FR3111970A1 - Échangeur thermique comprenant un organe hélicoïdal de distribution du liquide caloporteur. - Google Patents

Échangeur thermique comprenant un organe hélicoïdal de distribution du liquide caloporteur. Download PDF

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Abstract

Titre : Échangeur thermique comprenant un organe hélicoïdal de distribution du liquide caloporteur. La présente invention concerne un échangeur thermique (1) pour véhicule automobile comprenant au moins un faisceau (2) d’échange de chaleur constitué d’une pluralité de plaques (3) de circulation imbriquées les unes dans les autres suivant une direction d’empilement (E), le faisceau (2) d’échange de chaleur comprenant un premier circuit (20) destiné à être parcouru par un liquide caloporteur (7) et comprenant au moins un premier collecteur d'entrée (44a) et un deuxième circuit (22) destiné à être parcouru par un fluide réfrigérant et comprenant un deuxième collecteur d'entrée (44b), au moins un organe hélicoïdal (48) s’étend dans le volume définit par le premier collecteur d’entrée (44a).

Description

Échangeur thermique comprenant un organe hélicoïdal de distribution du liquide caloporteur.
La présente invention se rapporte au domaine des échangeurs thermiques, notamment destinés à équiper les systèmes de traitement thermique de véhicule automobile, tels que des climatisations et/ou des systèmes de refroidissement de véhicules automobiles.
Dans le domaine automobile, il est courant d’avoir à modifier une température d’un composant, tel qu’un moteur électrique, une batterie, un dispositif de stockage de calories et/ou de frigories ou analogues. A cet effet, le véhicule automobile est équipé d’un échangeur de chaleur qui comprend un faisceau d’échange de chaleur au sein duquel est ménagé un circuit de fluide réfrigérant à l’intérieur duquel circule un fluide réfrigérant et un circuit de liquide caloporteur à l’intérieur duquel circule un liquide caloporteur. Afin de faire circuler le fluide réfrigérant et le liquide caloporteur dans le faisceau d’échange de chaleur, le circuit de fluide réfrigérant et le circuit de liquide caloporteur comprennent respectivement une pluralité de chambres et une pluralité de canaux. La pluralité de chambres est alors alimentée en liquide caloporteur, au moyen d’un premier collecteur d’entrée, tandis que la pluralité de canaux est alimentée en fluide réfrigérant, au moyen d’un deuxième collecteur d’entrée.
Afin d’effectuer les échanges thermiques entre le liquide caloporteur et le fluide réfrigérant, chacun des canaux est agencé en alternance avec chacune des chambres, de telle sorte qu’une chambre soit encadrée de part et d’autre par un canaux.
Un problème d’un tel échangeur de chaleur réside en ce que le flux du liquide caloporteur dans la pluralité de chambres n’est pas répartie de manière homogène. En effet, il a été observé par les inventeurs que le flux de liquide caloporteur ne circulait pas en quantité similaire au sein de chacune des chambres du faisceau d’échange de chaleur. Cet effet de la distribution du liquide caloporteur dans chacune des chambres tend à réduire les échanges thermiques entre le liquide caloporteur et le fluide réfrigérant, dans les chambres les moins alimentées.
La présente invention a pour objet de répondre au moins en partie au problème précédent en optimisant la répartition du flux du liquide caloporteur dans chacune des chambres du premier circuit du faisceau d’échange de chaleur.
L’invention porte sur échangeur thermique pour véhicule automobile comprenant au moins un faisceau d’échange de chaleur constitué d’une pluralité de plaques, imbriquées les unes dans les autres suivant une direction d’empilement, le faisceau d’échange de chaleur comprenant :
un premier circuit destiné à être parcouru par un liquide caloporteur et comprenant un premier collecteur d'entrée par lequel le liquide caloporteur est admis dans l’échangeur thermique et un premier collecteur de sortie par lequel le liquide caloporteur sort de l’échangeur thermique, le premier circuit comprenant une pluralité de chambres hydrauliquement reliées au premier collecteur d’entrée et au premier collecteur de sortie,
un deuxième circuit destiné à être parcouru par un fluide réfrigérant et comprenant un deuxième collecteur d'entrée par lequel le fluide réfrigérant est admis dans l'échangeur thermique et un deuxième collecteur de sortie par lequel le fluide réfrigérant sort de l'échangeur thermique, le deuxième circuit comprenant une pluralité de canaux hydrauliquement reliés au deuxième collecteur d’entrée et deuxième collecteur de sortie,
l’échangeur thermique étant configuré pour mettre en œuvre un échange de chaleur entre le liquide caloporteur circulant dans la pluralité de chambres et le fluide réfrigérant circulant dans la pluralité de canaux, caractérisé en ce que l’échangeur thermique comprend au moins un organe hélicoïdal de distribution du liquide caloporteur dans la pluralité de chambres du premier circuit, l’organe hélicoïdal s’étendant dans un volume définit par le premier collecteur d’entrée du premier circuit du faisceau d’échange de chaleur.
L’échangeur thermique peut être un échangeur thermique configuré pour le refroidissement d’au moins un composant d’un véhicule automobile, tel que des dispositifs de stockage électrique et peut également équiper des systèmes de climatisation dudit véhicule automobile. Afin de mettre en œuvre les échanges thermiques entre le liquide caloporteur et le fluide réfrigérant, la pluralité de chambres et la pluralité de canaux sont agencées, dans le faisceau d’échange de chaleur, en alternance. Dit autrement, chacune des chambres et chacun des canaux sont ménagés en alternance suivant la direction d’empilement des plaques.
On tire avantage de l’organe hélicoïdal en ce qu’il assure une répartition homogène d’une quantité de liquide caloporteur dans chacune des chambres du faisceau d’échange de chaleur. De la sorte, on permet d’optimiser les échanges thermiques entre le liquide caloporteur et le fluide réfrigérant qui circule respectivement dans la pluralité de chambres et la pluralité de canaux.
Selon un exemple de l’invention, la pluralité de chambres est répartie en un premier groupe de chambres et un deuxième groupe de chambres réparties de part et d’autre d’un plan perpendiculaire à la direction d’empilement des plaques, l’organe hélicoïdal étant configuré pour générer une répartition du liquide caloporteur différentiée entre le premier groupe de chambres et le deuxième groupe de chambres.
Selon un exemple de l’invention, le faisceau d’échange de chaleur comprend une ouverture d’admission du liquide caloporteur en communication avec le premier collecteur d’entrée, l’organe hélicoïdal réduisant une quantité de liquide caloporteur envoyée dans le groupe de chambres le plus éloigné de l’ouverture d’admission.
Le premier groupe de chambres constitue le groupe de chambres le plus proche de l’ouverture d’admission tandis que le deuxième groupe de chambres constitue le groupe de chambres le plus éloigné de l’ouverture d’admission. On comprend alors que l’organe hélicoïdal permet une alimentation plus importante du premier groupe de chambres en liquide caloporteur et une alimentation diminuée dans le deuxième groupe de chambres en liquide caloporteur. De la sorte, on équilibre la quantité de liquide caloporteur qui circule dans le premier groupe de chambres et dans le deuxième groupe de chambres afin que les échanges thermiques soient sensiblement égaux entre chacune des chambres et chacun des canaux du faisceau d’échange de chaleur.
Selon un exemple de l’invention, l’organe hélicoïdal comprend au moins une tige qui s’étend suivant une direction axiale de l’organe hélicoïdal, parallèlement à la direction d’empilement des plaques, et au moins une hélice qui s’étend en spirale autour de la tige.
L’organe hélicoïdal permet la répartition homogène du liquide caloporteur au sein de chacune des chambres du faisceau d’échange de chaleur. De manière plus précise, le liquide caloporteur entre dans le premier collecteur d’entrée au niveau de l’ouverture d’admission suivant une première direction sensiblement rectiligne et parallèle à la direction d’empilement des plaques. L’hélice de l’organe hélicoïdal a alors pour fonction de modifier cette première direction du liquide caloporteur en une deuxième direction sécante de la première direction.
Selon un exemple de l’invention, la tige comprend une première extrémité et une deuxième extrémité, opposées l’une à l’autre suivant la direction axiale de l’organe hélicoïdal, l’hélice s’étendant radialement autour de la tige depuis au moins l’une des extrémités de la tige.
On tire avantage d’une telle caractéristique en ce qu’on optimise la répartition du flux du liquide caloporteur dans chacune des chambres du faisceau d’échange de chaleur au moyen de l’hélice qui s’étend le long de la tige de l’organe hélicoïdal. En effet, une telle hélice permet de modifier la direction du liquide caloporteur tout en autorisant le déplacement de celui-ci le long de l’axe de la tige
Selon un exemple de l’invention, l’hélice s’étend de manière continue entre la première extrémité de la tige et la deuxième extrémité de la tige. De manière alternative, l’hélice s’étend de manière discontinue entre la première extrémité de la tige et la deuxième extrémité de la tige.
Selon un exemple de l’invention, le premier collecteur d’entrée s’étend sur une longueur parallèle à la direction d’empilement des plaques et l’organe hélicoïdal s’étend sur une dimension axiale mesurée le long de sa direction axiale, la dimension axiale de l’organe hélicoïdal étant au moins égale à la longueur du premier collecteur d’entrée.
Selon un exemple de l’invention, la dimension axiale de l’organe hélicoïdal est strictement supérieure à la longueur du premier collecteur d’entrée.
On comprend de ces caractéristiques que l’organe hélicoïdal s’étend au moins axialement sur l’intégralité de la longueur du premier collecteur d’entrée. Avantageusement, l’organe hélicoïdal s’étend axialement en dehors du volume définit par le premier collecteur d’entrée.
Selon un exemple de l’invention, le premier collecteur d’entrée comprend une première section et l’organe hélicoïdal comprend une deuxième section strictement inférieure à la première section. On entend par section, une surface correspondant à une projection du premier collecteur d’entrée ou de l’organe hélicoïdal sur un plan perpendiculaire à la direction d’empilement des plaques.
Selon un exemple de l’invention, la deuxième section de l’organe hélicoïdal est comprise entre 20% et 80% de la première section du premier collecteur d’entrée.
Selon un exemple de l’invention, la première section du premier collecteur d’entrée est circulaire.
Selon un exemple de l’invention, une dimension radiale de l’hélice de l’organe hélicoïdal est décroissante depuis la première extrémité de la tige vers la deuxième extrémité de la tige. On comprend de cette caractéristique que la dimension radiale de l’hélice est plus grande au niveau du deuxième groupe de chambres que la dimension radiale de l’hélice au niveau du premier groupe de chambres. De la sorte, on optimise la diminution de la quantité de liquide caloporteur qui irrigue le deuxième groupe de chambres, et on amplifie la quantité de liquide caloporteur qui irrigue le premier groupe de chambres. Le liquide caloporteur a ainsi plus de difficulté à rejoindre le fond du collecteur et entre donc plus naturellement dans les chambres les plus proches de la première ouverture d’admission.
Selon un exemple de l’invention, l’hélice de l’organe hélicoïdal comprend un pas d’hélice compris entre 50% et 10% de la longueur du premier collecteur d’entrée. On entend par pas d’hélice, une distance constante entre deux spires de l’hélice, prise le long d’une droite parallèle à la direction axiale de l’organe hélicoïdal.
Selon un exemple de l’invention, chacune des plaques de la pluralité de plaques du faisceau d’échange de chaleur comprend une paroi de fond entourée d’un bord relevé et la pluralité de plaques est répartie en un corps de faisceau compris entre une première plaque d’extrémité et une deuxième plaque d’extrémité opposées l’une à l’autre suivant la direction d’empilement des plaques, chacune des parois de fond des plaques du corps de faisceau comprend au moins une ouverture qui délimite au moins en partie le volume du premier collecteur d’entrée, la paroi de fond de la première plaque d’extrémité comprenant l’ouverture d’admission du liquide caloporteur dans le premier collecteur d’entrée et la deuxième plaque d’extrémité présentant sa paroi de fond qui s’étend au droit des ouvertures des plaques du corps de faisceau, au moins un moyen de fixation étant ménagé entre l’organe hélicoïdal et au moins une des plaques de la pluralité de plaques du faisceau d’échange de chaleur.
On comprend que le moyen de fixation a pour fonction de fixer la position de l’organe hélicoïdal au sein du volume du premier collecteur d’entrée.
Selon un exemple de l’invention, l’au moins un moyen de fixation est ménagé entre la deuxième plaque d’extrémité et la première extrémité de la tige de l’organe hélicoïdal.
Selon un exemple de l’invention, l’au moins un moyen de fixation est ménagé entre la paroi de fond de la deuxième plaque d’extrémité et la première extrémité de la tige de l’organe hélicoïdal.
Selon un exemple de l’invention, l’au moins un moyen de fixation est ménagé entre au moins une des plaques du corps de faisceau et l’organe hélicoïdal.
Selon un exemple de l’invention, l’échangeur thermique comprend au moins un bloc d’alimentation ménagé au droit du premier collecteur d’entrée et contre la première plaque d’extrémité du faisceau d’échange de chaleur, l’organe hélicoïdal s’étendant au moins en partie dans un volume définit par le bloc d’alimentation.
On comprend de cette caractéristique et selon ce qui fut évoqué précédemment, que l’organe hélicoïdal s’étend axialement dans le volume définit par le premier collecteur d’entrée et dans le volume définit par le bloc d’alimentation.
Selon un exemple de l’invention, l’organe hélicoïdal est en aluminium.
Selon une alternative de l’invention, l’organe hélicoïdal est en une matière synthétique.
L’invention porte également sur un système de traitement thermique d’au moins un habitacle d’un véhicule automobile et/ou d’un dispositif de stockage d’énergie électrique du véhicule automobile et/ou de moyens de commande d’un moteur électrique propulsant le véhicule automobile, comprenant au moins un échangeur thermique selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes.
Selon un exemple du système de traitement thermique le liquide caloporteur est de l'eau glycolée.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore au travers de la description qui suit d’une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés d’autre part, sur lesquels :
est une vue schématique en perspective d’un échangeur thermique selon l’invention ;
est une vue en coupe suivant un plan vertical du faisceau d’échange de chaleur de la figure 1 comprenant au moins un organe hélicoïdal selon l’invention ;
est une vue schématique en perspective d’une plaque d’un faisceau d’échange de chaleur de l’échangeur thermique de la figure 1 ;
est une vue rapprochée en coupe verticale du premier collecteur d’entrée comprenant l’organe hélicoïdal selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
est une vue rapprochée en coupe verticale du premier collecteur d’entrée comprenant l’organe hélicoïdal selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ;
représente une installation de traitement thermique qui est apte à modifier une température d’un habitacle d’un véhicule automobile et/ou d’un dispositif de stockage d’énergie électrique du véhicule automobile et/ou de moyens de commande d’un moteur électrique propulsant le véhicule automobile, l’installation comprenant un échangeur thermique représenté sur les figures précédentes.
Il faut tout d’abord noter que si les figures exposent l’invention de manière détaillée pour sa mise en œuvre, elles peuvent bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant. Il est également à noter que, sur l’ensemble des figures, les éléments similaires et/ou remplissant la même fonction sont indiqués par la même numérotation.
Dans la description qui va suivre, une direction d’un axe longitudinal L, une direction d’un axe transversal T, et une direction d’un axe vertical V sont représentées par un trièdre (L, V, T) sur les figures. On définit un plan horizontal comme étant un plan perpendiculaire à l’axe vertical, un plan longitudinal comme étant un plan perpendiculaire à l’axe transversal, et un plan transversal comme étant un plan perpendiculaire à l’axe longitudinal.
La figure 1 montre en perspective un échangeur thermique 1 selon l’invention, utilisé dans un système de traitement thermique notamment pour refroidir notamment des cellules d’une batterie électrique. Cet échangeur thermique 1 pourrait être aussi employé pour refroidir et/ou réchauffer d’autres composants se trouvant dans un véhicule automobile.
L’échangeur thermique 1 met en œuvre un échange de calories entre un liquide caloporteur 7 et un fluide réfrigérant 5, le liquide caloporteur 7 étant alors refroidi par le fluide réfrigérant 5. Le liquide caloporteur 7 est de l’eau glycolée.
Le fluide réfrigérant 5 est par exemple du dioxyde de carbone ou un fluide frigorigène connu sous l’acronyme R134A ou 1234YF.
En référence à la figure 1, l’échangeur thermique 1 comprend un faisceau 2 d’échange de chaleur formé par un empilement de plaques 3, superposées les unes aux autres le long d’une direction d’empilement E, parallèle à l’axe vertical V. L’échangeur thermique 1, et donc le faisceau 2, comprend une première extrémité longitudinale 4 et une deuxième extrémité longitudinale 6 opposée à la première extrémité longitudinale 4 selon l’axe longitudinal L. La première extrémité longitudinale 4 et la deuxième extrémité longitudinale 6 sont opposées par rapport à un centre 8 de l’échangeur thermique 1.
L’échangeur thermique 1, et donc le faisceau 2, comprend une première extrémité transversale 10 et une deuxième extrémité transversale 12 opposée à la première extrémité transversale 10 selon l’axe transversal T. La première extrémité transversale 10 et la deuxième extrémité transversale 12 sont opposées par rapport au centre 8 de l’échangeur thermique 1.
Le faisceau 2 comprend une première plaque d’extrémité 14 et une deuxième plaque d’extrémité 16 qui délimitent le faisceau 2 le long de l’axe d’empilement E. Entre ces deux plaques d’extrémité 14, 16 sont agencées les plaques 3 qui forme un corps de faisceau 18 et qui délimitent deux circuits de circulation distincts : un premier circuit de circulation 20 configuré pour être parcouru par le liquide caloporteur 7 et un deuxième circuit de circulation 22 configuré pour être parcouru par le fluide réfrigérant 5.
Tel que cela est visible à la figure 2, illustrant une vue en coupe suivant le plan vertical A-A visible à la figure 1, deux plaques 3 immédiatement adjacentes définissent une chambre 24 ou un canal 26, où peut circuler respectivement le liquide caloporteur 7 et le fluide réfrigérant. Les chambres 24 agencées pour la circulation du liquide caloporteur 7, alternent avec les canaux 26 agencés pour la circulation du fluide réfrigérant. Ainsi, une première plaque 3 peut être agencée pour la circulation du liquide caloporteur 7 en collaboration avec une deuxième plaque 3 adjacente, et être agencée pour la circulation du fluide réfrigérant en collaboration avec une troisième plaque 3 adjacente. Une même plaque 3 est ainsi léchée d’un côté par le liquide caloporteur 7 et de l’autre par le fluide réfrigérant.
L’ensemble des chambres 24 participent à former au moins en partie le premier circuit 20. L’ensemble des canaux 26 participent à former au moins en partie le deuxième circuit 22.
Comme visible sur la figure 3, chaque plaque 3 présente la forme d’une baignoire, c’est-à-dire qu’elle comprend une paroi de fond 28 entourée d’un bord relevé 30. La paroi de fond 28 a une forme de rectangle aux angles arrondis. Le bord relevé 30 entourant la paroi de fond 28 s’étend de façon continue tout autour de la plaque 3.
Les plaques 3 sont empilées les unes sur les autres, une face supérieure 32 d’une première plaque 3 étant en regard d’une face inférieure d’une deuxième plaque adjacente. De même, une face inférieure de la première plaque 3 est en regard d’une face supérieure d’une troisième plaque adjacente.
Les plaques 3 sont fabriquées par emboutissage, estampage ou roulage d’un feuillard d’un matériau agencé pour autoriser des échanges thermiques suffisant pour permettre à l’échangeur thermique 1 de remplir son rôle. Il peut notamment s’agir d’aluminium ou d’un alliage d’aluminium.
Selon un exemple de l’invention, les plaques 3 peuvent comprendre au moins un dispositif de perturbation 36 illustré sur la figure 2 et agencé pour perturber la circulation du liquide circulant le long des plaques 3. Ceci permet d’améliorer les échanges de chaleur entre le liquide caloporteur et le fluide réfrigérant. Le dispositif de perturbation 36 est par exemple issu de matière avec les plaques 3, c’est-à-dire qu’ils forment un seul bloc de matière avec la plaque 3 sur laquelle il est formé. Le dispositif de perturbation 36 peut donc être issu du procédé de fabrication de la plaque 3, et est par exemple embouti en même temps que la plaque 3.
Le dispositif de perturbation 36 est ménagé sur la face supérieure 32 et sur la face inférieure de la paroi de fond 28 de la plaque 3 selon l’axe vertical V et s’étend entre la première extrémité longitudinale 4 et la deuxième extrémité longitudinale 6 de la plaque 3. Dans l’exemple illustré de la figure 2, le dispositif de perturbation 36 prend la forme de chevrons, c’est-à-dire une succession de sillons profilés en V vu dans un plan perpendiculaire à l’axe vertical V, c’est-à-dire dans le plan horizontal.
Chaque plaque 3 du corps de faisceau 18 comprend en outre des ouvertures 38. Dans l’exemple de l’invention, les plaques 3 du corps de faisceau 18 comporte chacune quatre ouvertures, disposées à chacun des angles de la plaque 3 et agencées dans la paroi de fond 28. Les plaques 3 comportent ainsi une première ouverture 38a, une deuxième ouverture 38b, une troisième ouverture 38c et une quatrième ouverture 38d. Les ouvertures 38 ont une forme circulaire et sont traversantes.
La première plaque d’extrémité 14 comprend également au moins une première ouverture d’admission 40 du liquide caloporteur, visible à la figure 2, une deuxième ouverture d’admission du fluide réfrigérant, non visible, tandis que la deuxième plaque d’extrémité 16 comprend au moins une première ouverture de sortie 43 du liquide caloporteur, visible à la figure 2, et une deuxième ouverture de sortie du fluide réfrigérant.
L’ensemble des ouvertures 38 des plaques 3 du corps du faisceau 18, de la première plaque d’extrémité 14 et de la deuxième plaque d’extrémité 16 sont agencées pour permettre le passage du liquide caloporteur et du fluide réfrigérant dans le faisceau 2 d’échange de chaleur.
En référence à la figure 3, la première ouverture 38a est disposée à l’angle de la première extrémité longitudinale 4 et de la première extrémité transversale 10 de l’échangeur thermique. Lorsque les plaques 3 sont empilées et forment le faisceau 2, les premières ouvertures 38a sont alors alignées entre elles et forment un premier collecteur d’entrée 44a du liquide caloporteur dans le premier circuit 20, visible à la figure 3. Le premier collecteur d’entrée 44a est bordé par le contour des première ouvertures 38a, la première plaque d’extrémité 14 et la deuxième plaque d’extrémité 16. Le premier collecteur d’entrée 44a présente donc une forme de cylindre droit de section circulaire. Le premier collecteur d’entrée 44a permet de répartir le liquide caloporteur dans les chambres 24 formant en partie le premier circuit 20.
Comme illustré à la figure 3, la deuxième ouverture 38b est disposée à l’angle de la première extrémité longitudinale 4 et de la deuxième extrémité transversale 12 de l’échangeur thermique. Lorsque les plaques 3 sont empilées et forment le faisceau 2, les deuxièmes ouvertures 38b sont alors alignées entre elles et forment le deuxième collecteur d’entrée 44b du fluide réfrigérant du deuxième circuit 22, visible à la figure 1. Le deuxième collecteur d’entrée 44b est bordé par le contour des deuxièmes ouverture 38b, la première plaque d’extrémité 14 et la deuxième plaque d’extrémité 16. Le deuxième collecteur d’entrée 44b présente donc une forme de cylindre droit de section circulaire et permet de répartir le fluide réfrigérant dans les canaux 26 formant en partie le deuxième circuit 22.
En référence à la figure 3, la troisième ouverture 38c est disposée à l’angle de la deuxième extrémité longitudinale 6 et de la deuxième extrémité transversale 12 de l’échangeur thermique. Lorsque les plaques 3 sont empilées et forment le faisceau 2, les troisièmes ouvertures 38c sont alors alignées entre elles et forment un deuxième collecteur de sortie 46b, visible à la figure 1, du fluide réfrigérant dans le deuxième circuit 22. Le deuxième collecteur de sortie 46b est bordé par le contour des troisièmes ouvertures 38c, la première plaque d’extrémité 14 et la deuxième plaque d’extrémité 16. Elle présente donc une forme de cylindre droit de section circulaire. Le deuxième collecteur de sortie 46b permet de rassembler le fluide réfrigérant réparti dans la pluralité de canaux 26 et de l’envoyer à l’extérieur du deuxième circuit 22 du faisceau 2 d’échange de chaleur.
Comme le montre la figure 3, la quatrième ouverture 38d est disposée à l’angle de la deuxième extrémité longitudinale 6 et de la première extrémité transversale 10 de l’échangeur thermique. Lorsque les plaques 3 sont empilées et forment le faisceau 2, les quatrièmes ouvertures 38d sont alors alignées entre elles et forment un premier collecteur de sortie 46a du liquide caloporteur, visible à la figure 2. Le premier collecteur de sortie 46a est bordée par le contour des quatrièmes ouvertures 38d, la première plaque d’extrémité 14 et la deuxième plaque d’extrémité 16. Elle présente donc une forme de cylindre droit de section circulaire et permet de rassembler le liquide caloporteur réparti dans la pluralité de chambres 24 et de l’envoyer en dehors du premier circuit 20 du faisceau 2 d’échange de chaleur.
On comprend alors que les collecteurs d’entrée 44a, 44b assurent l’entrée du liquide caloporteur et du fluide réfrigérant respectivement dans les chambres 24 et dans les canaux 26 du faisceau 2 d’échange de chaleur et que les collecteurs de sortie 46a, 46b assurent la sortie dudit liquide caloporteur et dudit fluide réfrigérant desdites chambres 24 et desdits canaux 26.
Afin d’assurer une répartition homogène du liquide caloporteur au sein de chacune des chambres 24 qui composent le faisceau 2 d’échange de chaleur, au moins un organe hélicoïdal 48, visible à la figure 2, est ménagé dans ledit premier collecteur d’entrée 44a. En effet, il a été remarqué par les inventeurs que la répartition du flux du liquide caloporteur depuis le premier collecteur d’entrée 44a vers chacune des chambres 24 n’était pas homogène, en ce sens que la quantité du liquide caloporteur qui arrive dans chacune des chambres 24 est plus important à mesure que l’on s’éloigne de l’entrée dudit premier collecteur d’entrée 44a. L’organe hélicoïdal 48 peut alors être en une matière synthétique ou en aluminium, et sera détaillé plus loin dans la suite de la description détaillée, notamment aux figures 4 et 5.
Pour obtenir le faisceau 2 de plaques 3, les différentes plaques 3 sont empilées selon la direction d’empilement E. L’ensemble des plaques 3 est alors brasé selon un procédé de brasage par passage dans un four. Cette étape solidarise les différentes plaques 3 entre elles.
Dans l’exemple de l’invention, les ouvertures d’admission 40 et les ouvertures de sortie 43 formées au niveau de la première plaque d’extrémité 14 et de la deuxième plaque d’extrémité 16 sont disposées aux droits des ouvertures 38 des plaques 3 du corps de faisceau 18. La première plaque d’extrémité 14 comprend ainsi la première ouverture d’admission 40 disposée au droit des premières ouvertures 38a et la deuxième ouverture d’admission, non visible, disposée au droit des deuxièmes ouvertures 38b. La deuxième plaque d’extrémité 16 comprend la deuxième ouverture de sortie disposée au droit des troisièmes ouvertures 38c et la première ouverture de sortie 43 disposée au droit des quatrièmes ouvertures 38d. Les ouvertures d’admission 40 et les ouvertures de sortie 43 ont une forme sensiblement circulaire dans le plan horizontal et sont traversantes.
On comprend alors que la première ouverture d’admission 40 et la deuxième ouverture d’admission forme les orifices d’entrée respectivement du liquide caloporteur et du fluide réfrigérant dans le premier collecteur d’entrée 44a et dans le deuxième collecteur d’entrée 44b. De même, la première ouverture de sortie 43 et la deuxième ouverture de sortie forment les orifices de sortie respectivement du liquide caloporteur et du fluide réfrigérant depuis le premier collecteur de sortie 46a et le deuxième collecteur de sortie 46b.
Selon un exemple de l’invention, l’échangeur thermique 1 comprend plusieurs blocs d’alimentation 52 et blocs de sortie 53 pour mettre en relation le premier circuit 20 et le deuxième circuit 22 du faisceau 2 d’échange de chaleur avec des conduits extérieurs de circulation.
Dans l’exemple de l’invention illustré en figure 1, l’échangeur thermique 1 comprend un premier bloc d’alimentation 52a pour que le liquide caloporteur 7 puisse entrer dans l’échangeur thermique 1 par la première ouverture d’admission 40 et le premier collecteur d’entrée 44a.
L’échangeur thermique 1 comporte en outre un deuxième bloc d’alimentation 52b pour que le fluide réfrigérant 5 puisse entrer dans l’échangeur thermique 1 par la deuxième ouverture d’admission et le deuxième collecteur d’entrée 44b.
L’échangeur thermique 1 comporte par ailleurs un deuxième bloc de sortie 53b, par laquelle le fluide réfrigérant 5 peut sortir de l’échangeur thermique 1 par le deuxième collecteur de sortie 46b et la deuxième ouverture de sortie.
L’échangeur thermique 1 comprend par ailleurs un premier bloc de sortie 53a, par laquelle le liquide caloporteur 7 peut sortir de l’échangeur thermique 1 par le premier collecteur de sortie et la première ouverture de sortie.
On comprend alors que chacun des blocs d’admission 52 et des blocs de sortie 53 comprend au moins un passage 55 qui s’étend dans ledit bloc d’alimentation 52 ou bloc de sortie 53 le long de la direction verticale V. Chacun des passages 55 des blocs d’admission 52 et des blocs de sortie 53 est donc au droit de l’ouvertures d’admission 40 ou de l’ouverture de sortie 43 auquel le bloc d’alimentation 52 ou le bloc de sortie 53 est associé, tel que précédemment évoqué. De la sorte on assure la liaison fluidique entre les blocs d’admission 52 et les blocs de sortie 53 avec les collecteurs d’entrée 44a, 44b ou les collecteurs de sortie 46a, 46b auquel chacun est associé. Les blocs d’admission 52 et les blocs de sortie 53 peuvent alors prendre de manière non limitative la forme d’un manchon ou d’un cylindre de base carré.
Selon l’invention, la pluralité de chambres 24 du faisceau 2 d’échange de chaleur est répartie en un premier groupe de chambres 24a et un deuxième groupe de chambres 24b, visibles à la figure 2, reparties de part et d’autre d’un plan perpendiculaire à la direction d’empilement E des plaques. Le premier groupe de chambres 24a est alors le plus proche de la première ouverture d’admission 40 de la première plaque d’extrémité 14, tandis que le deuxième groupe de chambres 24b est le plus éloigné de ladite première ouverture d’admission 40. Il a alors été observé par les inventeurs que le liquide caloporteur, lorsqu’il arrive dans le premier collecteur d’entrée 44a, alimente de manière plus importante le deuxième groupe de chambres 24b plutôt que le premier groupe chambres 24a. Cette inégalité dans l’alimentation des chambres 24 du premier circuit, tend à diminuer les performances de l’échangeur thermique.
L’organe hélicoïdal 48 a alors pour fonction de rétablir une homogénéité dans la distribution du fluide entre le premier groupe de chambres 24a et le deuxième groupe de chambres 24b, en générant une répartition différentiée entre le premier groupe de chambres 24a et le deuxième groupe de chambres 24b. De manière plus précise, l’organe hélicoïdal 48 diminue une quantité de liquide caloporteur envoyée dans le deuxième groupe de chambres 24b afin qu’une quantité plus importante de liquide caloporteur parcours le premier groupe de chambres 24a et rétablisse ainsi l’équilibre entre ces derniers.
L’organe hélicoïdal 48 va maintenant être décrit en rapport avec les figures 4 et 5 illustrant des vues en coupes, suivant le plan A-A vertical visible à la figure 1, du premier collecteur d’entrée 44a.
Tel qu’évoqué précédemment, l’organe hélicoïdal 48 s’étend dans le volume définit par le premier collecteur d’entrée 44a du premier circuit 20 du faisceau 2 d’échange de chaleur. L’organe hélicoïdal 48 comprend au moins une tige 54 qui s’étend suivant une direction axiale de l’organe hélicoïdal 48 qui est parallèle à la direction d’empilement E des plaques 3. L’organe hélicoïdal 48 comprend également au moins une hélice 56 qui s’étend en spirale autour de sa tige 54. De manière plus précise, on définit une première extrémité 58 et une deuxième extrémité 60 de la tige 54, opposées l’une à l’autre suivant la direction axiale de l’organe hélicoïdal 48, l’hélice 56 s’étendant alors en spirale autour de la tige 54 depuis au moins l’une de la première extrémité 58 ou de la deuxième extrémité 60 de la tige 54.
On définit une longueur D du premier collecteur d’entrée 44a correspondant à la distance le long duquel ce dernier s’étend suivant la direction d’empilement E des plaques 3, entre la première ouverture d’admission 40 et la paroi de fond 28 de la deuxième plaque d’extrémité 16. On définit également une dimension axiale H de l’organe hélicoïdal 48, correspondant à la distance le long duquel s’étend sa tige 54 suivant sa direction axiale, entre la première extrémité 58 et la deuxième extrémité 60 de ladite tige 54. Selon l’invention, la dimension axiale H de l’organe hélicoïdal 48 est au moins égale à la longueur D du premier collecteur d’entrée 44a.
On comprend alors que l’organe hélicoïdal 48 s’étend au moins axialement dans le volume définit par le premier collecteur d’entrée 44a. Avantageusement, la dimension axiale H de l’organe hélicoïdal 48 est supérieure à la longueur D du premier collecteur d’entrée 44a. Dit autrement, l’organe hélicoïdal 48 s’étend axialement dans le volume définit par le premier collecteur d’entrée 44a et au moins dans le volume définit par le premier bloc d’alimentation 52a, ici le passage 55 du premier bloc d’alimentation 52a. On tire avantage d’une telle configuration de l’organe hélicoïdal 48 en ce qu’on optimise la répartition homogène du liquide caloporteur dans chacune des chambres 24 du faisceau 2 d’échange de chaleur, le flux dudit liquide caloporteur étant modifié dès son arrivé dans le passage 55 du premier bloc d’alimentation 52a.
Toujours selon l’invention, l’hélice 56 de l’organe hélicoïdal 48 comprend un pas d’hélice P permettant une perturbation adéquate du flux du liquide caloporteur. On comprend par pas d’hélice P, une distance constante entre deux spires de l’hélice 56, prise le long d’une droite parallèle à la direction axiale de l’organe hélicoïdal 48. Ainsi, le pas d’hélice P est avantageusement compris entre 50% et 10% de la longueur D du premier collecteur d’entrée 44a.
Tel que précédemment évoqué, le premier collecteur d’entrée 44a est délimité en partie par les ouvertures 38 circulaires. On comprend alors que le premier collecteur d’entrée 44a comprend une première section S1, prise dans un plan perpendiculaire à la direction d’empilement E des plaques 3, circulaire. On définit une deuxième section S2 de l’organe hélicoïdal 48, la deuxième section S2 étant prise dans un plan perpendiculaire à la direction axiale de l’organe hélicoïdal 48. On entend par section, une surface correspondant à une projection du premier collecteur d’entrée 44a ou de l’organe hélicoïdal sur un plan perpendiculaire à la direction d’empilement E des plaques 3.
Selon l’invention, la deuxième section S2 de l’organe hélicoïdal 48 est strictement inférieure à la première section S1 du premier collecteur d’entrée 44a. De manière plus précise, la deuxième section S2 de l’organe hélicoïdal 48 est comprise entre 20% et 80% de la première section S1 du premier collecteur d’entrée 44a.
Afin de solidariser l’organe hélicoïdal 48 dans le volume délimité par le premier collecteur d’entrée 44a, au moins un moyen de fixation 62 est disposé entre ledit organe hélicoïdal 48 et au moins une des plaques 3 de la pluralité de plaques 3 du faisceau 2 d’échange de chaleur.
Selon un premier exemple de l’invention visible à la figure 4, le moyen de fixation 62 est ménagé entre la deuxième plaque d’extrémité 16 et la première extrémité 58 de la tige 54 de l’organe hélicoïdal 48. De manière plus précise, le moyen de fixation 62 est ménagé entre la paroi de fond 28 de la deuxième plaque d’extrémité 16 et la première extrémité 58 de la tige 54.
Le moyen de fixation 62 assure alors le maintien de l’organe hélicoïdal 48 au sein du volume du premier collecteur d’entrée 44a.
On définit une dimension radiale W de l’hélice 56 de l’organe hélicoïdal 48, la dimension radiale W étant prise suivant un plan perpendiculaire à la direction axiale de la tige 54 de l’organe hélicoïdal 48. Selon le premier mode de réalisation de l’invention, la dimension radiale W de l’hélice 56 de l’organe hélicoïdal 48 est sensiblement constante depuis la première extrémité 58 de la tige 54 jusqu’à sa deuxième extrémité 60.
Un deuxième mode de réalisation de l’invention va maintenant être décrit en rapport avec la figure 5. Il convient de considérer que seules les caractéristiques distinctes du premier mode de réalisation de l’invention seront décrites. Pour les éléments communs, il conviendra de se reporter à la figure 4.
Selon le deuxième mode de réalisation de l’invention, visible à la figure 5, le moyen de fixation 62 est ménagé entre au moins une des plaques 3 du corps de faisceau 18 et l’organe hélicoïdal 48. De manière plus précise, le moyen de fixation 62 est ménagé entre une plaque 3 du corps de faisceau 18 et la tige 54 de l’organe hélicoïdal 48. Le moyen de fixation 62 peut alors être par exemple et de manière non limitative un bras de liaison 64 qui s’étend entre la tige 54 de l’organe hélicoïdal 48 et une des plaques 3 du corps de faisceau 18.
Toujours selon le deuxième mode de réalisation de l’invention, la dimension radiale W de l’hélice 56 de l’organe hélicoïdal 48 est décroissante depuis la première extrémité 58 de la tige 54 jusqu’à sa deuxième extrémité 60. On comprend alors de cette caractéristique, que la dimension radiale W de l’hélice 56 est plus importante au niveau du deuxième groupe de chambres 24b plutôt qu’au niveau du premier groupe de chambres 24a. On tire avantage d’une telle structure de l’organe hélicoïdal 48 en ce qu’il permet d’optimiser la réduction de la quantité du liquide caloporteur envoyé au deuxième groupe de chambres 24b tout en augmentant la quantité dudit liquide caloporteur envoyé au premier groupe de chambres 24a.
Sur la figure 6, l’échangeur thermique 1 qui vient d’être décrit trouve une application particulière et avantageuse dans une installation de traitement thermique 70 qui est apte à modifier une température d’un habitacle d’un véhicule automobile et/ou d’un dispositif de stockage d’énergie électrique 72 du véhicule automobile et/ou de moyens de commande 74 d’un moteur électrique propulsant le véhicule automobile. A cet effet, l’échangeur thermique 1 peut être relié à une première boucle externe 200 des moyens de commande 74 du moteur électrique et à une deuxième boucle externe 220 configurée pour modifier la température du dispositif de stockage d’énergie électrique 72 et/ou d’un air pulsé 80 destiné à être admis à l’intérieur de l’habitacle du véhicule automobile.
La première boucle externe 200 est alors reliée au premier circuit de l’échangeur thermique 1 et comprend au moins une pompe 82 pour faire circuler le liquide caloporteur 7, par exemple constitué d’eau glycolée ou analogue, entre l’échangeur thermique 1 et les moyens de commande 74 du moteur électrique.
La deuxième boucle externe 220 est reliée au deuxième circuit de l’échangeur thermique 1 et comprend au moins un compresseur 84 pour comprimer le fluide réfrigérant 5, par exemple formé de dioxyde de carbone ou analogue, l’échangeur thermique 1 pour céder des calories au flux d’air 80, un organe de détente 86 à l’intérieur duquel le fluide réfrigérant 5 subit une détente, un premier échangeur de chaleur 88 qui est agencé pour refroidir le dispositif de stockage d’énergie électrique 72 et un deuxième échangeur de chaleur 90 qui est agencé pour refroidir l’air pulsé 80.
Une telle installation de traitement thermique 70 est plus particulièrement dédiée à un véhicule automobile pourvu d’au moins un moteur électrique formant un moyen de propulsion du véhicule automobile, ce moteur électrique étant alimenté en énergie électrique par l’intermédiaire du dispositif de stockage d’énergie électrique 72.
Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention.
L’invention atteint ainsi bien le but qu’elle s’était fixé en optimisant la répartition du flux du liquide caloporteur au sein de la pluralité de chambres du faisceau d’échange de chaleur au moyen de l’organe hélicoïdal ménagé dans le volume du premier collecteur d’entrée.

Claims (10)

  1. Echangeur thermique (1) pour véhicule automobile comprenant au moins un faisceau (2) d’échange de chaleur constitué d’une pluralité de plaques (3), imbriquées les unes dans les autres suivant une direction d’empilement (E), le faisceau (2) d’échange de chaleur comprenant :
    • un premier circuit (20) destiné à être parcouru par un liquide caloporteur et comprenant un premier collecteur d'entrée (44a) par lequel le liquide caloporteur est admis dans l’échangeur (1) thermique et un premier collecteur de sortie (46a) par lequel le liquide caloporteur sort de l’échangeur thermique (1), le premier circuit (20) comprenant une pluralité de chambres (24) hydrauliquement reliées au premier collecteur d’entrée (44a) et au premier collecteur de sortie (46b),
    • un deuxième circuit (22) destiné à être parcouru par un fluide réfrigérant et comprenant un deuxième collecteur d'entrée (44b) par lequel le fluide réfrigérant est admis dans l'échangeur thermique (1) et un deuxième collecteur de sortie (46b) par lequel le fluide réfrigérant sort de l'échangeur thermique (1), le deuxième circuit (22) comprenant une pluralité de canaux (26) hydrauliquement reliés au deuxième collecteur d’entrée (44b) et deuxième collecteur de sortie (46b),
    l’échangeur thermique (1) étant configuré pour mettre en œuvre un échange de chaleur entre le liquide caloporteur circulant dans la pluralité de chambres (24) et le fluide réfrigérant circulant dans la pluralité de canaux (26), caractérisé en ce que l’échangeur thermique (1) comprend au moins un organe hélicoïdal (48) de distribution du liquide caloporteur dans la pluralité de chambres (24) du premier circuit (20), l’organe hélicoïdal (48) s’étendant dans un volume définit par le premier collecteur d’entrée (44a) du premier circuit (20) du faisceau (2) d’échange de chaleur.
  2. Echangeur thermique (1) selon la revendication précédente, dans lequel l’organe hélicoïdal (48) comprend au moins une tige (54) qui s’étend suivant une direction axiale de l’organe hélicoïdal (48), parallèlement à la direction d’empilement (E) des plaques (3), et au moins une hélice (56) qui s’étend en spirale autour de la tige (54).
  3. Echangeur thermique (1) selon la revendication précédente, dans lequel la tige (54) comprend une première extrémité (58) et une deuxième extrémité (60), opposée l’une à l’autre suivant la direction axiale de l’organe hélicoïdal (48), l’hélice (56) s’étendant radialement autour de la tige (54) depuis au moins l’une des extrémités (60) de la tige (54).
  4. Echangeur thermique (1) selon les revendications 2 et 3, dans lequel une dimension radiale (W) de l’hélice (56) de l’organe hélicoïdal (48) est décroissante depuis la première extrémité (58) de la tige (54) et vers la deuxième extrémité (60) de la tige (54).
  5. Echangeur thermique (1) selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel l’hélice (56) s’étend de manière continue entre la première extrémité (58) de la tige (54) et la deuxième extrémité (60) de la tige (54).
  6. Echangeur thermique (1) selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel l’hélice (56) de l’organe hélicoïdal (48) comprend un pas d’hélice (P) compris entre 50% et 10% d’une longueur (D) du premier collecteur d’entrée (44a).
  7. Echangeur thermique (1) selon la revendication précédente, dans lequel une dimension axiale (H) de l’organe hélicoïdal (48) est strictement supérieure à la longueur (D) du premier collecteur d’entrée (44a).
  8. Echangeur thermique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chacune des plaques (3) de la pluralité de plaques (3) du faisceau (2) d’échange de chaleur comprend une paroi de fond (28) entourée d’un bord relevé (30) et la pluralité de plaques (3) est répartie en un corps de faisceau (18) compris entre une première plaque d’extrémité (14) et une deuxième plaque d’extrémité (16) opposées l’une à l’autre suivant la direction d’empilement (E) des plaques (3), chacune des parois de fond (28) des plaques (3) du corps de faisceau (18) comprend au moins une ouverture (38) qui délimite au moins en partie le volume du premier collecteur d’entrée (44a), la paroi de fond (28) de la première plaque d’extrémité (14) comprenant une ouverture d’admission (40) du liquide caloporteur dans le premier collecteur d’entrée (44a) et la deuxième plaque d’extrémité (16) présentant sa paroi de fond (28) qui s’étend au droit des ouvertures (38) des plaques (3) du corps de faisceau (18), au moins un moyen de fixation (62) étant ménagé entre l’organe hélicoïdal (48) et au moins une des plaques (3) de la pluralité de plaques (3) du faisceau (2) d’échange de chaleur.
  9. Echangeur thermique (1) selon la revendication précédente, comprenant au moins un bloc d’alimentation (52) ménagé au droit du premier collecteur d’entrée (44a) et contre la première plaque d’extrémité (14) du faisceau (2) d’échange de chaleur, l’organe hélicoïdal (48) s’étendant au moins en partie dans un volume définit par le bloc d’alimentation (52).
  10. Système de traitement thermique (70) d’au moins un habitacle d’un véhicule automobile et/ou d’un dispositif de stockage d’énergie électrique (72) du véhicule automobile et/ou de moyens de commande (74) d’un moteur électrique propulsant le véhicule automobile, comprenant au moins un échangeur thermique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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