Brevet FR2793546A1 — publié le 20001117

L'invention concerne un échangeur mixte du type liquidelair et électrique destiné à réchauffer un flux d'air le traversant et utilisé par exemple dans l'industrie automobile pour équiper les dispositifs de chauffage, ventilation et/ou climatisation des véhicules à moteur à combustion interne. En général, on utilise le liquide de refroidissement du moteur, constitué d'un mélange d'eau et de glycol, en tant que fluide calorigène pour réchauffer l'air délivré à l'intérieur de l'habitacle. Du fait des performances des nouveaux moteurs à combustion interne, la chaleur disponible dans le fluide calorigène est parfois insuffisante pour assurer un chauffage convenable de l'habitacle, notamment au démarrage à froid du véhicule et lorsque la température de l'air extérieur est très froide. Il faut noter en effet que les températures maximales du liquide de refroidissement des moteurs à combustion interne modernes, diesel ou à essence, se trouvent dans des plages de températures comprises entre 60"C et 70c>C. Les industriels de l'automobile ont donc été amenés à équiper les dispositifs de climatisation de moyens de chauffage additionnels comportant notamment des résistances à coefficients de température positifs. Ces résistances dites CTP ont la particularité de voir leur résistivité augmenter très fortement dans une plage de températures étroite. En utilisation, la température d'une résistance CTP reste sensiblement constante, tandis que sa puissance augmente lorsqu'elle est placée dans un flux d'air ayant tendance à la refroidir. La plupart de ces moyens de chauffage additionnels se présentent sous la forme de boîtiers disposés dans le flux d'air de réchauffage du véhicule en aval d'un radiateur traditionnel du type fluide calorigènelair qui dissipe la chaleur venue du moteur. Cette disposition conduit à l'implantation de deux échangeurs successifs dans l'appareil de climatisation du véhicule, d'où un fort encombrement. Les deux échangeurs n'ayant pas la même surface frontale, on crée aussi de gros problèmes de cartographie, et la température de l'air n'est pas homogène. EP 0 857 922, qui représente l'état de la technique la plus proche de l'invention, décrit un échangeur de chaleur couplant deux sources de chaleur : une source électrique à base de résistances CTP et une circulation de fluide chaud. Ce document décrit un assemblage traditionnel de tubes d'eau et d'ailettes de refroidissement dans lequel certains tubes d'eau sont remplacés par des tubes contenant des résistances CTP, constituant ainsi un échangeur mixte eaulair et électrique. Les résistances CTP sont accolées à deux électrodes et l'ensemble ainsi constitué est enrobé dans une résine isolante. La pièce obtenue est disposée dans un tube ayant une section en U ouverte du côté aval dans le sens de la circulation de l'air à réchauffer, et y est maintenue par des moyens mécaniques. Les électrodes comportent des bornes qui émergent sur la face amont du radiateur. La solution proposée par EP 0 857 922 présente plusieurs inconvénients liés aux contraintes d'assemblage, d'une part, des tubes d'eau et, d'autre part, des tubes contenant les résistances CTP. En cas d'assemblage mécanique des tubes et des ailettes, les performances sont diminuées par rapport aux technologies par brasage. En cas de brasage des tubes et des ailettes, ainsi que cela est proposé par EP 0 857 922, les résistances CTP qui sont entourées d'une résine isolante doivent être montées sur l'échangeur après le passage de ce dernier au four de brasage car ces résines ne supportent pas les températures de brasage. Ceci multiplie les étapes de fabrication. En outre, la connectique électrique est assurée par des pattes dépassant perpendiculairement au faisceau de tubes, ce qui est particulièrement peu compact et pose des problèmes de tenue mécanique et de corrosion. Cette solution est difficilement industrialisable. L'invention s'est donné pour but de proposer un échangeur mixte CTP/eau réalisé en une seule pièce. L'invention concerne donc un échangeur de chaleur mixte liquidelair et électrique destiné à réchauffer un flux d'air le traversant, du type comportant un corps d'échange de chaleur ayant une série d'intervalles de forme plate, empilés dans une direction d'empilement en alternance avec une série d'éléments de chauffage, chaque élément de chauffage présentant dans le sens de l'empilement deux parois conductrices de chaleur sensiblement parallèles, l'épaisseur de chaque intervalle étant définie par une plaque mince ondulée conductrice de chaleur, dont les crêtes sont liées par brasage alternativement avec les deux parois latérales limitant ledit intervalle, lesdites parois latérales et lesdites plaques minces modulées étant balayées par le flux d'air à réchauffer qui s'écoule par lesdits intervalles, certains desdits éléments de chauffage étant constitués par des tubes plats dans lesquels circule un liquide de chauffage, tandis que d'autres éléments de chauffage sont du type électrique et renferment des résistances électriques à coefficient de température positive dites résistances CTP dont les deux faces opposées sont en contact avec des électrodes, les deux parois conductrices de chaleur de chaque élément de chauffage électrique étant reliées entre elles par une paroi de liaison. Selon l'invention, cet échangeur de chaleur est caractérisé par le fait que les deux parois conductrices de chaleur de chaque élément de chauffage électrique forment la première électrode, la deuxième électrode étant constituée par une plaque électriquement conductrice disposée parallèlement auxdites deux parois conductrices de chaleur et entre ces dernières, et par le fait que les résistances CTP sont liées par leurs deux faces opposées respectivement à la deuxième électrode et à l'une desdites parois conductrices de chaleur au cours d'une opération de brasage. Grâce à cette disposition, les parois conductrices des éléments de chauffage, les plaques minces ondulées, formant des ailettes, et le liquide de chauffage se trouvent au même potentiel, ce qui élimine les court- circuits électriques. Pour diminuer les opérations de brasages, les résistances CTP sont liées à la deuxième électrode et à l'une des parois conductrices de chaleurs au cours de l'opération de brasage des crêtes des plaques minces ondulées avec les parois conductrices de chaleur. Les bords de la deuxième électrode sont de préférence isolés électriquement des parois conductrices de chaleur par des moyens isolants. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, la plaque formant la deuxième électrode présente sur chacune de ses faces des résistances CTP. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, la plaque formant la deuxième électrode présente des résistances CTP sur une seule face, et est isolée électriquement de la deuxième paroi conductrice de chaleur de l'élément de chauffage électrique correspondant, située du côté opposé auxdites résistances CTP par rapport à ladite plaque. Selon une première variante, l'isolation est obtenue par une plaque d'isolation qui est réalisée en un matériau électriquement isolant et thermiquement conducteur et qui est interposée entre la deuxième électrode et la deuxième paroi conductrice de chaleur. Cette plaque d'isolation est avantageusement une céramique, à base d'oxyde de béryllium. Elle est de préférence recouverte sur ses deux faces d'un film métallique et liée par brasage à l'électrode et à la deuxième paroi conductrice de chaleur. Selon une deuxième variante, l'isolation est réalisée par une plaque d'isolation disposée dans l'espace séparant la deuxième électrode et la deuxième paroi conductrice de chaleur, après l'opération de brasage. Cette plaque d'isolation, par exemple en matière plastique, peut présenter une section ondulée, ainsi qu'une lèvre qui vient recouvrir le flanc des résistances CTP opposé à la paroi de liaison des deux parois conductrices de chaleur. La section ondulée permet d'amortir les déformations mécaniques et thermiques subies par le système. Pour éviter le contact des résistances CTP avec de l'air humide, la paroi de liaison des deux parois conductrices de chaleur d'un élément de chauffage électrique est disposée de préférence sur la face d'entrée d'air du corps d'échange de chaleur. Pour protéger les résistances CTP des contraintes mécaniques dues aux dilatations, la paroi de liaison des deux parois conductrices de chaleur d'un élément de chauffage électrique est disposée sensiblement dans le plan médian du corps d'échange de chaleur. Selon une caractéristique complémentaire, l'échangeur de chaleur proposé comporte à l'une des extrémités du corps d'échange de chaleur une boîte à eau assurant la distribution et la collecte du liquide de chauffage dans les tubes plats, et à l'extrémité opposée un boîtier de connexion électrique pour l'alimentation en courant des résistances CTP. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'un échangeur de chaleur mixte eau/air et électrique conforme à l'invention ; - la figure 2 est une coupe horizontale selon la ligne Il Il de la figure 1, qui montre en détail un élément de chauffage électrique selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une coupe selon un plan transversal d'un élément de chauffage électrique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 montre une autre variante du deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 montre en perspective une variante de réalisation du tube renfermant les résistances CTP ; - la figure 6 montre en perpective une autre variante de réalisation d'un élément de chauffage électrique -, - la figure 7 montre en perpective une troisième variante de réalisation d'un élément de chauffage électrique ; - les figures 8 à 11 sont des coupes transversales d'un élément de chauffage électrique selon la figure 7. La figure 1 montre un radiateur 1 mixte eau/air et électrique, destiné à être installé dans un dispositif de chauffage, ventilation et/ou climatisation de l'habitacle d'un véhicule automobile moteur à combustion interne. Ce radiateur 1 comporte un corps d'échange de chaleur 2 présentant en alternance une pluralité d'éléments de chauffage 3 parallèles et régulièrement espacés, séparés par des intervalles 4 dont l'épaisseur est définie par des plaques 5 minces ondulées dont les crêtes 6 sont fixées par brasage alternativement sur les parois latérales 7a, 7b de deux éléments de chauffage adjacents. Deux plaques d'extrémité 8 sont disposées aux extrémités latérales du corps de chauffage 2. Ces deux plaques d'extrémité 8 sont également reliées aux deux éléments de chauffage voisins par des plaques minces ondulées 5. Les plaques d'extrémité 8, les parois latérales 7a et 7b des éléments de chauffage, et les plaques 5 minces ondulées sont réalisées dans un matériau thermiquement conducteur, et électriquement conducteur, par exemple en aluminium ou en cuivre ou dans un alliage d'aluminium ou de cuivre par découpe, pliage et estampage à partir d'une feuille métallique recouverte sur ses deux faces d'un agent de brasage, afin de permettre la liaison des différents éléments constitutifs par brasage. Les éléments de chauffage 3 qui ont tous sensiblement la même épaisseur, dans le sens de leur empilement et la même largeur dans le sens de l'écoulement de l'air à réchauffer qui traverse les intervalles 4, sont répartis en deux séries différentes. Les éléments de chauffage 3 de la première série sont constitués par des tubes plats 9 présentant un circuit interne en U, dans lesquels circule un liquide calorigène, normalement le liquide de refroidissement du moteur de combustion interne du véhicule. A cet effet, le corps de chauffage 3 présente sur sa face supérieure 8 une beÎte à eau 10 constituée d'une plaque collectrice Il et d'un couvercle 12 qui présente une paroi transversale médiane 13 destinée à séparer l'intérieur de la bette à eau en une chambre de distribution de fluide calorigène chaud 14 et en une chambre de récupération 15 du fluide calorigène après son transfert par les circuits internes en U des tubes plats 9. Le fluide calorigène est délivré vers la chambre de distribution 14 par un conduit d'alimentation 16 et retourne vers le moteur à combustion interne par un conduit d'évacuation 17. La référence C sur la figure 1 montre le sens de circulation du fluide calorigène dans les tubes plats 9. La plaque collectrice 11 comporte une pluralité de fentes 18 parallèles dans lesquelles sont fixées par brasage les extrémités ouvertes des tubes plats 9. Les extrémités inférieures 19 des tubes plats 9 sont quant à elles obturées. Les fentes parallèles 18 de la plaque collectrice 11 sont régulièrement reparties sur toute la longueur du corps de chauffage 2 dans le sens de l'empilement des éléments. Toutefois, certaines d'entre elles sont obturées de manière étanche par les extrémités supérieures des éléments de chauffage 3 de la deuxième série qui sont des éléments de chauffage électrique 20 renfermant des résistances CTP 21. Les éléments de chauffage électrique 20 sont obturés de manière étanche à leur extrémité supérieure. Chaque élément de chauffage électrique 20 présente deux parois latérales 7a, 7b conductrices de chaleur, reliées par au moins une paroi de liaison 22 qui s'étend sur toute la hauteur du corps d'échange de chaleur 2 et qui sert à maintenir l'écartement entre les deux parois latérales 7a et 7b et à relier électriquement ces deux parois entre elles et avec l'ensemble du corps de chauffage 2. Une électrode 23 est disposée entre les deux parois latérales 7a, 7b d'un élément de chauffage électrique. Cette électrode 23 émerge dans un boîtier de connexion électrique 24a disposé à l'extrémité inférieure du corps de chauffage 2. Les bords longitudinaux et le bord supérieur de chaque électrode 23 sont isolés électriquement des parois latérales 7a et 7b et de la paroi de liaison 22. De préférence, des moyens isolants 23a sont interposés entre ces bords et les parois de liaison 23. Chaque résistance CTP 21 présente sur ses deux faces des films métalliques 24 et est fixée, d'une part, sur une face de l'électrode 23 et, d'autre part, sur la face interne de l'une des parois latérales 7a ou 7b par brasage. Selon l'invention, le brasage des résistances CTP 21 est réalisé au cours de l'opération de brasage des crêtes 6 des plaques minces ondulées 5 sur les parois latérales 7a et 7b des tubes plats 9 et des éléments de chauffage électrique 20. Au cours de ce brasage, les extrémités des éléments de chauffage 3 sont fixées dans les fentes 18 de la plaque collectrice 11. Le nombre et la disposition des éléments de chauffage électrique 20 peut varier en fonction de la puissance thermique souhaitée. Au lieu d'utiliser des tubes plats 9 et des éléments de chauffage 20 électrique séparés, on pourrait coupler les deux types d'échange de chaleur sur un même élément de chauffage 3 divisé en deux parties, l'une contenant les résistances CTP 21, et l'autre le circuit d'eau. Selon un premier mode de réalisation montré sur la figure 2, les électrodes 23 comportent sur leur deux faces des résistances CTP 21 reliées par brasage à une électrode 23 et à l'une des parois latérales 7a ou 7b. Cette disposition permet une dissipation thermique semblable des deux côtés d'un élément de chauffage électrique 20. Dans ce premier mode de réalisation de l'invention, la paroi de liaison 22 des deux parois latérales 7a et 7b est disposée du côté de l'entrée d'air F dans les intervalles 4. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention montré sur les figures 3 et 4 et les figures 7 à 11, l'élément de chauffage électrique 20 ne présente des résistances CTP 21 que sur l'une des faces de l'électrode 23, ces résistances CTP 21 étant liées par brasage à la paroi latérale 7a et à l'électrode 23 ainsi que cela a été expliqué plus haut. Dans ce cas l'autre face de l'électrode 23 est isolée de la paroi latérale 7b. Selon une première variante montrée sur la figure 3, cette isolation électrique est obtenue par une plaque d'isolation électrique 25 thermiquement conducteur, réalisée en une céramique à base d'oxyde de béryllium. Cette céramique résiste aux 600*C d'un four de brasage. Dans ce cas, la plaque d'isolation électrique 25 peut être recouverte sur ses deux faces d'un film métallique, et elle est liée de préférence par brasage à l'électrode 23 et à la paroi latérale 7b. Selon une deuxième variante de réalisation, montrée sur la figure 4, l'isolation électrique est obtenue par une plaque d'isolation 26 par exemple en matière plastique disposée dans l'espace 27 séparant l'électrode 23 de la paroi latérale 7b après l'opération de brasage. Pour éviter tout contact entre l'électrode 23 et la paroi latérale 7b lors du brasage entre l'électrode 23 et la paroi latérale 7a, on introduit un leurre par exemple en inox dans l'espace 27 avant l'opération de brasage. Après l'opération de brasage, ce leurre est retiré et remplacé par la plaque d'isolation 26. La plaque d'isolation 26 présente de préférence une section ondulée. Les figures 5 et 6 montrent différents types d'enveloppes pour les éléments de chauffage électrique 20. Sur la figure 5, les parois latérales 7a et 7b sont reliées le long de leur deux bords, par une paroi de liaison 22 sur la face d'entrée d'air et par brasage sur la face de sortie d'air du corps de chauffage 3. La figure 6 montre un élément de chauffage 20 dont l'enveloppe présente une section en U semblable à celui des éléments de chauffage électrique 20 montré sur les figures 2 à 4. Dans tous les cas, les enveloppes sont bouchées à leur extrémité jouxtant la plaque collectrice 11. Les figures 7 à 11 montrent une autre disposition de la paroi de liaison 22 qui relie les parois latérales conductrices de chaleur 7a et 7b d'un élément de chauffage électrique 20. Ici la paroi de liaison 22 est disposée sensiblement dans le plan médian du corps de chauffage 2 et forme avec les parois latérales 7a et 7b un profilé 30 ayant une section en H. Ce profilé 30 présente une première rainure 31 sur la face avant du corps de chauffage 2 et une deuxième rainure 32 sur sa face arrière. Les résistances CTP 21 sont disposées dans l'une des rainures et sont fixées par brasage sur la face interne d'une paroi latérale 7a et sur une face de l'électrode 23, cette dernière étant isolée de la face interne de l'autre paroi latérale 7b par une plaque isolante 26 en matière plastique. Cette configuration en H permet d'absorber les déformations mécaniques ou thermiques sans les transmettre aux céramiques des résistances CTP 21, qui, étant très dures, supportent mal les contraintes mécaniques. Pour assurer une meilleure protection mécanique de la céramique, la plaque isolante 26 peut adopter une forme courbée, ainsi que cela est montré sur la figure 9. La plaque isolante 26 peut en outre comporter une lèvre 33 qui vient obturer l'ouverture de la rainure 31. La figure 11 montre une dernière variante de réalisation, dans laquelle chacune des rainures 31 et 32 du profilé 30 est équipée d'un ensemble de résistances CTP reliées électriquement par brasage à une paroi latérale 7a et 7b et à une électrode 23. Les électrodes 23 sont toutes reliées à une borne 40 reliée à la borne positive de la batterie du véhicule, tandis que l'ensemble métallique du corps de chauffage 2 est relié à la masse. Le beitier de connexion électrique 24a peut également inclure l'électronique de contrôle des résistances CTP 21, habituellement nommé relais, afin de gagner en espace. Le boîtier 24a est de préférence réalisé en un matériau isolant par moulage et comporte les connexions nécessaires pour les liaisons électriques des électrodes 23 à la borne 40. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur mixte liquide/air et électrique destiné à réchauffer un flux d'air (F) le traversant, du type comportant un corps d'échange de chaleur (2) ayant une série d'intervalles (4) de forme plate, empilés dans une direction d'empilement en alternance avec une série d'éléments de chauffage (3), chaque élément de chauffage présentant dans le sens de l'empilement deux parois (7a, 7b) conductrices de chaleur sensiblement parallèles, l'épaisseur de chaque intervalle (4) étant définie par une plaque (5) mince ondulée conductrices de chaleur dont les crêtes (6) sont liées par brasage alternativement avec les deux parois latérales (7a, 7b) limitant ledit intervalle (4), lesdites parois latérales et lesdites plaques (5) minces ondulées étant balayées par le flux d'air (F) à réchauffer qui s'écoule par lesdits intervalles (4), certains desdits éléments de chauffage étant constitués par des tubes plats (9) dans lesquels circule un liquide de chauffage, tandis que d'autres éléments de chauffage sont du type électrique (20) et renferment des résistances électriques (21) à coefficient de température positive dites résistances CTP dont les deux faces opposées sont en contact avec des électrodes (23), les deux parois (7a, 7b) conductrices de chaleur de chaque élément de chauffage électrique (20) étant reliées entre elles par une paroi de liaison (22), caractérisé par le fait que les deux parois (7a, 7b) conductrices de chaleur de chaque élément de chauffage électrique (20) forment la première électrode, la deuxième électrode étant constituée par une plaque (23) électriquement conductrice disposée parallèlement auxdites deux parois conductrices (7a, 7b) de chaleur et entre ces dernières, et par le fait que les résistances CTP (21) sont liées par leurs faces opposées respectivement à la deuxième électrode (23) et à l'une desdites parois (7a, 7b) conductrices de chaleur au cours d'une opération de brasage. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les résistances CTP (21) sont liées à la deuxième électrode (23) et à l'une desdites parois (7a, 7b) conductrices de chaleur au cours de l'opération de brasage des crêtes (6) des plaques (5) minces ondulées avec les parois (7a, 7b) conductrices de chaleur. 3. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que les résistances CTP comportent sur leurs deux faces opposées des films métalliques (34). 4. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les bords de la deuxième électrode (23) sont isolés électriquement des parois conductrices de chaleur (7a, 7b) par des moyens isolants. 5. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la plaque (23) formant la deuxième électrode présente sur chacune de ses faces des résistances CTP (21). 6. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la plaque (23) formant la deuxième électrode présente des résistances CTP (21) sur une seule face, et est isolée électriquement de la deuxième paroi (7b) conductrice de chaleur de l'élément de chauffage (20) correspondant située du côté opposé aux résistances CTP (21) par rapport à ladite plaque (23). 7. Echangeur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que l'isolation est obtenue par une plaque d'isolation (25) qui est réalisée en un matériau électriquement isolant et thermiquement conducteur et qui est interposée entre la deuxième électrode (23) et ladite deuxième paroi (7b) conductrice de chaleur. 8. Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la plaque d'isolation (25) est réalisée en céramique. 9. Echangeur de chaleur selon la revendication 8, caractérisé par le fait que la plaque d'isolation (25) est une céramique à base d'oxyde de béryllium. 10. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé par le fait que la plaque d'isolation (25) est recouverte sur ses deux faces d'un film métallique et est lié par brasage à l'électrode (23) et à la deuxième paroi (7b) conductrice de chaleur. 11. Echangeur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que l'isolation est réalisée par une plaque d'isolation (26) en matériau plastique disposée dans l'espace (27) séparant la deuxième électrode (23) et ladite deuxième paroi (7b) conductrice de chaleur, après l'opération de brasage. 12. Echangeur de chaleur selon la revendication 11, caractérisé par le fait que ladite plaque d'isolation (26) en matériau plastique présente une section ondulée. 13. Echangeur de chaleur selon la revendication 12, caractérisé par le fait que ladite plaque d'isolation (26) en matériau plastique comporte une lèvre (33) venant recouvrir le flanc des résistances PTC (21) opposé à la paroi de liaison (22) des deux parois (7a, 7b) conductrices de chaleur. 14. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que la paroi de liaison (22) des deux parois (7a, 7b) conductrices de chaleur d'un élément de chauffage électrique (20) est disposée sur la face d'entrée d'air du corps d'échange de chaleur (2). 15. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que la paroi de liaison (22) des deux parois (7a, 7b) conductrices de chaleur est disposée sensiblement dans le plan médian du corps d'échange de chaleur (2). 16. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait qu'il comporte à l'une des extrémités du corps d'échange de chaleur (2) une boîte à eau (10) assurant la distribution et la collecte du liquide de chauffage dans les tubes plats (9) et à l'extrémité opposé un boîtier de connexion électrique (24a) pour l'alimentation en courant des résistances CTP (21). 17. Echangeur de chaleur selon la revendication 16, caractérisé par le fait que le boîtier de connexion électrique (24a) inclut l'électronique de contrôle des résistances CTP (21).