Brevet FR2576679A1 — publié le 19860801

La présente invention concerne le domaine des échangeurs thermiques, notamment pour enceintes étanches contenant des capteurs de précision et/oudes circuits zlectroniques associés. Avec un matériel transportable à l'extdrieur, les cond't.ons difficiles de l'environnement exigent d'avoir des eJaneintes d'étanchéité poussée pour une protection optimale des appareillages. Or les performances -des nouvelles générations de circuits issus de la microélectro- nique permettent d'augmenter considérablement les carac téristiques des appareillages en multipliant les fonctions remplies et en améliorant leurs performances, ce qui amène à loger dans les enceintes étanches un nombre élevé d'en sembles qui dissipent une chaleur importante. De plus, pour le caractère transportable du maté- riel, on cherche à diminuer l'encombrement des enceintes, ce qui confère aux problèmes d'ordre thermique une impor- tance cruciale si les conditions d'environnement sont difç ficiles, car les différences de température entre l'intd- rieur et l'air ambiant risquent d'atteindre des valeurs affectant le bon fonctionnement et la fiabilité du matériel. Par exemple, avec un air ambiant à 4O0C, la température à l'intérieur d t une enceinte fermée peut dépasser 70 C, ce qui est très défavorable pour des capteurs de précision et les circuits électroniques associés, par exemple du type de ceux utilisés en géophysique ou en radionavigation. Des essais ont été réalisés pour examiner le cora- portement thermique d' une enceinte équipée de cartes porw teuses d'équipements dont les composants sont générateurs d'un flux thermique émissif. Ceest ainsi que les liaisons des cartes à l'enceinte ont été repensées, en reliant thermiquement les bords des cartes aux parois de l'enceinte par des connecteurs ou des ponts thermiques.Cette orientation de recherche, présentant l'énorme avantage de ne pas altérer l'étanchéité de l'enceinte, a donné des résultats intéressants pour l'amélioration de la température ambiante, mais ne donne pas satisfaction quant à leur efficacité si les conditions d'environnement sont sévères, car l'adjonction de ponts thermiques a pour efèt-de forcer la tempé- rature de points déjà chauds. Une autre orientation réside dans l'emploi d'échangeurs thermiques. Il existe de nombreux échangeurs thermiques utilisés pour le refroidissement d'armoires d'appareillages ou de coffrets. On a par exemple deux circuits de ventilation séparés, interne et externe, dont la circulation forcée est réalisée au moyen de ventilateurs associés, et une surface d'échange pour l'échange des calories entre l'intérieur de l'armoire et l'ambiance extérieure, cette surface d'échange étant obtenue par dès lamelles : un ventilateur aspire l'air chaud de l'armoire, ce qui réchauffe les lamelles, tandis qu'un autre ventilateur fait passer l'air frais ambiant dans l'échangeur pour dissiper la chaleur. Il n'est pas possible dladapter de tels échangeurs à l'équipement d'enceintes étanches pour résoudre le problème de l'invention, car leur structure est incompatible avec une étanchéité poussée de l'enceinte. Il faut en effet se rendre compte que l'étanchéité exigée, selon le type d'application, est de l'ordre de 0,1 à 0,01 gramme d'eau par seconde et par atmosphère (test d'immersion), pour atteindre dans certains cas des valeurs d'environ 10 5 (avec un test à l'hélium). On a aussi proposé un échangeur comportant également deux circuits d'air indépendants, l'un interne et l'autre externe, pour lesquels le ventilateur associé réalise une circulation forcée ; les ventilateurs sont montés de part et d'autre d'une paroi montée de façon étanche sur une face de l'enceinte, ce qui est intéressant pour l'étanchéité, mais le système d'échange utilise des caloducs circulant dans une tubulure associée. Un tel échangeur est difficilement compatble avec l'équipement d'enceintes transportables et compactes, telles que celles utilisées en topographie, en géophysique ou en radiopositionnement. L'objet de llinvention est de proposer un échangeur thermique tenant compte des exigences précédemment exposées, d'efficacité et de fiabilité, sans altérer l'é- tanchéité requise, et ce meme dans des conditions diffi- ciles d'environnement. Un autre objet de l'invention est que l'échangeur thermique présente une compacité et un poids qui le rendent apte à l'équipement de matériels transportables à lxtdrìeur. L'invention concerne plus particulièrement un échangeur thermique, notamment pour enceintes étanches con tenant des capteurs de précision et/ou des circuits élec troniques associés, comportant deux circuits d'air inddpeno dants dont la circulation forcée est réalisée au moyen de ventilateurs centrifuges associés, et une surface d'échange pour l'échange des calories entre l'intérieur d'une encein te et 1 'aiabiance extérieure, caractérisé par le fait que la surface d'échange est essentiellement constituée par un empilement de cloisons dont les cales d'espacement remplissent une fonction de convection par leur contour interne, l'organisation successive alternée desdites cales d'espar cement assurant la séparation étanche des deux flux d'air en circulation contraire dans les alvéoles alternés ainsi formés. Selon une premiere variante, les ventilateurs mon- tés contre chacune des deux sections d'extrémité de la batterie d'alvéoles fonctionnent axialement, les entrées des deux circuits d'air étant disposées latéralement de part et d'autre de ladite batterie d1alvéoles > et les cloisons desdits alvéoles étant disposées essentiellement perpendiculairement à la face de l'enceinte supportant-ledit échangeur. il est alors avantageux que chaque alvéole d mentaire comporte deux cales d'espacement ayant sensiblement la forme d'un L et d'un I,dont le contour intérieur est de préférence incurvé pour canaliser le flux du circuit d'air concerné, et dont les bords extérieurs interdisent le passage du flux de l'autre circuit d'air concerné par le ou les alvéoles adjacents audit alvéole élémentaire les bords extérieurs de la cale d'espacement en L correspondent aux bords des cloisons d'échange rectangulaires, et la section de passage définie par le contour intérieur des deux cales d'espacement se resserre d'un mur chaud vers un mur froid pour un écoulement calorique naturel. Selon une deuxième variante dont la structure plus compacte permet une intégration dans un capot ou meme une implantation dans ltence nte, les ventilateurs montés latéralement de part et d'autre de la batterie d'alvéoles fonctionnent tangentiellement, les entrées et les sorties des circuits d'air étant également disposées latéralement, et les cloisons desdits alvéoles étant disposées essentiellement parallèlement à la face de l'enceinte supportant ledit échangeur; de préférence, le circuit d'air intérieur arrive sur la batterie d'alvéoles par le ventilateur associé, et sort de ladite batterie vers un coude de renvoi en direction de l'intérieur de l'enceinte. Il est alors avantageux que chaque alvéole élémentaire comporte deux cales d'espacement ayant sensiblement la forme d'une équerre, dont le contour intérieur est de préférence incurvé pour canaliser le flux du circuit d'air concerné, et dont une branche délimite un passage d'entrée ou de sortie pour ledit flux, tout en interdisant le passage du flux de l'autre circuit d'air concerné par le-ou les alvéoles adjacents audit alvéole élémentaire lesdites cales peuvent d'ailleurs être identiques, et dis posées symétriquement, pour chaque alvéole élémentaire D'une façon générale, il peut s'avérer intéressant que certaines au moins des cloisons soient munies de guides de convection rapportés, présentant une courbure longitudinale qui correspond sensiblement aux lignes de courant du flux du circuit d'air concerné, et/ou que les cloisons et les cales d'espacement présentent des perçages d'alignement pour faciliter et/ou permettre l'assemblage de la batterie d'alvéoles élémentaires, lesdits alvéoles pouvant être en outre collés les uns aux autres en alternance. D'autres caracêristiques et avantages de l' thermique conforme d l Y invention dont les ventilateurs ont été dégagés de la batterie d'échange pour clarifier la représentation, - la figure 2 illustre en vue éclatée quelques cloisons et les cales d'espacement associées équipant l'échangeur de la figure 1, la figure 3 est une vue en perspective d'une variante de l'échangeur thermique conforme à l'invention, dont la structure est plus compacte, - la figure 4 illustre deux cloisons et les cales en équer re associées équipant l'échangeur de la figure 3. Figure 1, un échangeur thermique 1, destiné à être fixé de façon étanche sur la face avant 2 d'une enceinte étanche (schématisée-en pointillés) contenant par exemple des capteurs de précisions et/ou des circuits électroniques associés, comporte deux circuits d'air indépendants dont la circulation forcée est réalisée au moyen de ventilateurs centrifuges associés, et une surface d'échange pour l'échange des calories entre l'intérieur de l'enceinte et l'ambiance extérieure. Le circuit d'air intérieur, schématisé par les flèches pointillées 3,est associé au ventilateur 4, tandis que le circuit d'air extérieur, schématisé par les flèches continues 5, est associé au ventilateur 6 Les ventilateurs 6 fonctionnent ici axialement, et sont montés contre chacune des sections d'extrémité d'une batterie 7 d'alvéoles. Conformément à une caractéristique essentielle de l'invention, la surface d'échange est essentiellement constituée par un empilementde cloisons 8 dont les cales d'espacement 9, 10 remplissent une fonction de convection par leur contour interne. L'organisation successive alternée des cales 9, 10 assure la séparation étanche des deux flux d'air en circulation contraire dansles alvéoles al ternés ainsi formés. Les entrées des deux circuits d'air sont donc ici latérales, et les cloisons 8 sont disposées essentiellement perpendiculairement à la face avant 2. Ainsi que cela ressort clairement de la vue partielle éclatée de la figure 2, chaque alvéole élémentaire comporte des cales 9, 10 ayant sensiblement la forme d'un L et d'un I respectivement, avec un contour intérieur incurvé pour canaliser le flux du circuit d'air concerné. Cette structure alternée de la batterie d'échange 7 réalise très simplement une indépendance parfaite des deux circuits d'air, car les bords extérieurs des cales 9, 10 d'un al véole élémentaire interdisent le passage du flux de l'autre circuit d'air concerné par le ou les alvéoles adjacents audit alvéole élémentaire. L'étanchéité des deux circuits résulte du serrage de l'empilement, au moyen de tiges passant par des perçages d'alignement 11, 12 prévus sur les cloisons et les cales d'espacement (une telle tige est schématisée par la ligne 13), et/ou par collage des alvéoles élémen- taires en alternance. Ainsi, une fois assemblée, (par empilage et collage éventuel des alvéoles en alternance, selon un simple retournement d'un sur deux) la batterie d'échange 7 se comporte comme un quadripôle thermique qui, avec les ven tilateurs 4, 6, forment les deux circuits d'air étanches entre eux, avec une circulation contraire sur une surface dotale proportionnella- au nombre d'alvéoles. A titre indicatif, un échangeur de 120 mm x 120 mm x 270 mm avec une batterie change d 52 alvéoles élémen- taies, présentant ainsi une surface active d'échange d'environ 0,62 m2, permet d'avoir une différence de tem pérature avec l'ambiance de l'ordre de 18,50C pour une puissance de 240 W, alors qu'une enceinte sans échange thermique était soumise dans les mêmes conditions à une différence de 41 Cç e plus, le gradient thermique entre haut et bas devient pratiquement nul avec l'échangeur thermique de l'invention. Figure 3, une variante de l'échangeur thermique de l'invention est illustrée, présentant une structure plus compacte que l'échangeur précédent L'échangeur 14 comporte des ventilateurs 15, 16, montés latéralement de part et d'autre dune batterie 17 d'alvéoles, fonctionnant ici tangentiellement. Le circuit d'air intérieur (flèches pointillées 18) arrive sur la batterie 17 d'alvéoles par le ventilateur 15 associé, et sort de ladite batterie par un coude de renvoi 19 en direction de l'intérieur de l'enceinte ; le circuit d'air extérieur (flèches continues 20) arrive également latéralement par le ventilateur 16 associé, et sort latéralement de l'autre côte de la batterie d'alvéoles. Comme précédemment, la surface d'échange est essentiellement constituée par un empilement de cloisons 21 dont les cales d'espacement 22, 23 remplissent une fonction de convection par leur contour interne. L'organisation successive alternée des cales 22, 23 assure donc la séparation étanche des deux flux d'air en circulation contraire dans les alvéoles alternés ainsi formés. Ainsi que cela ressort clairement de la figure 4, chaque alvéole élémentaire comporte deux cales 22, 23 en forme d'équerre dont le contour intérieur est de préférence incurvé. Cette structure alternée de la batterie d'échange 17 réalise comme précédemment une indépendance parfaite des deux circuits d'air, car une branche de l'équerre délimite un passage d'entrée ou de sortie pour le flux concerné, tout en interdisant le passage du flux de l'autre circuit d'air concerné par le ou les alvéoles adjacents. Les cales 22, 23 sont avantageusement identiques, et disposées symétriquement, pour chaque alvéole élémentaire. Une amélioration peut être obtenue en prévoyant des guides de convection 24 rapportés (plis emboutis), fixés sur les cloisons 21, et présentant une courbure longitudinale qui correspond sensiblement aux lignes de courant du flux. La structure compacte de cette variante permet un montage moins encombrant en face avant 25, la faible épaisseur d'ensemble permet d'ailleurs de rendre cet échangeur intégrable dans un capot standard d'enceinte, et même d'envisager son implantation à l'intérieur de ladite enceinte entre les cartes du châssis et la face avant aveugle. A titre indicatif, un échangeur de 37 mm x 185 mm x 440 mm avec une batterie d'échange à 15 alvéoles élémen- taires, présentant ainsi une surface active d'échange d'environ 0,43 m2, permet d'avoir une différence de température avec l'ambiante qui, ramenée aux conditions de la première variante, est de l'ordre de 220C, avec un gradient thermique entre haut et bas pratiquement nul Cette variante est donc un peu moins performante que la précédente, mais présente l'avantage de la compacité, d'un poids et d'un coût de ficatisn réduits. La première variante, plus lourde et plus encombrante, est intéressante pour des conditions difficiles, au besoin avec un doublage sur une face avant pour les cas extrêmes. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été décrits, mais englobe toute variante reprenant avec des moyens équivalents les caractéristiques essentielles revendiquées. Ainsi par exemple, la forme des cales d'espacement peut etre modifiée, du moment que leur organisation successive alternée est préserve, pour assure la séparation étanche des deux circuits d'air. REVENDICATIONS 1. Echangeur thermique, notamment pour enceintes étanches contenant des capteurs de précision et/ou des circuits électroniques associés, comportant deux circuits d'air indépendants dont la circulation forcée est réalisée au moyen de ventilateurs centrifuges associé, et une surface d'échange pour l'échange des calories entre l'intérieur d'une enceinte et l'ambiance extérieure, caractérisé par le fait que la surface d'échange est essentiellement constituée par un empilement de cloisons (8) dont les cales d'espacement (9, 10) remplissent une fonction de convection par leur coutour interne, l'organisation successive alternée desdites cales d'espacement (9, 10) assurant la sépa- ration étanche des deux flux d'air (3, 5) en circulation contraire dans les alvéoles alternés ainsi formés. 2. Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les ventilateurs (4, 6) montés contre chacune des deux sections d'extrémité de la batterie d'alvéoles (7) fontionnent axialement, les entrées des deux circuits d'air étant disposées latéralement de part et d'autre de ladite batterie d'alvéoles, et les cloisons (8) desdits alvéoles étant disposées essentiellement perpendiculairement à la face (2) de l'enceinte supportant ledit échangeur. 3. Echangeur thermique selon la revendication 2, caractérisé par le fait que chaque alvéole élémentaire comporte deux cales d'espacement (9, 10) ayant sensiblement la forme d'un L et d'un I,dont le contour intérieur est de préférence incurvé pour canaliser le flux du circuit d'air concerné, et dont les bords extérieurs interdisent le passage du flux de l'autre circuit d'air concerné par le ou les alvéoles adjacents audit alvéole élémentaire. de Echangeur thermique selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les bords extérieurs de la cale d'espacement (9) en L correspondent aux bords des cloisons d'échange (8) rectangulaires. 5. Echangeur thermique selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé par le fait que la section de passage définie par le contour intérieur des deux cales d'espacement (9, 10) se resserre d'un mur chaud vers un mur froid pour un écoulement calorique naturel 6. Echangeur thermique selon l'une des revendica ions 3 à 5, caractérisé par le fait que la surface active d'échange de chaque alvéole élémentaire n est pas infé- rieure à à la moitie de la surface totale de la cloison (8) dudit alvéole. 7. Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les ventilateurs tés latéralement de part et d autre de la batterie d'al- véoles (17) fonctionnent tangentiellement, les entrées et les sorties des circuits d'air (18, 20) étant également disposédes latéralement, et les cloisons (21) desdits alvéol s étant disposées essentiellement parallèlement a la ace (25) de l'enceinte supportant ledit échangeur. 8. Echangeur thermique selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le circuit d'air intérieur (18) arrive sur la batterie d'alvéoles (17) par le venti Le associé (15) et sort de ladite batterie vers un coude de renvoi (19) en direction de l'intérieur de l'enceinte. 9. Echangeur thermique selon l'une des revendications 7 et 8 caractérisé par le fait que chaque alvéole élémentaixe comporte deux cales d'espacement (22, 23) ayant sensiblement la forme d'une équerre dont le contour intérieur est de préférence incurvé pour canaliser le flux du circuit d'air concerné, et dont une branche délimite un passage d'entrée ou de sortie pour ledit flux, tout en interdisant le passage du flux de l'autre circuit d'air concerné par le ou les alvéoles adjacents audit alvéole élémentaire. 10. Echangeur thermique selon la revendication 9, caractérisé par le fait que les deux cales d'espacement (22, 23) sont identiques, et disposées symétriquement, pour chaque alvéole élémentaire. 11. Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que certaines au moins des cloisons (21) sont munies de guides de convection rapportés (24), présentant une courbure longitudinale qui correspond sensiblement aux lignes de courant du flux du circuit d'air concerné. 12. Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que les cloisons (8) et les cales d'espacement (9, 10) présentent des perçages d'alignement (11, 12), pour faciliter et/ou permettre l'assemblage de la batterie (7) d'alvéoles élémentaires. 13. Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que les alvéoles élémentaires sont collés les uns aux autres en alternance.