WO2016001418A1 - Echangeur thermique à double circulation et installation de gestion thermique correspondante - Google Patents

Echangeur thermique à double circulation et installation de gestion thermique correspondante Download PDF

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WO2016001418A1
WO2016001418A1 PCT/EP2015/065230 EP2015065230W WO2016001418A1 WO 2016001418 A1 WO2016001418 A1 WO 2016001418A1 EP 2015065230 W EP2015065230 W EP 2015065230W WO 2016001418 A1 WO2016001418 A1 WO 2016001418A1
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heat exchanger
heating device
tubes
transfer fluid
additional heating
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Laurent Tellier
Christophe Denoual
Alain Pourmarin
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Valeo Systemes Thermiques
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Definitions

  • the present invention relates to thermal regulation and more particularly to a heat exchanger used for this thermal regulation as well as to its placement within a thermal management installation, in particular for the thermal regulation of the batteries of an electric or hybrid vehicle.
  • the thermal regulation of batteries is an important point because if the batteries are subjected to temperatures that are too cold, their autonomy can decrease sharply and if they are subjected to high temperatures. too important, there is a risk of thermal runaway that can lead to the destruction of the battery.
  • a device for regulating the temperature of the battery module In order to regulate the temperature of the batteries, it is known to add a device for regulating the temperature of the battery module.
  • These devices generally use circulating heat transfer fluids, for example by means of a pump, in a thermal management circuit, said thermal management circuit passing through a heat exchanger in direct contact with the batteries.
  • the heat transfer fluids can thus absorb heat emitted by the battery or batteries in order to cool them and evacuate this heat at one or more other heat exchangers such as for example a radiator or a heat exchanger connected to another thermal management loop. such as an air conditioning loop that will absorb this heat to disperse it outside or use it to help warm the cabin.
  • the heat transfer fluids may also, if necessary, provide heat to heat said batteries, for example the thermal management circuit may include an electrical resistance or a thermistor heating Positive Temperature Coefficient (PTC).
  • PTC Positive Temperature Coefficient
  • the heat transfer fluids generally used are ambient air or liquids such as water. Liquids are better heat conductors than gases, it is a solution that is preferred because more effective. Nevertheless, the addition of such a heating device in the thermal management circuit can lead to an increase in the space required for its integration into the motor vehicle and not meet the requirements of manufacturers.
  • An object of the present invention is therefore to at least partially overcome the disadvantages of the prior art and to provide an improved heat exchanger and thermal management facility.
  • the present invention therefore relates to a heat exchanger with a double fluid circulation comprising:
  • first and second tubes between which a second heat transfer fluid circulates between an inlet and an outlet of the second heat transfer fluid, said first and second tubes being stacked alternately, a first tube being at least in contact with a second tube and vice versa, said heat exchanger further comprising at least one additional heating device, said additional heating device being placed between two tubes.
  • the additional heating device is directly within the heat exchanger makes it possible to save space in the general design of a thermal management installation where a heat-transfer fluid heating device is necessary.
  • the fact that the additional heating device is in contact with the tubes allows optimized heating of the coolant, because the exchange surface between the additional heating device and the coolant is more extensive
  • the first and second tubes are first and second pairs of exchange plates.
  • the additional heating device is sandwiched between two tubes in which circulates the same heat transfer fluid.
  • the heat exchanger comprises an additional heating device on at least one end of the stack of the first and second tubes.
  • the additional heating device is placed in contact with first tubes.
  • the additional heating device is placed in contact with second tubes.
  • the additional heating device is an electric heating device.
  • the electric heating device comprises a silicone envelope inside which is placed a heating electric cord.
  • the heat exchanger comprises a thermal probe in contact with the additional heating device.
  • the present invention also relates to a thermal management installation comprising a heat exchanger as described above.
  • the inlets and outlets of the first heat transfer fluid are connected to a battery thermal management circuit of an electric or hybrid vehicle, said heat exchanger being placed upstream of a battery temperature control exchanger,
  • the inputs and outputs of the second heat transfer fluid are connected to an air conditioning circuit.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exploded heat exchanger
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a heat exchanger in side view
  • FIG. 3 shows a schematic representation in plan view of an exchange plate
  • Figure 4 shows a schematic representation of a thermal management facility.
  • a heat exchanger 1 with a double fluid circulation comprises in particular:
  • first tubesio between which circulates a first heat transfer fluid between an inlet 12a and an outlet 12b of the first heat transfer fluid
  • first 10 and second 20 tubes are stacked alternately, a first tube 10 being at least in contact with a second tube 20 and vice versa so that the heat energy can pass from one heat transfer fluid to another.
  • the heat exchanger 1 further comprises at least one additional heating device 30 integrated therein.
  • This additional heating device 30 is more particularly placed between two tubes.
  • the additional heating device 30 is directly within the heat exchanger 1 makes it possible to save space in the general design of a thermal management installation where a heat-transfer fluid heating device is necessary.
  • the fact that the additional heating device 30 is in contact with the tubes allows optimized heating of the coolant, because the exchange surface between the additional heating device 30 and the coolant is more extensive.
  • the first 10 and second 20 tubes may in particular be flat tubes or else first 10 and second 10 pairs of exchange plates as shown in the various figures.
  • first 10 and second tubes will be defined as first and second pairs of interchange plates to agree with the embodiment shown in the various figures. It is nevertheless quite possible to replace these pairs of exchange plates by other heat exchange means between two heat transfer fluid such as flat tubes or the like without departing from the scope of the invention.
  • first 10 and second pairs of exchange plates have at least one of their plates which comprises channels closed by the second plate so as to form a flat tube circuit in which circulates the coolant.
  • These exchange plates are generally made of metal and are stamped and brewed to each other to form a pair of exchange plate comprising a flat tube circuit in which circulates a coolant
  • the additional heating device 30 can be sandwiched between two exchange plates in which a same heat transfer fluid circulates.
  • the additional heating device 30 is placed between two first pairs of exchange plates 10, the latter being on their other face in contact with a second exchange plate 30. It is of course quite possible to imagine a reverse configuration where the additional heating device 30 is placed between two second pairs of exchange plates 20, the latter being on their other face in contact with a first exchange plate 30.
  • the heat exchanger 1 may also comprise an additional heating device 30 on at least one of the ends of the stack of the first 10 and second 20 pairs of exchange plates in order to further improve the supply. heat to the coolant.
  • the additional heating device 30 may in particular be an electric heating device. As illustrated in Figure 3, the latter may be composed for example of a silicone casing 32 inside which is placed a heating electric cord 34, for example a heating track by thermistor Positive Temperature Coefficient (CPT).
  • CPT thermistor Positive Temperature Coefficient
  • the additional heating device 30 can also be any type of electrical heating device that is sufficiently thin and powerful to be fitted between two exchange plates, for example as a screen-printed resistance heater.
  • Terminals 36 are also placed on the periphery of the pair of exchange plates 10 to allow the additional heating device 30 to be fed.
  • the heat exchanger 1 may also comprise a thermal probe (not shown) in particular in contact with the additional heating device 30.
  • the heat exchanger 1 double fluid circulation is more particularly intended to be integrated within a thermal management facility. It can thus be placed at the intersection between an air conditioning loop 310 and a battery thermal management circuit 210 as illustrated in FIG. 4.
  • the inputs 12a and 12b of the first heat transfer fluid are connected to the battery thermal management circuit 210 of an electric or hybrid vehicle, the heat exchanger 1 is placed upstream of a battery temperature control exchanger 216.
  • the thermal management circuit 210 further comprises a pump 212 placed downstream of the battery temperature control exchanger 216 and an accumulator placed between said pump 212 and said battery temperature control exchanger 216.
  • the management circuit thermal 210 may also comprise a temperature control exchanger of the management electronics 214 placed upstream of the heat exchanger 1.
  • the inputs 22a and 22b of the second heat transfer fluid are connected to an air conditioning circuit 310.
  • the air conditioning circuit comprises in particular:
  • a first heat exchanger 314 placed in contact with outside air in order to dissipate heat energy
  • the double-circulation heat exchanger 1 is placed on a parallel branch 330 which bypasses the shut-off valve 316, the expansion valve 318 and the second heat exchanger 320.
  • This parallel branch 330 also has a valve stop 324 placed upstream of an expansion valve 326.
  • the heat exchanger 1 is placed downstream of the expansion valve 326.
  • shutoff valve 324 of the air conditioning circuit is then closed and the additional heating devices 30 within the heat exchanger 1 heats the first heat transfer fluid which arrives at the temperature control heat exchanger of the batteries 216 to heat these latest.
  • the heat exchanger 1 with its additional heating devices 30 can help the heating of the passenger compartment by heating the second heat transfer fluid.

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Abstract

La présente invention concerne un échangeur thermique (1) à double circulation de fluide comportant : des premiers tubes (10) entre lesquels circule un premier fluide caloporteur entre une entrée (12a) et une sortie (12b) du premier fluide caloporteur, et des seconds tubes (20) entre lesquels circule un second fluide caloporteur entre une entrée (22a) et une sortie (22b) du second fluide caloporteur, lesdits premiers (10) et seconds (20) tubes étant empilées en alternance, un premier tube (10) étant au moins au contact d'un second tube (20) et inversement, ledit échangeur thermique (1) comportant en outre au moins un dispositif chauffant additionnel (30), ledit dispositif chauffant additionnel (30) étant placé entre deux tubes.

Description

Echangeur thermique à double circulation et installation de gestion thermique correspondante
Description.
La présente invention concerne la régulation thermique et plus particulièrement un échangeur thermique utilisé pour cette régulation thermique ainsi que son placement au sein d'une installation de gestion thermique pour notamment la régulation thermique des batteries d'un véhicule électrique ou hybride.
La régulation thermique des batteries, notamment dans le domaine automobile et encore plus particulièrement des véhicules électriques et hybrides, est un point important car si les batteries sont soumises à des températures trop froides, leur autonomie peut décroître fortement et si elles sont soumises à des températures trop importantes, il y a un risque d'emballement thermique pouvant aller jusqu'à la destruction de la batterie.
Afin de réguler la température des batteries, il est connu d'ajouter un dispositif de régulation de température du module batterie. Ces dispositifs utilisent généralement des fluides caloporteurs circulant, par exemple au moyen d'une pompe, dans un circuit de gestion thermique, ledit circuit de gestion thermique passant au sein d'un échangeur thermique en contact direct avec les batteries.
Les fluides caloporteurs peuvent ainsi absorber de la chaleur émise par la ou les batteries afin de les refroidir et évacuer cette chaleur au niveau d'un ou plusieurs autre échangeurs thermiques comme par exemple un radiateur ou un échangeur thermique relié à une autre boucle de gestion thermique comme par exemple une boucle de climatisation qui va absorber cette chaleur pour la disperser à l'extérieur ou alors l'utiliser pour aider au chauffage de l'habitacle. Les fluides caloporteurs peuvent également, si besoin est, apporter de la chaleur pour réchauffer lesdites batteries, par exemple le circuit de gestion thermique peut comporter une résistance électrique ou un chauffage par thermistance Coefficient Positif de Température (CTP).
Les fluides caloporteurs généralement utilisés sont l'air ambiant ou des liquides comme par exemple l'eau. Les liquides étant meilleurs conducteurs de chaleur que les gaz, c'est une solution qui est privilégiée car plus efficace. Néanmoins, l'ajout d'un tel dispositif de chauffage au sein du circuit de gestion thermique peut conduire à une augmentation de la place nécessaire à son intégration au sein du véhicule automobile et ne pas répondre aux exigences des constructeurs. Un des buts de la présente invention est donc de remédier au moins partiellement aux inconvénients de l'art antérieur et de proposer un échangeur de chaleur et une installation de gestion thermique améliorés.
La présente invention concerne donc un échangeur thermique à double circulation de fluide comportant :
des premiers tubes entre lesquels circule un premier fluide caloporteur entre une entrée et une sortie du premier fluide caloporteur, et
des seconds tubes entre lesquels circule un second fluide caloporteur entre une entrée et une sortie du second fluide caloporteur, lesdits premier et second tubes étant empilés en alternance, un premier tube étant au moins au contact d'un second tube et inversement, ledit échangeur thermique comportant en outre au moins un dispositif chauffant additionnel, ledit dispositif chauffant additionnel étant placé entre deux tubes.
Le fait que le dispositif chauffant additionnel soit directement au sein de l'échangeur thermique permet un gain de place dans la conception générale d'une installation de gestion thermique où un dispositif de chauffage du fluide caloporteur est nécessaire. De plus, le fait que le dispositif chauffant additionnel soit au contact des tubes permet un chauffage optimisé du fluide caloporteur, car la surface d'échange entre le dispositif chauffant additionnel et le fluide caloporteur est plus étendue
Selon un aspect de l'invention, les premiers et seconds tubes sont des premières et secondes paires de plaques d'échanges.
Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif chauffant additionnel est pris en sandwich entre deux tubes dans laquelle circule un même fluide caloporteur.
Selon un autre aspect de l'invention, l'échangeur thermique comporte un dispositif chauffant additionnel sur au moins une des extrémités de l'empilement des premiers et seconds tubes.
Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif chauffant additionnel est placé au contact de premiers tubes.
Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif chauffant additionnel est placé au contact de seconds tubes. Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif chauffant additionnel est un dispositif de chauffage électrique.
Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif de chauffage électrique comporte une enveloppe en silicone à l'intérieur de laquelle est placé un cordon électrique chauffant.
Selon un autre aspect de l'invention, l'échangeur thermique comporte une sonde thermique au contact du dispositif chauffant additionnel.
La présente invention concerne également une installation de gestion thermique comprenant un échangeur thermique comme décrit précédemment.
Selon un aspect de l'installation selon l'invention :
- les entrées et sorties du premier fluide caloporteur sont reliées à un circuit de gestion thermique de batteries d'un véhicule électrique ou hybride, ledit échangeur thermique étant placé en amont d'un échangeur de régulation de température des batteries,
les entrées et sorties du second fluide caloporteur sont reliées à un circuit de climatisation.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels :
- la figure ι montre une représentation schématique d'un échangeur thermique en perspective éclatée,
la figure 2 montre une représentation schématique d'un échangeur thermique en vue de côté, la figure 3 montre une représentation schématique en vue de dessus d'une plaque d'échange, et
la figure 4 montre une représentation schématique d'une installation de gestion thermique.
Les éléments identiques sur les différentes figures, portent les mêmes références.
Comme le montre les figures 1 et 2, un échangeur thermique 1 à double circulation de fluide comporte notamment :
des premiers tubesio entre lesquels circule un premier fluide caloporteur entre une entrée 12a et une sortie 12b du premier fluide caloporteur, et
des seconds tubes 20 entre lesquelles circule un second fluide caloporteur entre une entrée 22a et une sortie 22b du second fluide caloporteur.
Ces premiers 10 et seconds 20 tubes sont empilés en alternance, un premier tube 10 étant au moins au contact d'un second tube 20 et inversement afin que l'énergie calorifique puisse passer d'un fluide caloporteur à l'autre.
L'échangeur thermique 1 comporte en outre au moins un dispositif chauffant additionnel 30 intégré en son sein. Ce dispositif chauffant additionnel 30 est plus particulièrement placé entre deux tubes.
Le fait que le dispositif chauffant additionnel 30 soit directement au sein de l'échangeur thermique 1 permet un gain de place dans la conception générale d'une installation de gestion thermique où un dispositif de chauffage du fluide caloporteur est nécessaire. De plus, le fait que le dispositif chauffant additionnel 30 soit au contact des tubes permet un chauffage optimisé du fluide caloporteur, car la surface d'échange entre le dispositif chauffant additionnel 30 et le fluide caloporteur est plus étendue.
Les premiers 10 et seconds 20 tubes peuvent notamment être des tubes plats ou alors des premières 10 et secondes 10 paires de plaques d'échanges comme représenté sur les différentes figures.
Ci-après, les premiers 10 et seconds tubes seront définies comme étant des premières 10 et secondes 20 paires de plaques d'échange afin d'être en accord avec le mode de réalisation représenté sur les différentes figures. Il est néanmoins tout à fait possible de remplacer ces paires de plaques d'échange par d'autres moyens d'échange thermique entre deux fluide caloporteur comme des tubes plats ou autre sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
Ces premières 10 et secondes 20 paires de plaques d'échange ont au moins l'une de leurs plaques qui comporte des canaux refermés par la seconde plaque de sorte à former un circuit de tubes plats dans lequel circule le fluide caloporteur. Ces plaques d'échanges sont généralement réalisées en métal et sont embouties et brassées l'une à l'autre afin de former une paire de plaque d'échange comportant un circuit de tubes plats dans lequel circule un fluide caloporteur
Pour une meilleure efficacité et pour cibler un fluide caloporteur, le dispositif chauffant additionnel 30 peut être pris en sandwich entre deux plaques d'échange dans laquelle circule un même fluide caloporteur.
Dans les exemples montrés aux figures 1 et 2, le dispositif chauffant additionnel 30 est placé entre deux premières paires de plaques d'échange 10, ces dernières étant sur leur autre face au contact d'une seconde plaque d'échange 30. Il est bien entendu tout à fait possible d'imaginer une configuration inverse où le dispositif chauffant additionnel 30 est placé entre deux secondes paires de plaques d'échange 20, ces dernières étant sur leur autre face au contact d'une première plaque d'échange 30.
Comme illustré sur la figure 2, l'échangeur thermique 1 peut également comporter un dispositif chauffant additionnel 30 sur au moins une des extrémités de l'empilement des premières 10 et secondes 20 paires de plaques d'échange afin encore d'améliorer l'apport de chaleur au fluide caloporteur.
Le dispositif chauffant additionnel 30 peut notamment être un dispositif de chauffage électrique. Comme illustré à la figure 3, ce dernier peut être composé par exemple d'une enveloppe silicone 32 à l'intérieur de laquelle est placé un cordon électrique chauffant 34, par exemple une piste chauffante par thermistance à Coefficient Positif de Température (CPT). Le dispositif chauffant additionnel 30 peut également être tout type de dispositif de chauffage électrique assez fin et puissant pour être adapté entre deux plaques d'échange, par exemple comme un chauffage par résistance sérigraphiée.
Des bornes 36 sont également placées sur la périphérie de la paire de plaque d'échange 10 afin de permettre l'alimentation du dispositif chauffant additionnel 30.
Afin de contrôler la température du fluide caloporteur et du dispositif chauffant additionnel 30, l'échangeur thermique 1 peut également comporter une sonde thermique (non représentée) notamment au contact du dispositif chauffant additionnel 30. L'échangeur de chaleur 1 à double circulation de fluide est plus particulièrement destiné à être intégré au sein d'une installation de gestion thermique. Il peut ainsi être placé à l'intersection entre une boucle de climatisation 310 et un circuit de gestion thermique de batteries 210 comme illustré à la figure 4.
Les entrées 12a et sorties 12b du premier fluide caloporteur sont reliées au circuit de gestion thermique de batteries 210 d'un véhicule électrique ou hybride, l'échangeur thermique 1 est placé en amont d'un échangeur de régulation de température des batteries 216. Le circuit de gestion thermique 210 comporte en outre une pompe 212 placée en aval de l'échangeur de régulation de température des batteries 216 ainsi qu'un accumulateur placé entre ladite pompe 212 et ledit échangeur de régulation de température des batteries 216. Le circuit de gestion thermique 210 peut également comporter un échangeur de régulation de température de l'électronique de gestion 214 placé en amont de l'échangeur thermique 1.
Les entrées 22a et sorties 22b du second fluide caloporteur sont quant à elles reliées à un circuit de climatisation 310. Le circuit de climatisation comporte notamment :
- un compresseur 312,
- un accumulateur 322 en aval dudit compresseur 312,
- un premier échangeur de chaleur 314 placé en contact de l'air extérieur afin de dissiper de l'énergie calorifique,
- un second échangeur de chaleur 320 placé dans un circuit d'alimentation en air de l'habitacle,
- une vanne d'expansion 318 placée en amont du second échangeur de chaleur 320, et - une vanne d'arrêt 316 placée entre le second échangeur de chaleur 320 et la vanne d'expansion 318.
L'échangeur thermique 1 à double circulation est quant à lui placé sur une branche parallèle 330 qui contourne la vanne d'arrêt 316, la vanne d'expansion 318 et le second échangeur de chaleur 320. Cette branche parallèle 330 comporte elle aussi une vanne d'arrêt 324 placée en amont d'une la vanne d'expansion 326. L'échangeur thermique 1 est placé en aval de la vanne d'expansion 326.
Ainsi, par exemple lors d'un démarrage à froid, il est nécessaire d'apporter de la chaleur aux batteries afin qu'elles atteignent le plus rapidement leur température optimale de fonctionnement. La vanne d'arrêt 324 du circuit de climatisation est alors fermée et les dispositifs chauffant additionnels 30 au sein de l'échangeur thermique 1 chauffe le premier fluide caloporteur qui arrive au niveau de l'échangeur de régulation de température des batteries 216 pour réchauffer ces dernières.
Il est également tout à fait envisageable que dans le cas d'un circuit de climatisation réversible, l'échangeur de chaleur 1 avec ses dispositifs chauffant additionnels 30 peuvent aider au chauffage de l'habitacle en réchauffant le second fluide caloporteur.
Ainsi, on voit bien que le fait d'ajouter au moins un dispositif chauffant additionnel au sein même d'un échangeur thermique permet non seulement d'optimiser l'encombrement du circuit de gestion thermique dans lequel est installé ledit échangeur, mais également permet un chauffage optimisé du fluide caloporteur.

Claims

REVENDICATIONS
1. Echangeur thermique (l) à double circulation de fluide comportant :
des premiers tubes (10) dans lesquels circule un premier fluide caloporteur entre une entrée (12a) et une sortie (12b) du premier fluide caloporteur, et
des seconds tubes (20) dans lesquels circule un second fluide caloporteur entre une entrée (22a) et une sortie (22b) du second fluide caloporteur,
lesdits premier (10) et second (20) tubes étant empilés en alternance, un premier tube (10) étant au moins au contact d'un second tube (20) et inversement,
caractérisé en ce que ledit échangeur thermique (1) comporte en outre au moins un dispositif chauffant additionnel (30), ledit dispositif chauffant additionnel (30) étant placé entre deux tubes.
2. Echangeur thermique (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les premiers (10) et seconds (20) tubes sont des premières (10) et secondes (20) paires de plaques d'échanges.
3. Echangeur thermique (1) selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif chauffant additionnel (30) est pris en sandwich entre deux tubes dans lequel circule un même fluide caloporteur.
4. Echangeur thermique (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif chauffant additionnel (30) sur au moins une des extrémités de l'empilement des premier (10) et second (20) tubes.
5. Echangeur thermique (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif chauffant additionnel (30) est placé au contact de premier tubes (10).
6. Echangeur thermique (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif chauffant additionnel est placé au contact de seconds tubes (20).
7. Echangeur thermique (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif chauffant additionnel (30) est un dispositif de chauffage électrique.
8. Echangeur thermique (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage électrique (30) comporte une enveloppe en silicone (32) à l'intérieur de laquelle est placé un cordon électrique chauffant (34)·
9. Echangeur thermique (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une sonde thermique au contact du dispositif chauffant additionnel (30).
10. Installation de gestion thermique (100) comprenant un échangeur thermique (1) selon l'une des revendications précédentes.
11. Installation de gestion thermique (100) selon la revendication précédentes, caractérisé en ce que : les entrées (12a) et sorties (12b) du premier fluide caloporteur sont reliées à un circuit de gestion thermique de batteries (210) d'un véhicule électrique ou hybride, ledit échangeur thermique (1) étant placé en amont d'un échangeur de régulation de température des batteries (216),
- les entrées (22a) et sorties (22b) du second fluide caloporteur sont reliées à un circuit de climatisation (310).
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