Brevet FR2613470A1 — publié le 19881007

"Echangeur thermique rotation". Traditionnellement, les échangeurs thermiques sont constitués par un ou plusieurs conduits fixes munis d'ailettes augmentant l'échange, parcouru par un fluide caloporteur au frigoporteur et soumis aux effets d'un courant d'air engendré par un ventilateur ou par le déplacement de ltéchangeur. Bien que très employé, de tels échangeurs ont un rendement relativement faible. La présente invention a pour but de fournir un échangeur ayant un rendement plusieurs fois supérieur à ceux des échangeurs actuels, peu encombrant, nécessitant peu d'énergie et pouvant être utilisé pour refroidir ou réchauffer tous fluides ou gaz. A cet effet, cet échangeur est composé d'un rotor dont le moyeu, monté libre en rotation avec étanchéité sur un stator, est solidaire, d'une part, de plusieurs pales radiales creuses en matériau conducteur de la chaleur et comportant, chacune, un circuit de circulation de fluide entre un orifice d'entrée et un orifice de sortie, ce rotor étant lié à des moyens aptes à l'entrainer en rotation, tandis que le stator comporte un conduit d'alimentation intérieur raccordable à une arrivée de fluide et débouchant dans une cavité du rotor, cavité communiquant avec les orifices d'entrée des pales, et une chambre annulaire d'évacuation raccordable à un conduit d'évacuation du fluide et en communication avec les orifices de sortie des pales. Ainsi, lorsque le rotor est entrainé en rotation, le fluide caloporteur traverse longitudinalement le stator, pénètre dans la cavité du rotor et, de là, et par la force centrifuge, est véhiculé dans chacune des pales. L'écoulement de l'air sur la face extérieure des pales en rotation prélève les calories cédées par le fluide auxdites pales. Le fluide refroidi de chaque pale se rapproche du moyeu et s'échappe par l'orifice de sortie de la pale pour rejoindre la chambre annulaire d'évacuation. Dans une forme d'exécution de l'invention, l'orifice d'entrée de chaque pale est située à une distance r de l'axe longitudinale du rotor, tandis que son orifice de sortie est situé à une distance R, supérieure à r, du même axe. Grâce à cet agencement, la pression de sortie du fluide est supérieure à sa pression d'entrée, ce qui, ajouté à l'effet de la force centrifuge permet d'obtenir une circulation continue du fluide dans chacune des pales. En d'autres termes, chacune des pales se comporte comme une pompe et suffit, par sa rotation, à assurer la circulation du fluide dans l'échangeur. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit en référence au dessin schématique annexé représentant à titre d'exemples non limitatifs une forme d'exécution de cet échangeur dans le cas de son application au refroidissement d'un fluide. Figure 1 est une vue de côté en coupe longitudinale suivant I-I de figure 2 de cet échangeur tournant, Figure 2 est une vue en coupe suivant II-II de figure 1. Figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'une variante de réalisation. Cet échangeur est essentiellement composé d'un stator désigné de façon générale par A et d'un rotor désigné de façon générale par B. Dans la forme d'exécution des figures 1 à 2, le rotor est composé d'un moyeu 1, comprenant une paroi 2, une paroi cylindrique 3, ayant un rayon intérieur R, et un nez en forme de cloche 4 avec une cavité interne axiale 5. Ce moyeu est solidaire de pales radiales creuses 6, vrillées ou non, raccordées à un nez 7 délimitant une cavité axiale 8 faisant communiquer les différentes pales entre elles. La cavité axiale 5 comprend plusieurs orifices radiaux 9 dans chacun desquels est engagée l'extrémité inférieure d'un tube radial 10 en matériau conducteur de la chaleur, tel qu'en cuivre, dont l'extrémité supérieure est obturée par un bouchon 12 lié à l'extrémité de la pale 6. Comme montré à la figure 1, l'extrémité inférieure de chacun des tubes 10, constituant orifice d'entrée 11, est à une distance de l'axe longitudinale de l'échangeur de valeur r inférieure à R.A son extrémité supérieure, chaque tube 10 comporte au moins un, et de préférence plusieurs orifices transversaux 13. Le moyeu 1 est solidaire d'une douille 14 reliée à des moyens d'entrainement en rotation, moyens qui, dans cette forme d'exécution, sont constitués par une courroie d'entrainement 15. Le stator A est composé d'une pièce de fixation 20, solidaire d'un conduit longitudinal axial 22 dont l'extrémité amont est raccordée, par un raccord 23, à un conduit 24 d'amenée du fluide caloporteur et dont l'extrémité aval débouche dans la cavité axiale 5 du moyeu. La pièce 20 est également solidaire d'un tube extérieur 25 disposé longitudinalement et coaxialement autour du tube 22 avec lequel il délimite une chambre annulaire 26. Une entretoise 27 maintient l'écartement des deux tubes. La chambre annulaire 26 débouche dans une cavité 28 de la pièce de fixation 20, cavité raccordée par un raccord 29 avec le conduit 30 d'évacuation du fluide. Comme montré à la figure 1, l'extrémité libre du tube extérieur 25 supporte les cages intérieurs de deux roulements à billes 32 dont les cages extérieures sont emmanchées dans des portées du moyeu 2 et du flasque 13 du rotor.Dans l'intervalle entre les deux roulements, sont disposés des conduits radiaux 33 solidaires du tube 25 et espacés d'un pas angulaire constant, comme montré sur la figure 2. Chacun de ces conduits 33 met en communication un orifice.34, ménagé dans une paroi cylindrique 35 du stator, avec un orifice 36 ménagé radialement dans le tube extérieur 25. Comme montré à la figure 2, les orifices 33 ont un bord amont 34a, par rapport au sens de rotation du rotor représenté par la flèche 21, qui est évasé vers l'extérieur, et un bord aval 34b qui est évasé vers l'intérieur. Enfin, la -paroi cylindrique 3 du rotor est traversée, au niveau de chaque pale, par un perçage radial 37. Lorsque le stator est entrainé en rotation dans le sens de la flèche 21, le fluide qu'il contient est soumis aux effets de la force centrifuge et tend à sortir de chacune des pales 6 en passant à travers l'orifice de sortie 37 avec une pression p qui est proportionnelle à la différence de rayons R - r. Sous l'effet de cette pression, le fluide est soumis à un débit qui l'amène à passer successivement dans l'intervalle entre les parois 3 du rotor et 35 du stator, par les orifices 34, par les conduits 33 et par les orifices 36 dans la chambre annulaire 26, d'où il s'évacue par le conduit de sortie 30. En d'autres termes, la rotation du rotor crée une pression dans chacune des pales qui, fonctionnant alors comme une pompe, est alimentée en continu par le fluide provenant du conduit 24.Le fluide provenant du conduit axial 22, pénètre ainsi dans la cavité 5 du rotor, passe par les orifices d'entrée 11 des tubes 10 et parcourt ces tubes 10 pour sortir, par leurs orifices 13, dans la pale creuse 6 correspondante. Les calories cédées à la pale 6 par le fluide caloporteur sont cédées à l'air qui lèche cette pale en rotation L'étanchéité entre le stator et le rotor est assurée par deux joints 40 disposés de part et d'autre des canaux 33 et interposés entre l'extrémité de ces conduits et la bague extérieure des roulements à billes 32, mais aussi par des joints toriques 42 disposés entre ces roulements et, respectivement, la paroi du moyeu 1 et le flasque 13. La forme d'exécution représentée à la figure 3 se différencie de la précédente par le fait que le moyeu 1 est calé directement sur l'extrémité de l'arbre 41a d'un moteur électrique 41. Ce moyeu est composé d'un boitier 43 et d'un couvercle 44 assemblés l'un à l'autre par des vis 45. Le couvercle comporte des parois internes 46 et 47 délimitant entre elles une cavité annulaire 48 communiquant par un conduit intérieur 49 avec un tronçon tubulaire 50 relié par un corps 23 au conduit 24 d'amenée du fluide caloporteur.Le conduit 49 fait partie du stator A et sert de support à un joint d'étanchéité 52 interposé entre son extrémité et la paroi 46 du couvercle 44. I1 est entouré coaxialement par un conduit 53 faisant partie du stator A et délimitant, avec ce conduit 49, une chambre annulaire 54 communiquant directement avec un canal radial 55 disposé dans le prolongement du raccord 29 du conduit d'évacuation 30. Le conduit tubulaire 53 est solidaire d'un plateau circulaire fixe 56 comportant des canaux radiaux 57 communiquant directement avec la chambre annulaire 54. L'extrémité de chaque canal 57 est située à une distance R de l'axe. Le plateau est disposé dans une cavité annulaire 58 formée entre le boitier 43 et le couvercle 44 du moyeu. Un joint d'étanchéité 59 est interposé entre le conduit 53 et le bord interne de la paroi diamétrale du boitier. Comme le montre la partie supérieure droite de la figure 3, la chambre annulaire 48 d'arrivée du fluide caloporteur communique avec des tubes 10, similaires à ceux de la forme d'exécution précédente, et dont l'extrémité engagée dans les alésages radiaux 9 de la paroi 46 du couvercle est à une distance r de l'axe longitudinal de l'arbre du moteur et constitue l'orifice d'entrée 11 des pales. A son extrémité extérieure, chaque tube 10 est obturée par un bouchon 12 et comporte au moins une perforation radiale 13 le mettant en communication avec une chambre annulaire 60 délimitée autour de lui par une paroi tubulaire 62 du boitier 43. Cette paroi fait corps avec la pale 6 qui est donc conformée comme une ailette de refroidissement. Le canal annulaire 60 débouche dans la chambre annulaire 58 par un orifice de sortie 37. Cela permet au fluide caloporteur refroidi de passer par les canaux 57 du plateau 56 pour rejoindre par la chambre annulaire 54, le canal radial 55 et le raccord 29, le conduit d'évacuation 30. Il ressort de ce qui précède que cet échangeur fonctionne de la même façon que celui décrit dans la forme d'exécution précédente. I1 est évident que l'échange thermique procuré par cet échangeur dépend de la conductibilité du matériau constitutif des pales 6 et de l'aspect extérieur de ces pales. Dans une forme d'exécution, les pales et l'ensemble du rotor sont réalisés dans un alliage métallique très conducteur de la chaleur, tel qu'un alliage d'aluminium, et la face extérieure des pales est recouverte d'une couche de peinture noire mat assurant un bon rayonnement vers l'extérieur. Cet échangeur, très simple, assure à la fois les fonctions de radiateur ou batterie chauffante, selon la température du fluide le parcourant par rapport à la température extérieure, de ventilateur et de pompe. I1 assure un excellent échange thermique tout en ne brassant que très peu de gaz ou fluide extérieur, car la très grande vitesse d'écoulement de ce gaz ou fluide sur la face extérieure des pales permet d'obtenir une excellente convexion forcée. Par ailleurs, il nécessite très peu d'énergie pour sa rotation et cela d'autant plus que l'inclinaison des pales n'est pas établie pour quJelles assurent un brassage d'air, comme c'est le cas d'un ventilateur, mais uniquement pour créer un déplacement d'air suffisant pour que celui-ci vienne lécher la totalité de leur périphérie en prélevant au passage des calories. Des essais réalisés montrent que, malgré son faible encombrement, cet échangeur thermique présente un rendement plusieurs fois supérieur à la plupart des échangeurs existants aujourd'hui. Un tel échangeur constituant ventilateur, radiateur et pompe, assure à lui seul les trois fonctions nécessaires à échange thermique et permet de réchauffer, refroidir ou climatiser tout fluide ou gaz. I1 peut être utilisé dans l'automobile pour refroidissement de l'eau ou de l'huile du fluide de refroidissement du moteur, ou pour le chauffage du véhicule ; dans l'industrie, pour le refroidissement ou le réchauffement de tout fluide telles que eau de circuit de refroidissement sur compresseur ou pompe à vide, huile sur circuit hydraulique, pour le séchage de produit, ou comme récupérateur de calories sur fumées de chaudière. Ces applications ménagères comprennent le chauffage, si ses conduits 24 et 30 sont raccordés à des moyens élevant la température d'un fluide caloporteur, la climatisation, si ces mêmes conduits sont raccordés à une installation produisant un fluide porteur de frigories, la récupération de calories sur cheminées, le séchage du linge et toute autre application consistant à réchauffer ou à refroidir l'air ambiant. Il est bien évident que l'invention ne se limite pas aux formes d'exécution qui ont été décrites ci dessus à titre d'exemples, elle embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation comportant des moyens équivalents, quels que soient notamment les moyens d'alimentation des pales creuses, les moyens d'évacuation du fluide de chacune des pales, les moyens de transfert du fluide au stator. C'est ainsi que dans une variante de réalisation, non représentée, les logements 34 du stator sont ménagés dans le fond d'une gorge annulaire réalisée dans la paroi cylindrique 35 du stator et assurant la répartition du fluide entre les différents canaux 33. REt'ENDICATION'S 1. Echangeur thermique rotatif caractérisé en ce qu'il est composé d'un rotor (B) dont le moyeu (1), monté libre en rotation avec étanchéité sur un stator (A), est solidaire, d'une part, de plusieurs pales radiales creuses (6), en matériau conducteur de la chaleur et comportant chacune un circuit de circulation de fluide entre un orifice d'entrée (11) et un orifice de sortie (37), ce rotor étant lié à des moyens (15-40) aptes à l'entrainer en rotation, tandis que le stator (A) comporte un conduit d'alimentation intérieur (22-49) raccordable à une arrivée de fluide (24) et débouchant dans une cavité (5-48) du rotor (Bn, cavité communiquant avec les orifices d'entrée (11) des pales (6), et une chambre annulaire d'évacuation (26-54) raccordée à un conduit (30) d'évacuation du fluide et en communication avec les orifices de sortie (37) des pales (6). 2. Echangeur selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'orifice d'entrée (11) de chaque pale (6) est situé à une distance (r) de l'axe longitudinal du rotor (B), tandis que son orifice de sortie (37) est situé à une distance (R) supérieure à (r) du même axe. 3. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que chaque pale creuse (6) est associée à un tube radial intérieur (10; d'alimentation, dont la base débouche dans la cavité (5-48, du rotor et dont le sommet obturé est muni d'au moins un perçage transversal (13) débouchant dans la pale creuse. 4. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les orifices (37), de sortie du fluide du rotor (B), sont ménagés radialement dans une paroi cylindrique (3) entourant une paroi cylindrique (35) du stator et comportant elle-même des ouvertures radiales (34) communiquant, par des puits radiaux (33), avec des perçages radiaux (36) ménagés dans le tube extérieur (25) délimitant la chambre annulaire (26) avec le tube axial (22). 5. Echangeur selon la revendication 4 caractérisé en ce que chacune des ouvertures radiales (34) de la paroi cylindrique (35) du stator (A) présente au moins un bord amont (34a) évasé vers l'extérieur. 6. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 4 et 5 caractérisé en ce que les ouvertures radiales (33) de la paroi cylindrique (35) du stator (A) sont ménagées dans le fond d'une gorge annulaire de distribution. 7. Echangeur selon la revendication 1 et l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les orifices d'entrée (11) des pales (6) communiquent avec une chambre annulaire (48) alimentée par un canal annulaire délimité entre le conduit d'alimentation (49), et l'arbre (41a) tandis que les orifices de sortie (37), de ces mêmes pales, débouchent dans une chambre annulaire (58) contenant un plateau fixe (56) traversé par des canaux radiaux (57) communiquant avec la chambre annulaire d'évacuation (54). 8. Echangeur selon la revendication 1 et l'une quelconque des revendications 2 à 7 caractérisé en ce que les pales sont recouvertes extérieurement d'une peinture noire mat.