FR3111975A1 - Echangeur de chaleur monobloc comprenant au moins deux blocs d’échange de chaleur - Google Patents

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Abstract

Echangeur de chaleur monobloc comprenant au moins deux blocs d’échange de chaleur La présente invention concerne un échangeur de chaleur (1) monobloc qui comprend au moins deux blocs d’échange de chaleur (11, 12), dont un premier bloc d’échange de chaleur (11) comportant un premier chemin de circulation (21) d’un premier fluide réfrigérant (111) et un deuxième bloc d’échange de chaleur (12) comportant un deuxième chemin de circulation (22) d’un deuxième fluide réfrigérant (112), chaque bloc d’échange de chaleur étant configuré pour permettre un échange de chaleur entre le fluide réfrigérant correspondant et un fluide caloporteur, caractérisé en ce que le premier bloc d’échange de chaleur et le deuxième bloc d’échange de chaleur comportent des portions d’un canal de circulation communiquant entre elles de manière à présenter un canal de circulation (23) de fluide caloporteur commun, qui s’étend dans l’échangeur de chaleur entre une unique entrée de fluide caloporteur (23a) équipant l’un quelconque du premier bloc d’échange de chaleur (11) et du deuxième bloc d’échange de chaleur (12) et au moins une sortie de fluide caloporteur (23b) équipant l’autre quelconque du premier bloc d’échange de chaleur (11) et du deuxième bloc d’échange de chaleur (12). Figure de l'abrégé : Fig. 2

Description

Echangeur de chaleur monobloc comprenant au moins deux blocs d’échange de chaleur
La présente invention concerne un échangeur de chaleur et une installation thermique comprenant une pluralité de circuits de fluide et un tel échangeur de chaleur commun à ces circuits.
Un véhicule automobile est classiquement équipé d’une installation thermique comprenant au moins un circuit de fluide réfrigérant et qui peut notamment permettre l’alimentation en air frais de l’habitacle dans une fonction d’air conditionné.
On connait également l’application de machine à cycle de Rankine organique (ORC), notamment dans les véhicules électriques ou hybrides, pour générer, via la transformation d’un apport de chaleur d’un fluide caloporteur dans une turbine, une énergie électrique susceptible de recharger les dispositifs d’alimentation électrique embarqués du véhicule.
Dans ce double contexte, on connaît des installations thermiques à double boucles, qui présentent un échangeur de chaleur et un ensemble turbo-compresseur commun aux deux boucles, et qui permettent alternativement de récupérer de l’énergie et de refroidir un air extérieur pour l’alimentation en air frais de l’habitacle.
Plus particulièrement, de telles installations thermiques comprennent un premier circuit de fluide à l’intérieur duquel circule un premier fluide réfrigérant et un deuxième circuit de fluide à l’intérieur duquel circule un deuxième fluide réfrigérant. Le premier fluide est par exemple un liquide caloporteur, eau glycolée notamment ou analogue. Le deuxième fluide est par exemple un fluide réfrigérant, tel que du dioxyde de carbone, du R134a, du HFO-1234yf ou analogue.
Le premier circuit est un circuit fermé comprenant une turbine à l’intérieur duquel le premier fluide passe, de telle sorte qu’est générée une énergie mécanique susceptible d’être transformée en énergie électrique exploitable pour la recharge des batteries du véhicule. Le premier circuit comprend par ailleurs un premier échangeur thermique, spécifique à ce premier circuit et qui est configuré pour que le premier fluide réfrigérant capte des calories à un liquide de refroidissement, tel que le liquide de refroidissement d’un moteur thermique du véhicule automobile, le premier échangeur thermique formant un évaporateur configuré pour que le premier fluide refroidisse le liquide de refroidissement. De la sorte, le premier fluide réfrigérant est vaporisé et sa détente lors de son passage dans la turbine permet de générer la création d’énergie mécanique évoquée précédemment. En sortie de turbine, l’échangeur de chaleur commun aux deux boucles permet au premier fluide de céder des calories résiduelles à un flux d’air extérieur, préalablement à la réadmission du premier fluide réfrigérant à l’intérieur du premier échangeur thermique.
Le deuxième circuit est un circuit fermé configuré en une boucle de climatisation à l’intérieur de laquelle circule le deuxième fluide réfrigérant. Le deuxième circuit comprend une portion commune au premier circuit, cette portion commune comprenant un ensemble turbine-compresseur ainsi que l’échangeur de chaleur. Le deuxième circuit comprend également un deuxième échangeur thermique qui est configuré pour refroidir un flux d’air interne destiné à être admis à l’intérieur d’un habitacle du véhicule automobile.
Ainsi, le deuxième fluide est susceptible d’être comprimé par le compresseur, puis le deuxième fluide cède à pression constante de la chaleur au flux d’air extérieur à l’intérieur de l’échangeur de chaleur. Le deuxième fluide subit alors une détente à l’intérieur d’un organe de détente, avant de passer dans le deuxième échangeur thermique pour capter des calories au flux d’air interne.
On comprend que la branche commune, avec un ensemble qui doit travailler en turbine ou en compresseur selon que le premier ou le deuxième fluide réfrigérant circule, ne peut être mise en œuvre qu’alternativement pour le premier circuit ou le deuxième circuit.
La portion commune doit ainsi comprendre en son entrée un premier système de vannes qui autorise soit le premier fluide, soit le deuxième fluide à circuler à l’intérieur de la portion commune, et en sa sortie un deuxième système de vannes qui permet soit une circulation du premier fluide vers la pompe du premier circuit, soit une circulation du deuxième fluide vers l’organe de détente que comprend le deuxième circuit.
La portion commune doit également comprendre plusieurs branches de dérivation, dont une première branche de dérivation et une deuxième branche de dérivation montées en parallèle l’une de l’autre et qui s’étendent entre le premier système de vannes et une entrée de la turbine, respectivement du compresseur, et dont une troisième branche de dérivation et une quatrième branche de dérivation montées en parallèle l’une de l’autre et qui s’étendent entre une sortie de la turbine, respectivement du compresseur, et l’échangeur de chaleur.
On comprend que, tel que cela a pu être évoqué, une telle installation thermique présente un inconvénient principal de ne pas pouvoir mettre en fonctionnement simultanément le premier circuit et le deuxième circuit. Autrement dit, lorsqu’un utilisateur du véhicule automobile choisit une mise en œuvre de la boucle de climatisation pour modifier une température de l’air contenu à l’intérieur de l’habitacle du véhicule automobile, l’installation de traitement thermique et de récupération de chaleur est inapte à récupérer de la chaleur depuis le moteur thermique du véhicule automobile et de transformer cette dernière en énergie mécanique/électrique.
Par ailleurs, une telle installation thermique nécessite un nombre important de vannes, pour lesquelles il faut prévoir une logique de commande, et de branches de dérivation, qu’il faut le cas échéant équiper de clapets anti-retour, ce qui implique un encombrement et un coût important pour la mise en œuvre de l’installation thermique.
La présente invention vient améliorer la situation en proposant un échangeur de chaleur qui est configuré pour permettre une mise en œuvre simultanée du premier circuit et du deuxième circuit et ainsi permettre une réduction d’émission de dioxyde de carbone par le véhicule automobile en toute circonstance d’utilisation de la boucle de climatisation.
Un échangeur de la présente invention est un échangeur de chaleur monobloc qui comprend au moins deux blocs d’échange de chaleur, dont un premier bloc d’échange de chaleur comportant un premier chemin de circulation d’un premier fluide réfrigérant et un deuxième bloc d’échange de chaleur comportant un deuxième chemin de circulation d’un deuxième fluide réfrigérant, chaque bloc d’échange de chaleur étant configuré pour permettre un échange de chaleur entre le fluide réfrigérant correspondant et un fluide caloporteur. Le premier bloc d’échange de chaleur et le deuxième bloc d’échange de chaleur comportent des portions d’un canal de circulation communiquant entre elles de manière à présenter un canal de circulation de fluide caloporteur commun, qui s’étend dans l’échangeur de chaleur entre une unique entrée de fluide caloporteur équipant l’un quelconque du premier bloc d’échange de chaleur et du deuxième bloc d’échange de chaleur et au moins une sortie de fluide caloporteur équipant l’autre quelconque du premier bloc d’échange de chaleur et du deuxième bloc d’échange de chaleur.
En d’autres termes, l’échangeur de chaleur comprend ainsi un troisième chemin de circulation spécifique à la circulation d’un troisième fluide, à savoir un fluide caloporteur, distincts des deux fluides réfrigérants, les blocs d’échange de chaleur étant agencés pour permettre un échange de chaleur entre d’une part le premier fluide et le troisième fluide, et d’autre part entre le deuxième fluide et le troisième fluide. Le premier chemin de circulation du premier fluide réfrigérant s’étend entre une entrée de premier fluide réfrigérant et une sortie de premier fluide réfrigérant qui équipent le premier bloc d’échange de chaleur. Le deuxième chemin de circulation du deuxième fluide réfrigérant s’étend entre une entrée de deuxième fluide réfrigérant et une sortie de deuxième fluide réfrigérant qui équipent le deuxième bloc d’échange de chaleur.
Selon l’invention, le canal de circulation de fluide caloporteur dans l’échangeur de chaleur est ainsi particulier en ce que l’entrée et une sortie sont agencées de part et d’autre de la paroi de compartimentation.
L’échangeur de chaleur est monobloc dans le sens où les blocs d’échange de chaleur constitutifs de l’échangeur de chaleur ne peuvent être dissociés l’un de l’autre sans entraîner une destruction de l’un au moins des blocs d’échange de chaleur.
L’échangeur de chaleur comprend avantageusement l’une quelconque au moins des caractéristiques techniques suivantes, prises seules ou en combinaison :
  • l’échangeur de chaleur comporte une plaque de compartimentation agencée entre les deux blocs d’échange de chaleur ;
  • la plaque de compartimentation est au contact de chacun des deux blocs d’échange de chaleur ;
  • l’échangeur de chaleur s’étend longitudinalement entre une première joue et une deuxième joue, la plaque de compartimentation s’étendant à une distance longitudinale non nulle de la première joue et à une distance longitudinale non nulle de la deuxième joue ; en d’autres termes, le premier bloc d’échange de chaleur est longitudinalement bordé d’un côté par la première joue et de l’autre côté par la plaque de compartimentation, et le deuxième bloc d’échange de chaleur est longitudinalement bordé d’un côté par la plaque de compartimentation et de l’autre côté par la deuxième joue ;
  • la plaque de compartimentation comporte au moins un orifice de passage constitutif du canal de circulation de fluide caloporteur au sein de l’échange de chaleur ; en d’autres termes, l’orifice de passage permet la communication fluidique entre les portions du canal de circulation de fluide caloporteur respectivement agencées dans l’un et l’autre des blocs d’échange de chaleur ;
  • l’orifice de passage est dimensionné pour former un passage à débit constant du fluide caloporteur ;
  • la plaque de compartimentation isole le premier chemin de circulation du premier fluide réfrigérant et le deuxième chemin de circulation du deuxième fluide réfrigérant ;
  • le premier bloc d’échange et le deuxième bloc d’échange sont respectivement pourvus d’une bouteille de déshydratation du fluide réfrigérant amené à circuler dans le bloc d’échange correspondant ;
  • la plaque de compartimentation comporte un orifice de régulation de débit entre le premier chemin de circulation du premier fluide réfrigérant formé dans le premier bloc d’échange de chaleur et le deuxième chemin de circulation du deuxième fluide réfrigérant formé dans le deuxième bloc d’échange de chaleur ;
  • l’orifice de régulation de débit présente une dimension dans le plan de la plaque de compartimentation qui est inférieure ou égale à 5% de la dimension correspondante de l’au moins un orifice de passage ;
  • l’orifice de régulation de débit est configuré pour permettre un passage d’un débit de transit de l’un quelconque du premier fluide réfrigérant et du deuxième fluide réfrigérant à travers l’orifice de régulation de débit, le débit de transit étant inférieur à 5% de l’un quelconque d’un premier débit du premier fluide réfrigérant à l’intérieur du premier chemin de circulation et d’un deuxième débit du deuxième fluide réfrigérant à l’intérieur du deuxième chemin de circulation ;
  • l’orifice de régulation de débit est configuré pour permettre un passage d’un débit de transit de l’ordre de 1% de l’un quelconque du premier débit et du deuxième débit ;
  • seul l’un des deux blocs d’échange est pourvu d’une bouteille de déshydratation du fluide réfrigérant ;
  • l’échangeur de chaleur est un échangeur à plaques comprenant la plaque de compartimentation et des plaques d’échange qui sont assemblées entre elles par brasage, la plaque de compartimentation étant interposée entre un premier ensemble de plaques formant le premier bloc d’échange et un deuxième ensemble de plaques formant le deuxième bloc d’échange ;
  • les plaques d’échange constitutives du premier bloc d’échange de chaleur sont identiques aux plaques d’échange constitutives du deuxième bloc d’échange de chaleur ;
  • chaque plaque d’échange comporte une ouverture bordée d’un collet permettant la réalisation d’un conduit sensiblement perpendiculaire aux plaques apte à distribuer le fluide caloporteur entre différentes plaques en direction ou depuis la plaque de compartimentation, et dans lequel l’orifice de passage formé dans la plaque de compartimentation est agencé dans la continuité du conduit réalisé par la pluralité d’ouvertures des plaques d’échange ; De la sorte, on s’assure d’un passage de fluide caloporteur à débit constant, d’un bloc d’échange de chaleur à l’autre.
L’invention a aussi pour objet une installation thermique équipant un véhicule automobile et comprenant au moins un tel échangeur de chaleur.
Selon une caractéristique de l’invention, l’installation thermique comprend un premier circuit comportant au moins le premier chemin de circulation de l’échangeur de chaleur et un premier échangeur thermique, un deuxième circuit comportant au moins le deuxième chemin de circulation de l’échangeur de chaleur et un deuxième échangeur thermique et un troisième circuit comportant au moins le canal de circulation de fluide caloporteur de l’échangeur de chaleur et un troisième échangeur thermique.
L’invention a aussi pour objet un procédé de traitement thermique d’un flux d’air destiné à pénétrer dans l’habitacle d’un véhicule et de récupération d’énergie pour l’alimentation de moyens d’entraînement et/ou d’organe de stockage d’énergie électrique de ce véhicule, au moyen d’une installation thermique tel que précédemment évoqué, au cours duquel on met en œuvre simultanément la circulation du fluide réfrigérant propre à chaque circuit.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description non limitative qui suit, rédigée au regard des dessins annexés, dans lesquels :
représente une installation thermique selon la présente invention, comportant notamment un échangeur de chaleur à la liaison de deux circuits de fluide réfrigérant et d’un circuit de fluide caloporteur ;
représente schématiquement une première variante d’un premier mode de réalisation d’un échangeur de chaleur constitutif de l’installation thermique tel qu’illustrée sur la figure 1 ;
représente schématiquement une deuxième variante d’un premier mode de réalisation d’un échangeur de chaleur constitutif de l’installation thermique tel qu’illustrée sur la figure 1 ;
est une vue en coupe d’un échangeur de chaleur tel que représenté schématiquement sur la figure 2 ou 3 ;
représente schématiquement un deuxième mode de réalisation d’un échangeur de chaleur constitutif de l’installation thermique tel qu’illustré sur la figure 1 ;
est une vue en coupe d’un échangeur de chaleur tel que représenté schématiquement sur la figure 5.
Sur la figure 1, une installation thermique 100 selon l’invention, destinée à équiper un véhicule automobile, comprend un premier circuit 101 de fluide réfrigérant à l’intérieur duquel circule un premier fluide réfrigérant 111 et un deuxième circuit 102 de fluide réfrigérant à l’intérieur duquel circule un deuxième fluide réfrigérant 112. Le premier circuit 101 et le deuxième circuit 102 sont indépendamment fluidiquement, avec deux fluides réfrigérants distincts, de manière à permettre à ces deux circuits 101, 102 de fonctionner simultanément.
Le premier circuit 101 et le deuxième circuit 102 sont configurés pour traverser un échangeur de chaleur 1 qui est commun aux deux circuits 101, 102, mais qui présente deux blocs d’échange de chaleur 11, 12 permettant la circulation indépendante dans un des deux blocs de chacun des fluides réfrigérants.
Le premier fluide 111 et le deuxième fluide 112 sont avantageusement des fluides réfrigérants tels que du dioxyde de carbone, du R134a, du HFO-1234yf ou analogue. Dans l’exemple illustré, les deux fluides réfrigérants 111, 112 sont distincts l’un de l’autre, de manière à présenter des caractéristiques qui peuvent être adaptées à la fonction du circuit.
Le premier circuit 101 est un circuit fermé, comprenant une turbine 2, à l’intérieur duquel le premier fluide 111 subit un cycle thermodynamique. Ces dispositions visent à permettre une récupération de chaleur afin de faire tourner la turbine 2, de telle sorte que cette chaleur récupérée est convertie en énergie mécanique, par l’intermédiaire de la turbine 2, qui génère une rotation de l’arbre d’entraînement 25 solidaire de la turbine. A cet effet, le premier circuit 101 comprend une première pompe 3, pour faire circuler le premier fluide réfrigérant 111 à l’intérieur du premier circuit 101, et un premier échangeur thermique 4, fonctionnant comme évaporateur, qui est configuré pour être traversé également par un liquide de refroidissement 114, tel que le liquide de refroidissement d’un moteur thermique, circulant à l’intérieur d’une boucle de refroidissement 104. On comprend que le premier échangeur thermique 4 est configuré pour permettre un échange de chaleur entre le premier fluide réfrigérant 111 et le liquide de refroidissement 114, et plus particulièrement pour permettre que le premier fluide 111 capte des calories et refroidisse le liquide de refroidissement 114. La turbine 2 précédemment évoquée est agencée en aval du premier échangeur thermique 4 de manière à pouvoir transformer la chaleur récupérée par le premier échangeur thermique 4 en énergie mécanique.
Tel qu’évoqué précédemment, le premier circuit 101 comprend également l’échangeur de chaleur 1, et plus particulièrement le premier bloc d’échange de chaleur 11, qui est agencé pour que le premier fluide réfrigérant 111 cède des calories résiduelles à un fluide caloporteur 113 circulant à l’intérieur d’un circuit de fluide caloporteur 103, préalablement à l’admission du premier fluide réfrigérant 111 à l’intérieur de la première pompe 3.
De la sorte, le premier fluide réfrigérant 111 est mis en circulation dans le premier circuit 101 par l’intermédiaire de la première pompe 3, puis capte de la chaleur au liquide de refroidissement 114 à l’intérieur du premier échangeur thermique 4, puis cède des calories au niveau de la turbine 2 pour générer de l’énergie mécanique au bras d’entraînement 25, puis cède la chaleur résiduelle au fluide caloporteur 113 avant de retourner à la première pompe 3.
Le fluide caloporteur 113 peut par exemple consister en de l’eau glycolée.
Le deuxième circuit 102 est un circuit fermé configuré en une boucle de climatisation à l’intérieur de laquelle circule le deuxième fluide réfrigérant 112. Le deuxième circuit 102 comprend un compresseur 5, monté sur l’arbre d’entraînement 25 par ailleurs associé à la turbine 2, dont la mise en œuvre permet de faire circuler le deuxième fluide réfrigérant 112 à l’intérieur du deuxième circuit 102. Le deuxième circuit 102 comprend également l’échangeur thermique 1, et plus particulièrement le deuxième bloc d’échange de chaleur 12, qui est configuré pour permettre un échange de chaleur entre le deuxième fluide réfrigérant 112 et le fluide caloporteur 113 circulant à l’intérieur du circuit de fluide caloporteur 103 précédemment évoqué. Le deuxième circuit 102 comprend également un organe de détente 6 à l’intérieur duquel le deuxième fluide réfrigérant 112 subit une détente et un deuxième échangeur thermique 7 qui est configuré pour permettre un échange de calories entre un flux d’air interne 8 à refroidir avant d’être admis à l’intérieur d’un habitacle du véhicule automobile. De la sorte, le deuxième fluide réfrigérant 112 est comprimé par la mise en œuvre du compresseur 5, et dirigé vers l’échangeur de chaleur 1 et plus particulièrement le deuxième bloc d’échange de chaleur, de sorte que le deuxième fluide réfrigérant 112 cède à pression constante de la chaleur au fluide caloporteur 113 à l’intérieur de l’échangeur de chaleur 1. Puis le deuxième fluide réfrigérant 112 subit une détente à l’intérieur de l’organe de détente 6, avant que le deuxième fluide réfrigérant 112 capte des calories au flux d’air interne 8 à l’intérieur du deuxième échangeur thermique 7 et qu’il continue de circuler en direction du compresseur 5.
Le circuit de fluide caloporteur 103, ou troisième circuit 103, comprend une deuxième pompe 9 pour faire circuler le fluide caloporteur 113 à l’intérieur de ce troisième circuit 103, un troisième échangeur thermique 10, fonctionnant comme radiateur, apte à réchauffer un flux d’air interne 8 traversant le troisième échangeur thermique 10 à partir de la chaleur récupérée au niveau de l’échangeur de chaleur 1.
Pour être constitutif du premier circuit 101, du deuxième circuit 102 et du troisième circuit 103, l’échangeur de chaleur 1 présente une structure et un agencement particulier qui sont décrits, selon plusieurs exemples et variantes de modes de réalisation, en référence aux figures 2 à 6.
L’échangeur de chaleur 1 est un échangeur monobloc qui comporte, d’un seul tenant deux blocs d’échange de chaleur 11, 12 parmi lesquels, tel qu’évoqué précédemment, on identifie un premier bloc d’échange de chaleur 11 et un deuxième bloc d’échange de chaleur 12. On comprend par le caractère monobloc de l’échangeur de chaleur 1 qu’une dissociation l’un de l’autre du premier bloc d’échange de chaleur 11 et du deuxième bloc d’échange de chaleur 12 entraîne une détérioration de l’échangeur de chaleur 1 et un non-fonctionnement de ce dernier.
Les deux blocs d’échange de chaleur sont assemblés entre eux par l’intermédiaire d’une plaque de compartimentation 30 qui est agencée entre les deux blocs. Dans les exemples illustrés qui vont suivre, la plaque de compartimentation 30 est au contact de chacun des deux blocs d’échange de chaleur et elle participe ainsi à délimiter à la fois le volume du premier bloc d’échange de chaleur 11 et le volume du deuxième bloc d’échange de chaleur 12.
Tel que cela sera décrit plus en détails ci-après, la plaque de compartimentation 30 est particulière selon l’invention en ce qu’elle comporte au moins un orifice de passage 31, 32 permettant une communication fluidique du fluide caloporteur d’un bloc d’échange de chaleur à l’autre. Il sera notamment décrit que cet au moins un orifice de passage est spécifique en ce qu’il permet un passage de fluide caloporteur, à débit sensiblement constant, d’un bloc d’échange de chaleur à l’autre.
Les deux blocs d’échange de chaleur 11, 12 sont agencés pour permettre un échange thermique entre d’une part le premier fluide réfrigérant 111 et le fluide caloporteur 113, et d’autre part le deuxième fluide réfrigérant 112 et le troisième fluide caloporteur 113.
A cet effet, l’échangeur de chaleur 1 comprend un premier chemin de circulation 21 du premier fluide réfrigérant 111 qui s’étend entre une entrée de premier fluide réfrigérant 21a et une sortie de premier fluide réfrigérant 21b qui équipent le premier bloc d’échange de chaleur 11. Dans l’exemple illustré, cette entrée et cette sortie sont agencées sur une face commune du premier bloc d’échange de chaleur, sur une face opposée à la plaque de compartimentation 30.
L’échangeur de chaleur 1 comprend aussi un deuxième chemin de circulation 22 du deuxième fluide réfrigérant 112 qui s’étend entre une entrée de deuxième fluide réfrigérant 22a et une sortie de deuxième fluide réfrigérant 22b qui équipent le deuxième bloc d’échange de chaleur 12. De façon analogue à ce qui a été décrit pour le premier bloc d’échange de chaleur, dans l’exemple illustré, cette entrée et cette sortie sont agencées sur une face commune du deuxième bloc d’échange de chaleur, à l’opposé de la plaque de compartimentation 30.
L’échangeur de chaleur 1 peut notamment être défini longitudinalement entre une première joue 13 et une deuxième joue 14, avec la plaque de compartimentation 30 agencée entre les deux, sans qu’il soit nécessaire pour l’invention que la distance entre première joue 13 et plaque de compartimentation 30, c’est-à-dire la dimension du premier bloc d’échange de chaleur 11, soit égale à la distance entre deuxième joue 14 et plaque de compartimentation 30, c’est-à-dire la dimension du deuxième bloc d’échange de chaleur 12. La plaque de compartimentation 30 s’étend principalement dans un plan d’allongement principal agencé perpendiculairement à la direction longitudinale de l’échangeur de chaleur, et la distance entre une joue et la plaque s’entend comme la distance entre la joue et la forme principale plane de la plaque s’étendant dans ce plan d’allongement principal. Afin d’illustrer ceci, les figures schématiques, par exemple les figures 2 et 3, représentent un échangeur de chaleur avec deux blocs d’échange de même dimension longitudinale tandis que la figure 4 illustre un échangeur de chaleur avec des blocs d’échange aux dimensions longitudinales différentes.
Dans le premier mode de réalisation de l’invention, illustré sur les figures 2 à 4, le premier chemin de circulation 21 et le deuxième chemin de circulation 22 sont isolés l’un de l’autre par la présence de la paroi de compartimentation 30. Aucune communication n’est prévue entre ces chemins de circulation de sorte que le premier fluide réfrigérant 111 reste exclusivement dans le premier chemin de circulation 21 et le deuxième fluide réfrigérant 112 reste exclusivement dans le deuxième chemin de circulation 22. Un tel agencement peut notamment permettre de gérer l’utilisation de deux fluides réfrigérants distincts dans l’installation thermique 100 évoquée ci-dessus.
Dans ce contexte, le premier bloc d’échange 11 et le deuxième bloc d’échange 12 sont respectivement pourvus d’une bouteille de déshydratation 51, 52 du fluide réfrigérant amené à circuler dans le bloc d’échange correspondant. La bouteille de déshydratation a aussi bien pour effet de sécher le fluide réfrigérant amené à circuler dans l’échangeur de chaleur que d’assurer une réserve de fluide en cas de fuite dans le bloc d’échange de chaleur que cette bouteille de déshydratation équipe. Sans sortir du contexte de l’invention, chaque bouteille de déshydratation pourra être raccordé au bloc d’échange de chaleur correspondant en amont de celui-ci ou dans un branchement intermédiaire, à savoir entre deux branches de circulation de fluide réfrigérant au sein du bloc d’échange de chaleur, pour permettre d’assurer la réalisation d’une fonction de sous-refroidissement.
L’échangeur de chaleur 1 comprend un canal de circulation 23, représenté en pointillé sur les figures, du fluide caloporteur 113, destiné à échanger des calories avec aussi bien le premier fluide réfrigérant dans le premier bloc d’échange de chaleur qu’avec le deuxième fluide réfrigérant dans le deuxième bloc d’échange de chaleur. Le canal de circulation 23 s’étend entre une unique entrée de fluide caloporteur 23a, équipant l’un des deux blocs d’échange de chaleur, et au moins une sortie de fluide caloporteur 23b équipant l’autre bloc d’échange de chaleur.
Dans la première variante illustrée sur la figure 2, l’entrée unique de fluide caloporteur 23a équipe le deuxième bloc d’échange 12 et une unique sortie de fluide caloporteur 23b est prévue, équipant donc l’autre bloc d’échange, à savoir le premier boc d’échange 11. Evidemment, sans que cela nécessite d’être représenté, on comprend que les positions de l’entrée unique et de la sortie unique pourraient être inversées.
Dans ce contexte, la première joue 13 de l’échangeur de chaleur 1 est équipée de l’entrée de premier fluide réfrigérant 21a et de la sortie de premier fluide réfrigérant 21b, ainsi que de la sortie de fluide caloporteur 23b, tandis que la deuxième joue 14 est pourvue de l’entrée de deuxième fluide réfrigérant 22a et de la sortie de deuxième fluide réfrigérant 22b, ainsi que de l’entrée de fluide caloporteur 23a.
La plaque de compartimentation 30 comporte deux orifices de passage 31, 32 pour permettre un passage du troisième fluide 113 de l’un des blocs d’échange de chaleur 11, 12 à l’autre des blocs d’échange de chaleur 11, 12. En d’autres termes, la plaque de compartimentation 30 présente une première face 301, tournée vers le premier bloc d’échange de chaleur 11, et une deuxième face 302, tournée vers le deuxième bloc d’échange de chaleur 12, et la plaque de compartimentation est traversée, en deux zones distinctes, par deux orifices de passage qui s’étendent de la première face 301 à la deuxième face 302. Un exemple de forme et de dimension des orifices de passage 31, 32 sera décrit plus en détails ci-après en référence à la figure 4.
Les orifices de passage 31, 32 permettent le passage de fluide caloporteur, à débit sensiblement constant, du premier bloc d’échange de chaleur 11 au deuxième bloc d’échange de chaleur 12. On peut ainsi définir une première portion 231 du canal de circulation qui s’étend dans le premier bloc d’échange de chaleur 11 entre l’unique entrée de fluide caloporteur et la plaque de compartimentation 30, et une deuxième portion 232, qui s’étend dans la continuité de la première portion, de l’autre côté de la plaque de compartimentation dans le deuxième bloc d’échange de chaleur 12, en direction de la sortie de fluide caloporteur.
De la sorte, et tel qu’évoqué précédemment, le premier chemin de circulation 21 du premier fluide réfrigérant 111 et le canal de circulation 23 du fluide caloporteur 113, plus particulièrement la première portion 231 de ce canal, sont agencés de sorte que le premier fluide réfrigérant 111 présent à l’intérieur du premier chemin de circulation 21 échange des calories avec le fluide caloporteur 113 présent à l’intérieur de la première portion 231 du canal de circulation 23. Et de même, le deuxième chemin de circulation 22 du deuxième fluide réfrigérant 112 et le canal de circulation 23 du fluide caloporteur 113, plus particulièrement la deuxième portion 232 de ce canal, sont agencés de sorte que le deuxième fluide réfrigérant 112 présent à l’intérieur du deuxième chemin de circulation 22 échange des calories avec le fluide caloporteur 113 présent à l’intérieur de la deuxième portion 232 du canal de circulation 23.
Tel qu’illustré sur la figure 2, le premier chemin de circulation 21 comporte plusieurs branches de circulation du premier fluide réfrigérant 210 et le canal de circulation 23 comporte également plusieurs branches de circulation du fluide caloporteur 230, une branche de circulation du premier fluide réfrigérant 210 étant interposée entre deux branches de circulation du fluide caloporteur 230 et une branche de circulation du fluide caloporteur 230 étant interposée entre deux branches de circulation du premier fluide réfrigérant 210. L’échange de chaleur entre premier fluide réfrigérant 210 et le fluide caloporteur 230 est réalisé à travers l’épaisseur de la paroi participant à délimiter la branche de part et d’autre de laquelle circulent les deux fluides.
De façon analogue, le deuxième chemin de circulation 22 comporte également plusieurs branches de circulation du deuxième fluide réfrigérant 220, une branche de circulation du deuxième fluide réfrigérant 220 étant interposée entre deux branches de circulation du fluide caloporteur 230 et une branche de circulation du fluide caloporteur 230 étant interposée entre deux branches de circulation du deuxième fluide réfrigérant 220. Là encore, il en résulte une circulation alternée des deux fluides sur cet empilement de branches et l’échange de chaleur se fait de branche en branche entre deuxième fluide réfrigérant et fluide caloporteur.
Tel qu’illustré sur la figure 2, le fluide caloporteur pénètre dans le deuxième bloc d’échange de chaleur 12 par l’intermédiaire de l’entrée unique de fluide caloporteur 23a, et est poussé le long d’un premier conduit, agencé dans le prolongement longitudinal de cette entrée, en direction de la plaque de compartimentation 30, en distribuant fluidiquement chacune des branches de circulation de fluide caloporteur 230. Un deuxième conduit récupère le fluide caloporteur à l’extrémité opposé des branches de circulation de fluide caloporteur et dirige celui-ci vers la plaque de compartimentation. L’échangeur de chaleur est configuré de sorte qu’un premier orifice de passage 31 est disposé dans la continuité longitudinale du premier conduit et de sorte que le deuxième orifice de passage 32 est disposé dans la continuité longitudinale du deuxième conduit. Tel que cela a été précisé, chacun des orifices de passage 31, 32 est dimensionné pour que le passage de fluide caloporteur à travers la plaque de compartimentation 30 soit réalisé à débit constant. Dans ce qui vient d’être décrit, le premier conduit et le deuxième conduit forment la deuxième portion 232 de canal de distribution. Une fois passé la plaque de compartimentation 30, le fluide caloporteur s’écoule dans la première portion 231 de canal de distribution, en se dirigeant vers la sortie 23b de fluide caloporteur équipant le premier bloc d’échange de chaleur.
Dans la deuxième variante illustrée sur la figure 3, l’échangeur de chaleur est cette fois équipé de deux sorties de fluide caloporteur 23b, 23c. Plus particulièrement, l’entrée unique de fluide caloporteur 23a équipe le deuxième bloc d’échange 12 et une première sortie de fluide caloporteur 23b équipe comme précédemment l’autre bloc d’échange, à savoir le premier bloc d’échange 11 tandis qu’une deuxième sortie de fluide caloporteur 23b équipe le deuxième bloc d’échange.
Dans ce contexte, la première joue 13 de l’échangeur de chaleur 1 est équipée de l’entrée de premier fluide réfrigérant 21a et de la sortie de premier fluide réfrigérant 21b, ainsi que de la première sortie de fluide caloporteur 23b, tandis que la deuxième joue 14 est pourvue de l’entrée de deuxième fluide réfrigérant 22a et de la sortie de deuxième fluide réfrigérant 22b, ainsi que de l’entrée de fluide caloporteur 23a et de la deuxième sortie de fluide caloporteur 23c.
Il en résulte une configuration différente de la plaque de compartimentation 30 qui ne comporte ici qu’un unique orifice de passage 31 configuré pour permettre un passage du fluide caloporteur 113, à débit sensiblement constant, de l’un des blocs d’échange de chaleur 11, 12 à l’autre des blocs d’échange de chaleur 11, 12.
Tel qu’illustré sur la figure 3, le fluide caloporteur pénètre dans le deuxième bloc d’échange de chaleur 12 par l’intermédiaire de l’entrée unique de fluide caloporteur 23a, et est poussé le long d’un premier conduit, agencé dans le prolongement longitudinal de cette entrée, en direction de la plaque de compartimentation 30, en distribuant fluidiquement chacune des branches de circulation de fluide caloporteur 230. Un deuxième conduit récupère le fluide caloporteur à l’extrémité opposé des branches de circulation de fluide caloporteur et dirige celui-ci vers la deuxième sortie de fluide réfrigérant 23c, à l’opposé de la plaque de compartimentation. L’échangeur de chaleur est configuré de sorte que le premier orifice de passage 31 est disposé dans la continuité longitudinale du premier conduit. Tel que cela a été précisé, cet orifice de passage 31 est dimensionné pour que le passage de fluide caloporteur à travers la plaque de compartimentation 30 soit réalisé à débit constant. Dans ce qui vient d’être décrit, le premier conduit et le deuxième conduit forment la deuxième portion 232 de canal de distribution. Une fois passé la plaque de compartimentation 30, le fluide caloporteur s’écoule dans la première portion 231 de canal de distribution, en se dirigeant vers la première sortie 23b de fluide caloporteur équipant le premier bloc d’échange de chaleur, conformément à ce qui a été décrit en référence à la première variante.
La figure 4, par la vue en coupe, permet de rendre visible la structure des différentes branches de circulation.
Plus particulièrement, l’échangeur de chaleur est ici un échangeur à plaques comprenant la plaque de compartimentation 30 et des plaques d’échange 40 qui sont assemblées entre elles par brasage. Chaque plaque présente une paroi d’échange sensiblement plane, dotée tel qu’illustré d’une pluralité de reliefs pour augmenter la surface d’échange de chaleur lors de la circulation des fluides entre les plaques. Chaque paroi sensiblement plane d’une plaque d’échange 40 est bordée d’un bord périphérique courbe de manière à faciliter l’empilement des plaques et l’étanchéité périphérique de l’ensemble après brasage.
Chaque plaque d’échange comporte, au niveau de sa paroi sensiblement plane, au moins une ouverture 41 bordée d’un collet 42. L’assemblage des plaques d’échange les unes sur l’autre permet ainsi de réaliser, par continuité des collets de proche en proche, un conduit sensiblement perpendiculaire aux plaques apte à guider la circulation du fluide correspondant entre une entrée ou sortie de fluide caloporteur en regard duquel le conduit est agencé et la plaque de compartimentation.
Tel qu’illustré sur la figure 4, des conduits sont ainsi formés, par l’alignement de plusieurs ouvertures agencées dans les plaques d’échange, pour former une portion 231, 232 du canal de circulation du fluide caloporteur 23, et pour former par ailleurs un chemin de circulation de fluide réfrigérant 21, 22.
L’orifice de passage 31 formé dans la plaque de compartimentation 30 est agencé dans la continuité du conduit formant une portion 231, 232 du canal de circulation de fluide caloporteur 23. L’orifice de passage présente avantageusement une forme et des dimensions similaires à celles des ouvertures 41 participant à définir la dimension du canal de circulation de fluide caloporteur 23. De la sorte, on s’assure d’un passage de fluide caloporteur d’un bloc d’échange de chaleur à l’autre, à débit constant.
L’orifice de passage est dimensionné pour assurer une répartition contrôlée entre les deux blocs. La valeur de ce calibrage devra être déterminé en fonction des caractéristiques hydrauliques des circuits caloporteurs connexes.
On va maintenant décrire, en référence aux figures 5 et 6, un deuxième mode de réalisation de l’invention, qui diffère de ce qui a été précédemment décrit par le fait que le premier chemin de circulation 21 et le deuxième chemin de circulation 22 peuvent communiquer, via un trou 33 formé dans la plaque de compartimentation. Un tel agencement implique notamment l’utilisation d’un même type de fluide réfrigérant dans chacun des chemins de circulation de fluide réfrigérant 21, 22.
Le trou est réalisé à travers la plaque de compartimentation en étant dimensionné de manière à permettre une régulation de débit dans l’un ou l’autre des blocs d’échange de chaleur lorsque cela est nécessaire. Il convient de noter que contrairement à ce qui a pu être décrit au sujet du ou des orifices de passage 31, 32 présents dans la plaque de compartimentation, qui permettent un passage à débit constant du fluide caloporteur et donc une continuité d’une portion du canal de circulation à l’autre portion, le trou, ou orifice de régulation de débit, 33 est configuré pour permettre une circulation à faible débit de l’un quelconque du premier fluide réfrigérant 111 et du deuxième fluide réfrigérant 112 en direction du bloc d’échange de chaleur qui ne lui est pas associé.
Plus particulièrement, l’orifice de régulation de débit 33 présente une dimension principale, dans le plan principal de la plaque de compartimentation 30, qui est inférieure à la dimension principale correspondante de chacun des orifices de passage 31, 32. A titre d’exemple, sans que cela soit limitatif de l’invention, chaque orifice est délimité par un bord agencé dans la plaque de compartimentation en présentant une forme cylindrique de section circulaire, de sorte que la dimension principale de l’orifice correspondant est un diamètre.
La dimension principale de l’orifice de régulation de débit 33 présente une valeur qui peut être inférieure ou égale à 5% de la valeur de la dimension principale correspondante de l’orifice de passage 31, 32 considéré. De la sorte, conformément à ce qui a été évoqué ci-dessus, la circulation de fluide réfrigérant à travers l’orifice de régulation de débit 33 a lieu à plus faible débit que celui de la circulation de fluide caloporteur à travers l’orifice de passage 31, 32.
Par ailleurs, l’orifice de régulation de débit 33 présente une forme et des dimensions telles qu’il autorise un débit de transit D à travers la plaque de compartimentation 30 qui est inférieur ou égal à 5%, et notamment sensiblement égale à 1%, de l’un quelconque d’un premier débit D1 du premier fluide réfrigérant 111 à l’intérieur du premier chemin de circulation 21 et d’un deuxième débit D2 du deuxième fluide réfrigérant 112 à l’intérieur du deuxième chemin de circulation 22.
Il résulte de ce dimensionnement spécifique de l’orifice de régulation de débit 33 que le passage de fluide réfrigérant à travers la plaque de compartimentation ne se fait qu’en cas de perte de pression d’un des fluides réfrigérants présent dans l’un des blocs d’échange de chaleur. Ce passage peut permettre ainsi de rectifier les niveaux de fluide dans chaque bloc d’échange de chaleur.
Tel qu’illustré sur les figures, une telle communication permettant un remplissage des deux circuits en une seule opération et venir au secours d’un des blocs d’échange de chaleur en cas de fuite par exemple, autorise la mise en œuvre d’un échangeur équipé d’une seule bouteille de déshydratation 51, ici rapporté sur le premier bloc d’échange de chaleur 11, sans que cela soit limitatif de l’invention.
Un tel ratio entre le débit de circulation des fluides réfrigérants à travers le bloc d’échange de chaleur qui leur est propre et le débit de circulation rendu possible à travers la plaque de compartimentation permet de conserver la circulation indépendante dans un des deux blocs de chacun des fluides réfrigérants. On comprend qu’en l’absence de fuite, les fluides réfrigérants continuent à s’écouler dans le bloc qui leur est propre sans se mélanger à la portion de fluide réfrigérant circulant dans l’autre bloc, et que même en cas de passage de fluide réfrigérant, le débit de passage est tellement limité que la communication est négligeable par rapport aux circulations indépendantes.
Dans chacun des modes de réalisation évoqués, et dans les variantes qui ont pu être décrites ou qui peuvent être envisagées, dès lors que l’échangeur de chaleur comporte au moins ces deux blocs d’échange de chaleur configurés pour être traversés par un même fluide caloporteur, l’invention vise à proposer un échangeur de chaleur qui est alimenté par un unique fluide caloporteur et qui permet de mettre en œuvre simultanément deux traitements thermiques distincts, avec un circuit doté de son propre fluide réfrigérant. En d’autres termes, les dispositions précédemment décrites sont telles que l’installation thermique est apte à mettre en œuvre de manière simultanée deux traitements thermique distincts avec un échangeur de chaleur commun.

Claims (10)

  1. Echangeur de chaleur (1) monobloc qui comprend au moins deux blocs d’échange de chaleur (11, 12), dont un premier bloc d’échange de chaleur (11) comportant un premier chemin de circulation (21) d’un premier fluide réfrigérant (111) et un deuxième bloc d’échange de chaleur (12) comportant un deuxième chemin de circulation (22) d’un deuxième fluide réfrigérant (112), chaque bloc d’échange de chaleur étant configuré pour permettre un échange de chaleur entre le fluide réfrigérant correspondant et un fluide caloporteur, caractérisé en ce que le premier bloc d’échange de chaleur et le deuxième bloc d’échange de chaleur comportent des portions d’un canal de circulation communiquant entre elles de manière à présenter un canal de circulation (23) de fluide caloporteur commun, qui s’étend dans l’échangeur de chaleur entre une unique entrée de fluide caloporteur (23a) équipant l’un quelconque du premier bloc d’échange de chaleur (11) et du deuxième bloc d’échange de chaleur (12) et au moins une sortie de fluide caloporteur (23b) équipant l’autre quelconque du premier bloc d’échange de chaleur (11) et du deuxième bloc d’échange de chaleur (12).
  2. Echangeur de chaleur (1) selon la revendication 1, comportant une plaque de compartimentation (30) agencée entre les deux blocs d’échange de chaleur (11, 12).
  3. Echangeur de chaleur (1) selon la revendication précédente, dans lequel la plaque de compartimentation (30) est au contact de chacun des deux blocs d’échange de chaleur (11, 12).
  4. Echangeur de chaleur (1) selon la revendication 2 ou 3, dans lequel la plaque de compartimentation (30) comporte au moins un orifice (31, 32) de passage constitutif du canal de circulation de fluide caloporteur (23) au sein de l’échangeur de chaleur.
  5. Echangeur de chaleur (1) selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel la plaque de compartimentation (30) isole le premier chemin de circulation (21) du premier fluide réfrigérant (111) et le deuxième chemin de circulation (22) du deuxième fluide réfrigérant (112).
  6. Echangeur de chaleur (1) selon la revendication 5, dans lequel le premier bloc d’échange (11) et le deuxième bloc d’échange (12) sont respectivement pourvus d’une bouteille de déshydratation (51, 52) du fluide réfrigérant (111, 112) amené à circuler dans le bloc d’échange correspondant.
  7. Echangeur de chaleur (1) selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel la plaque de compartimentation (30) comporte un orifice de régulation de débit (33) entre le premier chemin de circulation (21) du premier fluide réfrigérant (111) formé dans le premier bloc d’échange de chaleur (11) et le deuxième chemin de circulation (22) du deuxième fluide réfrigérant (112) formé dans le deuxième bloc d’échange de chaleur (12).
  8. Echangeur de chaleur (1) selon l’une quelconque des revendications 2 à 7, dans lequel l’échangeur de chaleur (1) est un échangeur à plaques comprenant la plaque de compartimentation (30) et des plaques d’échange (40) qui sont assemblées entre elles par brasage, la plaque de compartimentation étant interposée entre un premier ensemble de plaques formant le premier bloc d’échange (11) et un deuxième ensemble de plaques formant le deuxième bloc d’échange (12).
  9. Installation thermique (100) équipant un véhicule automobile, l’installation thermique (100) comprenant au moins un échangeur de chaleur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
  10. Procédé de traitement thermique d’un flux d’air destiné à pénétrer dans l’habitacle d’un véhicule (8) et de récupération d’énergie pour l’alimentation de moyens d’entraînement et/ou d’organe de stockage d’énergie électrique de ce véhicule, au moyen d’une installation thermique (1) selon la revendication 9, au cours duquel on met en œuvre simultanément la circulation du fluide réfrigérant propre à chaque circuit (101, 102).
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