WO2012168598A1 - Evaporateur de pompe a chaleur - Google Patents
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- F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
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Definitions
- the present invention generally relates to an electric motor vehicle heat pump exchanger.
- an exchanger mounted on the front of the vehicle, evaporates a refrigerant by absorbing heat from the outside environment.
- the external surface temperature of the exchanger is between -5 and -20 ° C and if the ambient humidity is important, there is a risk of icing detrimental to the effectiveness of the system, which results in a loss of autonomy of the electric vehicle.
- An object of the present invention is to meet the drawbacks mentioned above and in particular, first of all, to provide a heat pump evaporator which has a reduced risk of icing so as not to affect the energy consumption of a vehicle electric, by properly evacuating water that may be on the exchange surface.
- the exchange surface comprises surface portions arranged parallel to a flow of air caused by a rolling of the vehicle and / or by a motorcycle fan assembly of the vehicle.
- This particular structure is well adapted to the evacuation of the drops out of the exchanger by a flow of air.
- FIG. 4 represents a partial perspective view of the variant of FIG.
- Figure 2 shows a section along the axis 2-2 of Figure 1, when the ambient air is heavily loaded with moisture.
- the surface temperature of the evaporator is lower than that of the ambient air and the moisture contained in the air condenses on the outer surface of the evaporator.
- the outer surface formed by the fins 10 and the tubes 20 is superhydrophobic, so that the water does not wet on these surfaces, but forms droplets 1 10, which are driven by the air flow 100 which passes through the evaporator.
- the exchange surface can not be covered with a film of water that turns into ice, frost formation is delayed and the efficiency of the system is optimal, even during use. heat pump at low outdoor temperatures.
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Abstract
Evaporateur de pompe à chaleur pour véhicule, comportant au moins une surface d'échange extérieure (10), disposée en face avant du véhicule, absorbant de la chaleur d'un milieu extérieur au véhicule; ladite surface d'échange extérieure (10) étant exposée audit milieu extérieur, dans lequel la surface d'échange (10) est superhydrophobe.
Description
EVA PO RATE U R D E POM P E A CHALE U R
La présente invention concerne de manière générale un échangeur de pompe à chaleur de véhicule automobile électrique. En fonctionnement, un tel échangeur, monté en face avant du véhicule, évapore un fluide réfrigérant en absorbant de la chaleur du milieu extérieur. En cas de faible température de l'air extérieur, la température de surface extérieure de l'échangeur se situe entre -5 et -20 °C et si l'humidité ambiante est importante, il existe un risque de givrage préjudiciable à l'efficacité du système, ce qui entraîne une perte d'autonomie du véhicule électrique.
Il est connu dans l'art antérieur des évaporateurs, tel que par exemple celui décrit dans le document EP 1 108 575. L'évaporateur comprend essentiellement des tubes pour un fluide caloporteur qui échange de la chaleur avec le milieu extérieur. Afin d'augmenter l'efficacité de l'échange, des ailettes soudées entre les tubes forment des passages d'air et augmentent la surface d'échange. Ce système présente notamment l'inconvénient de ne pas garantir une bonne évacuation de gouttes d'eau qui se condensent sur les ailettes. On peut même observer un phénomène de coalescence entre les gouttelettes qui grossissent et peuvent toucher deux ailettes formant un passage d'air, ce dernier étant en conséquence obstrué par la goutte d'eau qui adhère sur les deux parois du passage d'air. Il en résulte une diminution de l'échange thermique, surtout si la goutte d'eau gèle ensuite, bloquant complètement le passage d'air.
Le document US 2007/1 1401 1 propose quant à lui un traitement de surface hydrophile pour favoriser l'évacuation de l'eau sur un condenseur de climatisation. Ce traitement de surface est onéreux et son efficacité reste à démontrer dans le cas d'un évaporateur de pompe à chaleur situé en face avant de véhicule. Si ce dernier roule sous une forte pluie, les gouttes d'eau pourront toujours contacter deux ailettes d'un passage d'air et les forces de
capillarité, justement maximisées avec le traitement hydrophile, seront suffisantes pour empêcher l'évacuation de l'eau.
Un but de la présente invention est de répondre aux inconvénients mentionnés ci-dessus et en particulier, tout d'abord, de fournir un évaporateur de pompe à chaleur qui présente un risque de givrage réduit pour ne pas affecter la consommation énergétique d'un véhicule électrique, en évacuant correctement l'eau qui pourrait se trouver sur la surface d'échange.
Pour cela un premier aspect de l'invention concerne un évaporateur de pompe à chaleur pour véhicule, comportant au moins une surface d'échange avec un milieu extérieur, caractérisé en ce que la surface d'échange est superhydrophobe. L'invention, en opposition avec les recommandations de l'art antérieur, diminue le risque de givrage en utilisant une surface superhydrophobe qui prévient la formation d'une couche de liquide sur la surface extérieure, qui pourrait geler. La demanderesse s'est en effet aperçue que si la surface est superhydrophobe, cela permet de retarder l'apparition de givre en évitant que l'eau ne mouille la surface extérieure de l'évaporateur et ne la recouvre en permanence d'une pellicule d'eau.
De manière avantageuse, la propriété superhydrophobe de la surface d'échange est apportée par un traitement de surface. Cette mise en œuvre permet de combiner les propriétés du matériau de base utilisé pour réaliser l'évaporateur avec les propriétés superhydrophobes apportées par un traitement de surface aisé à appliquer.
Une réalisation particulièrement intéressante consiste en ce que le traitement de surface superhydrophobe augmente la surface spécifique de la surface d'échange de chaleur. En effet, l'invention propose d'appliquer un traitement superhydrophobe à la surface d'échange de chaleur, et ce traitement de surface, pour conférer les propriétés superhydrophobes, va augmenter la surface spécifique de la surface d'échange. Ainsi, l'invention provoque une synergie entre la diminution du risque de givrage et une
augmentation de l'efficacité thermique d'échange, car la surface de contact avec l'air extérieur est plus importante.
Avantageusement, le traitement de surface est un matériau composite comportant un polymère et des fines particules. Le traitement de surface selon l'invention utilise un polymère formant une matrice pour des nanoparticules qui vont créer un état de surface propre à apporter la propriété superhydrophobe à la surface extérieure, avec un état de surface microscopique de type "forêt de poils".
Avantageusement, la surface d'échange est agencée pour qu'un flux d'air traversant l'échangeur soit apte à entraîner des gouttes d'eau formées sur la surface d'échange. Cette mise en œuvre, combinée avec la propriété superhydrophobe de la surface extérieure, améliore encore la protection contre la formation du givre en facilitant l'évacuation des gouttes formées à la surface de l'évaporateur.
Avantageusement, la surface d'échange comporte des parties de surface agencées parallèlement à un flux d'air provoqué par un roulage du véhicule et/ou par un groupe moto ventilateur du véhicule. Cette structure particulière est bien adaptée à l'évacuation des gouttes hors de l'échangeur par un flux d'air.
Avantageusement, l'évaporateur est agencé en face avant du véhicule. L'échange thermique est alors amélioré avec cette mise œuvre.
Avantageusement, la surface d'échange forme au moins un passage d'air avec une entrée et une sortie, définissant une section de passage d'air ; la section dudit au moins un passage d'air augmentant entre l'entrée et la sortie dudit au moins un passage d'air.
Avantageusement, l'augmentation de la section dudit au moins un passage d'air est continue entre l'entrée et la sortie du passage d'air.
Avantageusement, le passage d'air ayant une section de surface Si à l'entrée du passage d'air et une section de surface So à la sortie du passage d'air, les surfaces Si et So vérifient le rapport So/Si>1 .8.
Avantageusement, une partie de la surface d'échange est formée par des ailettes ; l'augmentation de la section dudit au moins un passage d'air étant définie par une variation de forme des ailettes.
Avantageusement, la forme des ailettes définit une section d'ailette qui diminue entre l'entrée et la sortie du passage d'air.
Avantageusement, les ailettes sont réalisées à partir d'au moins une tôle reliant des tubes conducteurs de fluide caloporteur ; la section de ladite au moins une tôle est trapézoïdale.
Avantageusement, les ailettes sont réalisées à partir d'au moins une tôle reliant des tubes conducteurs de fluide caloporteur ; la tôle étant extrudée avec une section trapézoïdale.
Un second aspect de l'invention est un véhicule automobile comportant au moins un échangeur de pompe à chaleur selon le premier aspect de l'invention.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 représente une partie de la face avant d'un évaporateur selon l'invention ;
- la figure 2 représente une coupe de l'évaporateur de la figure 1 ;
- la figure 3 représente une variante d'un évaporateur selon l'invention, considéré suivant le même axe de coupe 2-2 de la figure 1 ; et
- la figure 4 représente une vue en perspective partielle de la variante de la figure 3.
La figure 1 représente une partie de la face d'un évaporateur de pompe à chaleur selon l'invention. L'évaporateur comporte un réseau de tubes 20 contenant le fluide caloporteur qui s'évapore à l'intérieur de ces tubes 20 en prélevant de la chaleur au milieu extérieur. Pour améliorer
l'efficacité de l'échange thermique, les tubes 20 sont reliés entre eux par des ailettes 10 qui sont fabriquées à partir de tôles fines, soudées entre les tubes 20. Ces ailettes augmentent la surface apte à échanger de la chaleur avec l'air ambiant et le rendement de l'évaporateur est amélioré.
La figure 2 représente une coupe selon l'axe 2-2 de la figure 1 , lorsque l'air ambiant est fortement chargé en humidité. Comme le fluide caloporteur s'évapore dans les tubes 20, la température de surface de l'évaporateur est inférieure à celle de l'air ambiant et l'humidité contenue dans l'air condense sur la surface extérieure de l'évaporateur. Selon l'invention, la surface extérieure formée par les ailettes 10 et les tubes 20 est superhydrophobe, de sorte que l'eau ne mouille pas sur ces surfaces, mais forme des gouttelettes 1 10, qui sont entraînées par le flux d'air 100 qui passe au travers de l'évaporateur. Ainsi, grâce l'invention, la surface d'échange ne pouvant pas être recouverte d'un film d'eau se transformant en glace, la formation de givre est retardée et l'efficacité du système est optimale, même lors de l'utilisation de la pompe à chaleur sous faibles températures extérieures. L'évaporateur reçoit un traitement de surface spécifique pour que la surface extérieure soit superhydrophobe : un polymère comprenant des fines particules est déposé sur la surface extérieure, et les fines particules forment une forêt de poils à la surface de l'évaporateur, de sorte que l'angle de contact entre de l'eau et la surface extérieure soit toujours supérieur à 150°, et l'eau ne peut pas former de film sur cette surface, seulement des gouttelettes qui seront facilement entraînées par le flux d'air. Il est à noter qu'un tel traitement superhydrophobe de la surface va augmenter la surface spécifique de l'évaporateur et son efficacité thermique en sera donc améliorée.
La figure 3 est une variante de l'évaporateur illustré par la vue en coupe de la figure 2.
Dans cette variante, les ailettes 10 sont formées à partir d'une tôle pliée en accordéon entre deux tubes 20 et soudée à ces derniers.
La forme de la tôle est trapézoïdale, de sorte que la section Si du passage d'air au niveau de l'entrée du flux d'air dans l'évaporateur est inférieure à sa section So en sortie, comme représenté à la figure 4.
Le passage d'air a une section de surface Si à l'entrée du passage d'air et une section de surface So à la sortie du passage d'air, et les surfaces Si et So vérifient le rapport So/Si>1 .8.
De cette manière, les gouttelettes 1 10 qui se forment sur les ailettes ne pourront pas se rencontrer et on n'observe pas de phénomène de coalescence entre les gouttelettes 1 10 de deux ailettes adjacentes pouvant conduire à l'obstruction du passage d'air entre ces deux ailettes. Le flux d'air 100 traversant l'évaporateur par les passages d'air entre les ailettes peut en conséquence facilement entraîner vers l'extérieur les gouttelettes 1 10, ce qui permet de retarder l'apparition de givre par temps froid et d'améliorer en conséquence l'efficacité de la pompe à chaleur
On comprendra que diverses modifications et/ou améliorations évidentes pour l'homme du métier peuvent être apportées aux différents modes de réalisation de l'invention décrits dans la présente description sans sortir du cadre de l'invention défini par les revendications annexées. En particulier, il est fait référence à une section trapézoïdale des ailettes obtenue par laminage ou extrusion, mais on peut également envisager d'obtenir cette géométrie par un pliage en coin de la tôle ensuite utilisée pour réaliser les ailettes.
Claims
1 . Evaporateur de pompe à chaleur pour véhicule, comportant au moins une surface d'échange extérieure (10), disposée en face avant du véhicule, absorbant de la chaleur d'un milieu extérieur au véhicule ; ladite surface d'échange extérieure (10) étant exposée audit milieu extérieur, dans lequel la surface d'échange (10) est superhydrophobe.
2. Evaporateur de pompe à chaleur pour véhicule selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la propriété superhydrophobe de la surface d'échange (10) est apportée par un traitement de surface.
3. Evaporateur de pompe à chaleur pour véhicule selon la revendication 2, caractérisé en ce que le traitement de surface est un matériau composite comportant un polymère et des fines particules.
4. Evaporateur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'angle de contact entre de l'eau et la surface d'échange (10) est supérieur à 150°.
5. Evaporateur de pompe à chaleur pour véhicule selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la surface d'échange (10) comporte des parties de surface agencées parallèlement à un flux d'air provoqué par un roulage du véhicule et/ou par un groupe moto ventilateur du véhicule ; ledit flux d'air étant apte à entraîner des gouttes d'eau (1 10) formées sur la surface d'échange (10).
6. Evaporateur de pompe à chaleur pour véhicule selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la surface d'échange (10) forme au moins un passage d'air avec une entrée et une sortie, définissant une section de passage d'air ; la section dudit au moins un passage d'air augmentant entre l'entrée et la sortie dudit au moins un passage d'air.
7. Evaporateur de pompe à chaleur pour véhicule selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'augmentation de la section dudit au moins un passage d'air est continue entre l'entrée et la sortie du passage d'air.
8. Evaporateur de pompe à chaleur pour véhicule selon l'une des revendications 6 ou 7, le passage d'air ayant une section de surface Si à l'entrée du passage d'air et une section de surface So à la sortie du passage d'air, caractérisé en ce que les surfaces Si et So vérifient le rapport So/Si>1 .8.
9. Evaporateur de pompe à chaleur pour véhicule selon l'une des revendications 6 à 8, une partie de la surface d'échange (10) étant formée par des ailettes, caractérisé en ce que l'augmentation de la section dudit au moins un passage d'air est définie par une variation de forme des ailettes.
10. Evaporateur de pompe à chaleur pour véhicule selon la revendication 9, la forme des ailettes définissant une section d'ailette, caractérisé en ce que la section des ailettes diminue entre l'entrée et la sortie du passage d'air.
1 1 . Evaporateur de pompe à chaleur pour véhicule selon les revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que les ailettes sont réalisées à partir d'au moins une tôle reliant des tubes (20) conducteurs de fluide caloporteur et en ce que la section de ladite au moins une tôle est trapézoïdale.
12. Evaporateur de pompe à chaleur pour véhicule selon les revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que les ailettes sont réalisées à partir d'au moins une tôle reliant des tubes (20) conducteurs de fluide caloporteur et en ce que la tôle est extrudée avec une section trapézoïdale.
13. Véhicule automobile comportant au moins un évaporateur de pompe à chaleur selon l'une des revendications 1 à 12.
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|---|---|---|---|
| FR1153449A FR2974408B1 (fr) | 2011-04-21 | 2011-04-21 | Evaporateur de pompe a chaleur |
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Publications (1)
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|---|---|---|---|
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|---|---|
| WO (1) | WO2012168598A1 (fr) |
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- 2012-03-26 WO PCT/FR2012/050624 patent/WO2012168598A1/fr active Application Filing
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