Brevet FR2431188A1 — publié le 19800208

L'invention est relative, d'une façon générale, aux échangeurs de chaleur pour installations thermo-électriques comportant des thermo-éléments montés entre deux parois d'échanges thermiques, à savoir une paroi chaude et une paroi froide. L'invention est également relative aux installations thermoélectriques comportant une pluralité d'échangeurs de chaleur selon l'invention. De telles installations peuvent être utilisées pour engendrer un courant électrique continu lorsque les parois chaude et froide sont maintenues à des températures différentes ou, au contraire, pour maintenir les parois chaude et froide à des températures différentes lorsqutun courant électrique continu circule dans les thermo-éléments, ce courant électrique pouvant être amené auxdits thermo-éléments par les échangeurs de chaleur dont font partie les parois d'échanges thermiques. L'invention s'applique plus particulièrement, mais non exclusivement, aux échangeurs de chaleur pour ces derniers types d'installations, les thermo-éléments étant alimentés en courant électrique continu pour entretenir une différence de température entre deux parois chaude et froide. Une telle installation, appelée "pompe à chaleur", peut être utilisée pour produire "du chaud ou "du froid". En effet, les thermo-éléments sont de deux types, à savoir les thermo-éléments de type P qui transfèrent des calories dans le sens du courant, et les thermo-éléments de type N qui transfèrent des calories dans le sens inverse du courant. Pour réaliser de telles installations, on a déjà proposé de leur faire comporter des échangeurs de chaleur comprenant chacun au moins une plaque de base coopérant, d'un côté, avec au moins un thermo-élément, et, de l'-autre côté, avec des surfaces d'échanges thermiques baignées par un fluide chaud ou un fluide froid. Il est connu de réaliser ces surfaces d'échanges thermiques par une pluralité de bras s'étendant à partir d'une région centrale qui peut être disposée de diverses manières par rapport à la plaque de base dont ladite région centrale est solidaire. Cependant, il s'est avéré que la réalisation de telles surfaces d'échanges thermiquesétait difficile et onéreuse. En particulier, il se pose une question concernant lthomogéné- ité du matériau constituant les bras. En effet, lorsqu'on adopte un procédé de fabrication par moulage sous pression (ce qui semble être le seul procédé valable), on constate que les bras se présentent sous forme d'un matériau quasiment poreux, au moins du point de vue microscopique. On constate alors qu'il se pose les problèmes suivants - la longueur des bras, donc le coefficient d'échanges thermiques par convection, rapportée à la surface de la région centrale, est limitée par des raisons constructives ; - la transmission du courant électrique est considérablement gênée par le caractère poreux des bras - la transmission de chaleur par conduction se trouve également considérablement gênée par le caractère poreux des bras ;; - la mise en compression des thermo-éléments exige des efforts qui se transmettent par les bras, et cette mise en compression ne peut pas être réalisée correctement en raison de la faible résistance mécanique des bras - la forme des bras, imposée par un procédé de fabrication utilisant les techniques de la fonderie (angle de dépouille et arrondis de raccordement à la surface de la région centrale), contribue à une augmentation du poids des surfaces d'échanges thermiques et nuit à l'écoulement de l'eau condensée. L'invention a pour but de résoudre simultanément les problèmes indiqués ci-dessus, certains de ces problèmes n'étant d'ailleurs pas particuliers aux surfaces d'échanges thermiques réalisées par des bras, mais se rencontrant également dans des surfaces-d'échanges thermiques réalisées d'une façon plus classique sous forme d'ailettes. L'échangeur de chaleur selon l'invention est caractérisé par le fait qu'il est essentiellement constitué par deux plaques de base disposées parallèlement et réunies par une pluralité de barreaux cylindriques (au sens géométrique du terme cylindrique qui désigne un corps engendré par une génératrice se déplaçant parallèlement à elle-même en s'appuyant sur une ligne fermée), pleins et monoblocs. La fixation de l'ensemble des barreaux sur les deux plaques de base peut être réalisée par sertissage, par rivetage ou par une opération combinée de sertissage et de rivetage. La fixation de l'ensemble des barreaux sur les deux plaques de base peut également être réalisée par soudage ou brasage. L'échangeur de chaleur ainsi réalisé présente les avantages suivants - on peut donner aux barreaux cylindriques pleins monoblocs pratiquement n'importe quelle longueur, donc obtenir des coefficients d'échanges thermiques par convection élevés, rapportés à la surface des deux plaques de base ; - la transmission du courant électrique s'effectue avec un minimum de chute de tension, du fait que le matériau utilisé pour les barreaux peut être constitué par un métal tréfilé ou étiré, donc très homogène - la transmission de la chaleur par conduction s'effectue selon des parcours présentant le minimum de résistance thermique ;; - ltensemble des barreaux de chaque échangeur permet une mise en compression efficace des thermo-éléments sans risque de détérioration mécanique des échangeurs, et ce, par exemple, à l'aide d'un tirant central - la disposition des échangeurs de chaleur dans la batterie, de sorte que les plaques de base soient verticales et les barreaux horizontaux, permet un écoulement aise de l'eau de condensation retenue ; - en raison de la forme cylindrique des barreaux et de leur fixation sur les deux plaques de base, fixation exempte d'aspérités, l'encrassement des surfaces d'échanges thermiques est très limité;; - en raison de la forme cylindrique des barreaux, de l'absence d'aspérités au niveau de la fixation desdits barreaux et de la solidité de l'échangeur, il est possible de procéder au nettoyage des échangeurs par des moyens fluides sous une pression efficace - l'échangeur peut être réalisé avec une optimisation de son poids. L'invention consiste, mise à part la disposition principale dont il vient d'être question, en certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement parlé ci-après. L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont relatifs à un mode de réalisation préféré de l'invention et ne comportent, bien entendu, aucun caractère limitatif. La fig. 1, de ces dessins, est une vue en perspective d'un échangeur de chaleur établi conformément à l'invention et montré posé sur l'une de ses deux plaques de base, certains des barreaux cylindriques étant arrachés pour une meilleure compréhension de cette figure. La fig. 2 montre une coupe partielle schématique d'une installation thermo-électrique établie avec des échangeurs de chaleur conformes à l'invention. La fig. 3 est une coupe schématique selon III-III fig. 2. La fig. 4 est une vue en perspective schématique montrant le circuit électrique d'une installation thermo-électrique réalisée avec des échangeurs de chaleur conformes à l'invention. Comme montré sur les fig. 1 à 3, l'échangeur de chaleur comporte essentiellement deux plaques de base 1 et 2 disposées parallèlement et réunies par une pluralité de barreaux cylindriques pleins monoblocs 3 répartis, par exemple, en lignes et en colonnes. La fixation de l'ensemble des barreaux cylindriques pleins monoblocs 3 sur les deux plaques 1 et 2 est de préférence réalisée par des moyens de fixation à sertissage, à rivetage, à sertissage et rivetage, à brasure, à soudure. De telles fixations permettent une réalisation simple de l'échangeur de chaleur, réalisation qui peut être menée à bien par une succession d'opérations automatiques. Par ailleurs, ces fixations permettent une bonne transmission du courant et de la chaleur. De plus, il est possible de donner aux barreaux cylindriques pleins monoblocs 3 pratiquement n'importe quelle longueur, ce qui permet d'aboutir à des coefficients d'échanges thermiques par convection, rapportés à la surface des deux plaques de base, particulièrement élevés et en tout cas sensiblement plus élevés que les échanges thermiques par convection qui peuvent être atteints avec des échangeurs de chaleur classiques du type "à picots", c'est-à-dire comportant des bras s'étendant à partir d'une région centrale solidaire de la plaque de base. L'échangeur de chaleur ainsi réalisé permet d'assurer une bonne transmission du courant électrique et une bonne transmission de la chaleur par conduction en raison, d'une part, des moyens de fixation des deux extrémités de chaque barreau respectivement sur les deux plaques de base et, d'autre part, du caractère monobloc et homogène de chaque barreau qui peut provenir du tronçonnage d'un fil de métal étiré ou tréfilé. Par ailleurs, l'échangeur de chaleur ainsi réalisé présente une excellente résistance à la compression, ce qui permet une mise en compression efficace de chaque thermo-élément. La structure d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention permet un écoulement aisé de l'eau de condensation retenue lorsque les plaques de base sont orientées verticalement. L'absence d'aspérités tout au long des barreaux ainsi qu'au niveau de la fixation de leurs deux extrémités respectivement sur les deux plaques de base, et l'absence d'arrondis de raccordement à la surface des deux plaques de base, favorisent cet écoulement, limitent l'encrassement des surfaces d'échanges thermiques et permettent leur nettoyage par des jets de fluide (notamment des jets d'eau chaude) envoyés dans les échangeurs thermiques sous une pression efficace. Enfin, on conçoit qu'il est aisé d'arriver par le calcul à une optimisation du poids de chaque échangeur de chaleur, les dimensions (notamment le diamètre, la longueur et le pas des barreaux) révélées par le calcul ne constituant généralement pas un obstacle à la fabrication de l'échangeur thermique. Ceci étant, il convient de signaler que les barreaux sont disposés, lorsque les deux plaques de base sont verticales, de façon telle que les barreaux successifs, situés dans un plan perpendiculaire à la circulation du fluide, soient espacés d'un pas transversal supérieur au pas longitudinal des barreaux successifs situés dans un plan parallèle à la circulation du fluide. L'écartement minimum E des barreaux est tel que l'eau con m densée ne soit pas retenue par capillarité. L'écartement maximum E M des barreaux est tel que la surface d'échanges soit la plus grande possible pour une perte de charge aussi faible que possible. En fait, le calcul et ltexperience montrent qu'une disposition satisfaisant à l'équation D =\/yMM donne d'excellents résultats, D désignant le diamètre des barreaux. A titre d'exemple, on peut signaler que le demandeur a réalisé et essayé des échangeurs de chaleur présentant les caractéristiques suivantes - plaques de base carrées de 58 mm x 58 mm, - épaisseur de chaque plaque de base : 3 mm, - écartement minimum des barreaux : 2 mm, - écartement maximum des barreaux : 4,5 mm, - diamètre des barreaux : 3 mm, - longueur des barreaux : 60 mm. L'installation thermo-électrique montrée schématiquement sur les fig. 2 et 3 (sur lesquelles les mêmes chiffres de référence désignent les mêmes organes que sur la fig. 1) comporte un empilement de plusieurs échangeurs de chaleur du type montré sur la fig. 1, dont les plaques de base 1 et 2 sont disposées verticalement. Les thermo-éléments 4 sont mis en compression entre les plaques de base 1 ou 2 en regard, par exemple à l'aide d'un tirant central 5. Des joints appropriés 6 sont disposés entre les couches verticales formées par les échangeurs de chaleur. Les fluides chaud et froid peuvent circuler dans le sens indiqué par les flèches 7 et 8,- c'est-à-dire suivant des courants croisés. D'autres sens de circulation pourraient, bien entendu, être envisagés. Dans une telle installation thermo-électrique, le circuit électrique peut être réalisé d'une façon particulièrement simple car chaque empilement formé par une succession d'échangeurs de chaleur est connecté en série, des liaisons latérales 9 permettant de passer d'un empilement à l'autre (fig. 4). Finalement et quel que soit le mode de réalisation adopté, on dispose d'un échangeur de chaleur pour installations thermoélectriques dont les avantages ont été suffisamment clairement indiqués dans la description qui en a été faite pour qu'il soit inutile d'entrer dans de plus amples détails. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus particulièrement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1.- Echangeur de chaleur pour installations thermo-électriques, caractérisé par le fait qu'il est essentiellement constitué par deux plaques de base disposées parallèlement et réunies par une pluralité de barreaux cylindriques, pleins,monoblocs, et rendus solidaires des deux susdites plaques de base par des moyens de fixation. 2.- Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ces moyens de fixation sont constitués par un sertissage. 3.- Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ces moyens de fixation sont constitués par un rivetage. 4.- Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ces moyens de fixation sont constitués par un sertissage et un rivetage. 5.- Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ces moyens de fixation sont constitués par une soudure ou une brasure. 6.- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il est disposé, dans l'installation thermo-électrique, de sorte que les deux plaques de base soient verticales. 7.- Echangeur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les barreaux sont disposés de façon telle que les barreaux successifs, situés dans un plan perpendiculaire à la circulation du fluide, soient espacés d'un pas transversal supérieur au pas longitudinal des barreaux successifs situés dans un plan parallèle à la circulation du fluide. 8.- Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'écartement minimum des barreaux est tel que 11 eau condensée ne soit pas retenue par capillarité, et par le fait que l'écartement maximum des barreaux est tel que la surface d'échanges soit la plus grande possible pour une perte de charge aussi faible que possible. 9.- Echangeur de chaleur selon la revendication 8, caractérisé par le fait que le diamètre des barreaux est égal à la racine carrée du produit de l'écartement minimum par l'écartement maximum. 10.- Installation thermo-électrique comportant une pluralité d'échangeurs établis selon l'une quelconque des revendications précédentes.