre eux, telles que des couches permettant d’améliorer le transfert thermique entre l’élément électrique chauffant 50 et les plaques 12. Il peut y avoir une pluralité d’éléments électriques chauffant 50 qui recouvrent partiellement ou entièrement plusieurs faces externes 4 de l’échangeur de chaleur 1. Il y a par exemple un élément électrique chauffant 50 par face externe 4.

Le ou les éléments électriques chauffant 50 dégagent de la chaleur lorsqu’ils sont alimentés en électricité. La chaleur ainsi dégagée chauffe les parois des plaques 12 de l’empilement 10 qui diffusent la chaleur dans le fluide caloporteur 30 circulant à travers l’empilement 10.

Selon un mode de réalisation particulier et privilégié de l’échangeur de chaleur 1, la au moins une face externe 4 comportant l’élément électrique chauffant 50 est une face latérale externe 40 parallèle à l’axe d’empilement X. Les éléments électriques chauffants 50 sont par exemple en contact avec au moins une portion d’une tranche 19 des plaques 12 de l’empilement 10. Les tranches 19 désignent les faces orientées perpendiculairement par rapport au plans des plaques 12. Les tranches 19 sont également les faces de plus petite épaisseur ce qui permet une meilleure conduction thermique entre l’élément électrique chauffant 50 et le fluide caloporteur 30.

Le fait de disposer le ou les éléments électriques chauffant 50 sur une ou plusieurs faces latérales externes 40 permet d’assurer un contact direct avec la majorité, voire l’intégralité des plaques 12 de l’empilement 10. Ceci permet notamment une répartition homogène de la chaleur dégagée par le ou les éléments électriques chauffant 50 au sein des plaques 12.

La ou les faces externes 4, ainsi que les faces latérales externes 40, dépendent fortement de la forme générale de l’échangeur de chaleur 1, qui est elle-même intimement liée à la forme de l’empilement 10 des plaques 12.

Dans un premier exemple, notamment illustré dans les Figures 1 à 4, les plaques 12 ont une forme rectangulaire ; l’empilement 10 prend la forme générale d’un parallélépipédique rectangle. Cette forme parallélépipédique permet de distinguer une longueur L et une largeur T (figure 3), qui correspondent respectivement à la longueur et la largeur des plaques 12. Une hauteur H de l’échangeur de chaleur 1 désigne par exemple la dimension de l’empilement des plaques suivant la direction d’empilement X, comme indiqué sur la Figure 1.

La forme en parallélépipède rectangle de l’empilement 10 de plaques 12 de l’échangeur de chaleur 1 fait ainsi apparaître six faces externes 4 dont quatre faces latérales externes 40. Les faces latérales externes 40 s’étendent alors parallèlement à l’axe d’empilement X. Parmi les quatre faces latérales externes 40, l’on peut distinguer deux grandes faces longitudinales 42 opposées entre elles et deux petites faces latérales 44 opposées entre elles. Les deux petites faces latérales 44 relient les deux grandes faces longitudinales 42 entre elles. Les deux faces externes 4 restantes du parallélépipède sont alors opposées entre elles et prennent en sandwich l’ensemble de l’empilement 10 des plaques 12. A titre illustratif, la Figure 1 montre un élément électrique chauffant 50 qui recouvre partiellement une petite face latérale 44 et un autre élément électrique chauffant 50 qui recouvre partiellement une grande face longitudinale 42.

Selon une autre variante, l’empilement 10 de plaques 12 peut avoir une forme cubique, comme illustré par exemple sur la Figure 5. Dans cette configuration particulière, toutes les faces externes 4 ont la même taille et la hauteur H, la longueur L et la largeur T sont sensiblement identiques en termes de dimensions.

Selon une autre variante non illustrée, l’empilement 10 peut être de forme cylindrique, dans ce cas les plaques 12 ont une forme en assiette et les faces externes 4 comprennent deux faces circulaires délimitant les extrémités du cylindre et une face latérale externe 40 qui correspond au manteau du cylindre.

Plusieurs types d’éléments électriques chauffant 50 solidaires des faces externes 4 sont envisageables pour apporter de la chaleur au fluide caloporteur 30. Selon un premier mode de réalisation, le ou les éléments électriques chauffant 50 sont par exemple des fils résistifs 51 qui sont par exemple collés sur les faces externes 4 de l’échangeur de chaleur 1, comme illustré dans le cas particulier d’un échangeur de chaleur de forme cubique sur la Figure 5. Utiliser des fils résistifs 51 en tant qu’éléments électriques chauffant 50 est une solution économique.

Selon un autre mode de réalisation non illustré, l’élément électrique chauffant 50 comporte par exemple des céramiques ou pierres à effet CTP, c’est-à-dire à coefficient de température positif. Ces céramiques ou ces pierres sont des solides dont la valeur résistive varie très fortement en fonction de la température. Plus précisément, la valeur ohmique des éléments résistifs CTP croit très rapidement au-delà d’un seuil de température prédéterminé. Ces céramiques ou pierres à effet CTP sont couramment utilisés dans les dispositifs de chauffage destinés au domaine de l’automobile.

Selon le type d’élément électrique chauffant 50 choisi pour cette application, l’élément électrique chauffant 50 comprend par exemple un patin de conduction thermique 52 (« thermal pad » en anglais) qui est en contact avec la face externe 4. Un tel patin de conduction thermique 52 est configuré pour permettre une meilleure conduction de l’énergie calorifique entre l’élément électrique chauffant 50 et la face externe 4. Le patin de conduction thermique 52 permet également de compenser les défauts de planéité entre les surfaces de l’élément électrique chauffant 50 et la face externe 4. Le patin de conduction thermique 52 est un exemple concret d’une couche interposée entre l’élément électrique chauffant 50 et les plaques 12 qui sont alors en contact indirect.

L’utilisation de patins de conduction thermique 52 permet de plus de combler les espaces d’air résidus entre les faces externes 4 et le ou les éléments électriques chauffant 50. Ces espaces d’air résidus sont par exemple dus aux aspérités présentes sur les surfaces des éléments à mettre en contact et peuvent présenter un obstacle à la conduction thermique puisque l’air est relativement mauvais conducteur thermique. Les patins de conduction thermique 52 peuvent ainsi permettre d’augmenter le transfert de chaleur en épousant la forme des aspérités de manière à augmenter la surface d’échange.

Une autre solution envisageable pour augmenter à la fois la surface d’échange et la conductivité thermique entre le ou les éléments électriques chauffant 50, les faces externes 4 et les plaques 12 est d’utiliser de la pâte thermique pour solidariser les éléments électriques chauffant 50 aux faces externes 4. De manière similaire au patin de conduction thermique 52, la pâte thermique peut permettre un contact optimal entre les surfaces d’échange et peut participer à l’élimination de poches d’air formées par les micros porosités des surfaces entre lesquelles l’on souhaite effectuer un transfert thermique. La pâte thermique peut également être utilisée pour maintenir l’élément électrique chauffant 50 sur la ou les faces externes 4 dans le cas où elle a des propriétés adhésives. Elle peut par exemple se présenter sous la forme d’un morceau de ruban adhésif double-face qui est utilisé pour tenir en place l’élément électrique chauffant 50 sur la ou les faces externes 4 de l’empilement 10. Elle peut également se présenter sous la forme d’un liquide visqueux permettant de combler les micros porosités des surfaces de l’élément électrique chauffant 50 et de la face externe 4. Une pâte thermique sous forme de liquide visqueux se solidifie par exemple après un temps d’attente pour solidariser l’élément électrique chauffant 50 à la face externe 4.

La pâte thermique est un autre exemple concret d’une couche interposée entre l’élément électrique chauffant 50 et les plaques 12 qui sont alors en contact indirect. Le choix d’une pâte thermique est fait en fonction d’un certain nombre de critères tel que sa viscosité, sa conductivité électrique, son adhérence aux surfaces, sa consistance dans les gammes de températures envisagées lors du fonctionnement de l’échangeur de chaleur 1 ou encore sa tenue dans le temps.

Selon un autre mode de réalisation, l’élément électrique chauffant 50 est par exemple une couche d’encre conductrice ou de peinture thermique déposée par exemple par sérigraphie sur la au moins une face externe 4 de l’échangeur de chaleur 1. Lorsque l’on applique une tension électrique à la couche d’encre conductrice ou de peinture chauffante, la température de cette couche augmente et dissipe de la chaleur par effet joule. Elle sert ainsi d’élément électrique chauffant 50 au sein de l’échangeur de chaleur 1. Utiliser une telle encre conductrice ou une telle peinture thermique permet de démultiplier la surface d’échange pour le transfert de chaleur avec un encombrement minimal.

Pour augmenter la surface d’échange entre l’élément électrique chauffant 50 et les plaques 12, au moins l’une des faces externes 4 comporte des extensions 18 faisant saillie vers l’extérieur de l’empilement 10. Selon un mode de réalisation de l’échangeur de chaleur 1, ces extensions 18 sont des prolongements des tranches 19 des plaques 12 de l’empilement 10, comme illustré à la Figure 6. Les extensions 18 sont par exemple recouvertes d’une ou de plusieurs couches d’encre conductrice ou de peinture chauffante, augmentant ainsi la surface d’échange pour le transfert thermique entre l’élément électrique chauffant 50 et les plaques 12.

Selon une variante non illustrée, ces extensions 18 peuvent se présenter sous la forme de picots agencés sur une ou plusieurs faces externes 4 de l’échangeur de chaleur 1. De tels picots ou un prolongement des tranches 19 des plaques 12 sont par exemples compatibles avec l’utilisation d’un patin de conduction thermique 52 puisque ce dernier est par exemple configuré pour épouser la forme des picots faisant office d’extensions 18 pour augmenter la surface d’échange au cours du transfert thermique entre l’élément électrique chauffant 50 et les plaques 12.

Dans le but d’améliorer le transfert de chaleur au sein de l’empilement 10 de plaques 12, l’échangeur de chaleur 1 peut être encapsulé, ladite encapsulation étant configurée pour isoler thermiquement l’échangeur de chaleur 1 de son environnement extérieur, comme illustré sur la Figure 7. L’échangeur de chaleur 1 avec l’au moins un élément électrique chauffant 50 peut par exemple être encapsulé, enveloppé ou noyé dans un milieu isolant thermiquement pour limiter les pertes de chaleur vers le milieu extérieur de l’échangeur de chaleur 1 lors des transferts thermiques.

Cet encapsulant est par exemple un boîtier 70 isolant thermiquement dans lequel est inséré l’échangeur de chaleur 1. Le boîtier 70 est par exemple en plastique et/ou composé d’une mousse isolante qui peut par exemple être collée sur l’élément électrique chauffant 50. Sur la Figure 7 représentant l’échangeur de chaleur 1 encapsulé dans une telle encapsulation d’isolation thermique, une face avant du boîtier 70 a été omise pour visualiser l’emplacement de l’échangeur de chaleur 1 au sein du boîtier 70. Cette face est normalement fermée.

D’une manière générale, les matériaux envisageables pour une telle encapsulation de l’échangeur de chaleur 1 sont compatibles mécaniquement avec l’environnement extérieur qui est dans ce cas précis celui d’un véhicule automobile. De tels matériaux sont par exemple stables thermiquement au cours du temps dans une gamme de température plus large que celle théoriquement couverte par les plaques de l’empilement et/ou par les fluides circulant dans l’échangeur de chaleur 1 .

Le boîtier 70 d’encapsulation a par exemple un coefficient d’expansion thermique compatible avec son environnement. Plus précisément, les parois du boîtier 70, qui peuvent avoir des épaisseurs variables, limitent l’apparition de contraintes thermomécaniques sur les matériaux avec lesquels ils sont en contact. Inversement, les parois du boîtier 70 ne subissent pas non plus de contraintes thermomécaniques de la part des matériaux qu’ils encapsulent.

Un autre rôle de l’encapsulation est de protéger l’échangeur de chaleur 1 des agressions externes de type chimique, telles que l’humidité ou des sources de contamination, et de type mécanique, comme par exemple des vibrations ou des chocs.

Lorsque l’échangeur de chaleur 1 est utilisé pour chauffer le fluide caloporteur 30, le fluide réfrigérant 32 ne circule pas à travers l’échangeur de chaleur, seul le fluide caloporteur 30 est amené à circuler. La chaleur dégagée par les éléments électriques chauffant 50 disposés par exemple sur les faces latérales externes 40 est par exemple drainée par les plaques 12 au contact du fluide caloporteur 30.

Lorsque l’échangeur de chaleur 1 est utilisé pour refroidir les batteries, les éléments électriques chauffant 50 ne dégagent pas de chaleur. Leur présence au niveau des faces externes 4 de l’empilement 10 peut permettre une isolation thermique supplémentaire limitant les pertes thermiques.

Un tel échangeur de chaleur 1 permet alors d’utiliser un même empilement 10 de plaques 12 pour assurer la fonction de chauffage et la fonction de refroidissement pour la régulation thermique des batteries, notamment dans le domaine automobile. Les avantages principaux d’un tel échangeur de chaleur 1 à plaques 12 sont par exemple des gains en espace et en coût lors de l’intégration de l’échangeur de chaleur 1 au sein du véhicule automobile, économisant ainsi du matériel, de la place, du poids et des coûts.

Claims

Échangeur de chaleur (1) comprenant un empilement (10) de plaques (12) destiné à permettre un échange de chaleur entre un premier fluide (30) et un deuxième fluide (32), caractérisé en ce qu’il comporte sur au moins une de ses faces externes (4) au moins un élément électrique chauffant (50), ledit au moins un élément électrique chauffant (50) recouvrant au moins partiellement la surface de ladite face externe (4).
Échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la au moins une face externe (4) comportant l’élément électrique chauffant (50) est une face latérale externe (40) parallèle à l’axe d’empilement (X), ladite au moins une face latérale externe (40) étant orientée perpendiculairement aux plans des plaques (12) de l’empilement (10).
Échangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ce l’empilement (10) des plaques (12) a une forme parallélépipédique comportant quatre faces externes latérales (40) s’étendant parallèlement à l’axe d’empilement (X).
Échangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la au moins une face externe (4) comportant l’élément électrique chauffant (50) comporte des extensions (18) faisant saillie vers l’extérieur de l’empilement (10), lesdites extensions (18) étant configurées pour augmenter la surface d’échange entre la face externe (4) et l’élément électrique chauffant (50).
Échangeur de chaleur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les extensions (18) faisant saillie vers l’extérieur de l’empilement (10) sont des prolongements des tranches (19) des plaques (12) de l’empilement (10), lesdits prolongements faisant saillies par rapport aux faces latérales externes (40).
Échangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le au moins un élément électrique chauffant (50) est un fil résistif (51).
Échangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 et 6, caractérisé en ce que le au moins un élément électrique chauffant (50) comporte un patin de conduction thermique (52) en contact avec la face externe (4).
Échangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le au moins un élément électrique chauffant (50) est une couche d’encre conductrice ou de peinture thermique déposée sur la surface de la au moins une face externe (4) de l’échangeur de chaleur (1).
Échangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est encapsulé, ladite encapsulation étant configurée pour isoler thermiquement l’échangeur de chaleur (1) de son environnement extérieur.
Dispositif de gestion thermique, caractérisé en ce qu’il comprend un échangeur de chaleur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes.