Brevet FR2919510A1 — publié le 20090206

MELANGEUR DE FLUIDE GAZEUX La présente invention concerne un dispositif de mélange de fluide gazeux s applicable au domaine de l'aéronautique et/ou du transport terrestre et/ou de la physique. Plus particulièrement, la présente invention est destinée à fournir un système de mélange et de distribution d'air, basse pression, aux aéronefs. Généralement, un mélangeur se compose d'une cuve de mélange pourvue de quatre entrées en sa partie inférieure et de plusieurs sorties en sa partie supérieure, par rapport à son axe central. 15 Ce type de mélangeur permet de mélanger des flux d'air chaud provenant de la cabine d'un aéronef, par exemple, et des flux d'air froid prélevés à l'extérieur de l'aéronef puis conditionnés en pression et température, par exemple, en vue d'obtenir des flux d'air à température ambiante homogène dans la cabine et donc d'assurer la climatisation, en vue de 20 satisfaire un certain confort à l'intérieur dudit aéronef. De manière plus précise, les entrées de flux d'air, d'un tel dispositif, sont généralement tangentes à la paroi de la cuve afin d'engendrer un mouvement tourbillonnaire du fluide à l'intérieur de cette dernière. Les mélangeurs doivent répondre à certaines caractéristiques techniques précises et indispensables, telles qu'une répartition homogène de la température de l'air produit à ses différentes sorties, une perte de charge fluidique minimale, ainsi qu'une faible nuisance sonore. 10 De plus, le mélangeur doit pouvoir maintenir le fonctionnement de ses caractéristiques essentielles lors d'une éventuelle panne d'un ventilateur prévu aux entrées et/ou aux sorties, ou lors de l'obstruction de l'une de ses sorties. Le brevet américain n US 4517813 concerne un système de conditionnement d'air en cabine d'un aéronef pourvu d'un mélangeur d'air fournissant un mélange thermique accéléré des flux d'air et permettant une récupération des condensas d'eau et/ou des particules de glace ~o naissant au contact des flux d'air chaud et froid. Le brevet européen n EP 0808273 divulgue un système d'alimentation en air déshumidifié destiné à la climatisation des cabines d'aéronefs pourvu d'un mélangeur d'air à séparateur d'eau et d'un système de commande 15 environnemental pour fournir cet air. Ce système comprend des moyens, formant conduite d'air chaud, agencés de manière à faire circuler l'air utilisé de la cabine plus chaud, initialement chargé en humidité, vers une chambre de mélange, des moyens formant conduit d'air froid faisant circuler l'air conditionné vers cette même chambre de mélange, d'un 20 moyen de collecte servant à collecter et à éliminer l'humidité de la chambre, des moyens formant collecteur servant à orienter les courants d'air déshumidifiés reliés vers la cabine. Le brevet européen n EP 1188666 montre un système de climatisation 25 d'aéronef et un procédé pouvant être adapté à une utilisation dans des zones, pressurisées ou non, et définissant une cloison étanche entre elles. Plus précisément, le système de climatisation est pourvu d'une soupape de coupure aérodynamique et d'un mélangeur conçu pour faire tourbillonner l'écoulement d'air. 30 Les inconvénients des dispositifs actuels sont, d'une part liés au régime d'écoulement présent à l'intérieur de leur cuve et, d'autre part à leur taille. En effet, les dispositifs connus sont volumineux, parfois bruyants et de par leur forme géométrique ainsi que les régimes d'écoulement impliqués génèrent une perte de charge non négligeable, nécessitant un sur dimensionnemerit des ventilateurs d'alimentation. Le dispositif selon l'invention pallie aux inconvénients de l'art antérieur en ~o proposant un encombrement réduit tout en assurant un excellent confort des passagers ou de l'équipage d'un aéronef, par exemple. Le dispositif selon l'invention permet une optimisation aéraulique, thermique et acoustique des chambres de mélange basse pression. 15 La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédemment évoqués et consiste pour cela en un dispositif de mélange de fluide gazeux tel que de l'air, constitué d'une cuve, présentant un axe central et pourvue de conduites d'entrée et de conduites de sortie, disposées de manière à créer un mouvement tourbillonnaire ascendant 20 dudit fluide à l'intérieur de ladite cuve en vue d'assurer en sortie son homogénéité thermique, caractérisé en ce que ladite cuve comporte au moins un moyen de discontinuité se présentant sous la forme d'au moins un moyen de communication supplémentaire vers l'extérieur/intérieur de ladite cuve. 25 Plus précisément, ledit moyen de communication supplémentaire est au moins un moyen de drainage définissant un volume ouvert ou fermé, pouvant être disposé sur la partie inférieure de la cuve. De manière avantageuse, ledit moyen de drainage est un orifice pouvant déboucher dans une conduite de vidange vers l'extérieur et/ou vers l'intérieur de ladite cuve. En outre, ledit moyen de drainage peut comporter au moins un moyen de fermeture réglable. Avantageusement, le dispositif selon l'invention peut comporter des dispositifs supplémentaires annexes à l'intérieur, tels un peigne et/ou un io diaphragme et/ou un ventilateur et/ou un accélérateur. Le dispositif de mélange selon l'invention peut être pourvu d'une cuve cylindrique ou rectangulaire ou ovoïde ou sphérique ou trapézoïdale. 15 L'invention sera bien comprise à la lumière de la description qui suit, se rapportant à des exemples illustratifs, et en aucun cas limitatifs, de la présente invention, en référence aux dessins, ci-joints, dans lesquels : la figure 1 est une représentation schématique partielle de face et 20 en perspective du dispositif selon l'invention ; - les figures 2 à 5 sont des vues partielles de face en perspective du dispositif selon l'invention ; -la figure 6 est une vue partielle de face en perspective d'un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention ; 25 - la figure 7 est une représentation schématique d'une autre variante du dispositif selon l'invention. Le dispositif selon l'invention concerne un mélangeur permettant d'alimenter en air tous les réseaux, basse pression, d'un aéronef, par 30 exemple, tout en régulant sa température de manière homogène. La figure 1 est une représentation schématique du dispositif selon l'invention. Un mélangeur 1 comporte généralement une cuve de mélange 2, présentant un axe central, pourvue de conduites d'entrée et de conduites de sortie, disposées de manière à créer un mouvement tourbillonnaire à l'intérieur de ladite cuve. De préférence, la cuve 2 du mélangeur selon l'invention, est pourvue io d'entrées 3 de flux en sa partie inférieure par rapport à son axe central et de sorties 4 de flux en sa partie supérieure disposées de manière à créer un mouvement tourbillonnaire ascendant du fluide à l'intérieur de ladite cuve en vue d'assurer en sortie son homogénéité thermique. 15 Ainsi, il permet de mélanger : - au moins une conduite d'entrée 3a de flux d'air chaud provenant d'une cabine d'un aéronef, et - au moins une conduite d'entrée 3b de flux d'air froid prélevé à l'extérieur de l'aéronef puis conditionné en pression et température, 20 afin d'obtenir des conduites de sortie 4 présentant des flux d'air à température homogène et régulée, permettant d'assurer la climatisation de la cabine. En vue de mélanger au mieux les flux d'air entrant, il est nécessaire de 25 créer un mouvement tourbillonnaire du fluide à l'intérieur de la cuve 2, et donc de disposer les conduites d'entrée 3 de flux d'air en fonction du mouvement du fluide souhaité à l'intérieur. Selon une configuration préférée, les conduites d'entrée sont 3o sensiblement tangentes à la paroi de ladite cuve. De préférence, les conduites d'entrée sont disposées selon un angle compris entre la tangente et la perpendiculaire à la paroi de ladite cuve. De manière alternative, les conduites d'entrée 3 et de sortie 4 de flux d'air 5 peuvent prendre des orientations variables (angle souhaité par rapport à l'axe central de ladite cuve). Favorablement, les conduites d'entrée 3 et de sortie 4 sont disposées à des hauteurs variables entre elles (entrée/entrée) et par rapport aux io autres (entrée/sorties). Préférentiellement, le nombre, la disposition et la géométrie des conduites d'entrée 3 et de sortie 4 sont variables. is Les conduites d'entrée 3 et/ou de sortie 4 peuvent être symétriques entre elles par rapport à l'axe central de ladite cuve 2. De préférence, la cuve 2 possède le même nombre de conduites d'entrée 3 de flux d'air de chaque côté et pour les flux d'air chaud et froid. Alternativement, les conduites d'entrée 3 peuvent être en nombre impair d'un côté de ladite cuve 2 et en nombre pair de l'autre. Selon une autre configuration, il peut être prévu que ladite cuve 2 25 contienne que des conduites d'entrée 3a d'air chaud d'un côté et les conduites d'entrée 3b d'air froid de l'autre. Les sections et les diamètres des orifices et conduites d'entrée 3 et de sortie 4 sont également variables et fonction du débit souhaité dudit 30 mélangeur 1. 20 ro 15 20 25 Toutes les conduites d'entrée 3 et de sortie 4 peuvent être fermées ou régulées par au moins un moyen de fermeture réglable (non représenté mais de type connu en soi). Ladite cuve 2 est préférentiellement cylindrique, mais peut également être rectangulaire, ovoïde, sphérique, trapézoïdale etc. Le régime d'écoulement fluidique généralement obtenu est à symétrie hélicoïdale gauche par rapport à l'axe central de ladite cuve. Il est connu que la qualité des mélanges thermiques obtenue est fonction de l'orientation et/ou des caractéristiques géométriques des conduites d'entrée 3 du mélangeur selon l'invention mais également celles de sortie 4 du mélangeur 1. Il a été démontré que la qualité des mélanges thermiques obtenue est également fonction de l'interaction entre un tourbillon principal formé à l'intérieur de la cuve 2 du mélangeur 1 avec des structures tourbillonnaires stationnaires situées à proximité des parois internes dudit mélangeur. La compréhension des écoulements internes au mélangeur permet d'optimiser l'encombrement d'un tel dispositif accompagné ou non de modifications géométriques des conduites d'entrée et de sortie de flux d'air (dimensions et nombre de conduite d'entrée et de sortie de flux d'air). Le dispositif selon l'invention comprend donc une cuve 2 pourvue d'au moins un moyen de modification 5 des interactions entre le tourbillon principal et les structures tourbillonnaires stationnaires situées à proximité des parois internes de ladite cuve. En d'autres ternies, ledit au moins un moyen de modification 5 des interactions, peut se nommer également comrne au moins un moyen d'optimisation ou d'amplification ou d'accélération des mélanges fluidiques, ayant pour but une réduction de l'encombrement de ladite cuve et donc dudit mélangeur 1. Les figures 2 à 5 sont des vues partielles de face en perspective du dispositif selon l'invention. ro Ledit au moins un moyen d'amplification 5 des mélanges fluidiques se présente sous la forme d'au moins un rnoyen de drainage 6 judicieusement situé. Ledit au moins un moyen de drainage 6 ou de vidange comporte un orifice 15 6a et/ou une conduite 6b de vidange placés sur la partie inférieure de la cuve 2 par rapport à son axe central. En d'autres termes, ledit au moins un moyen de drainage 6 se présente sous la forme d'un orifice inférieur 6a débouchant au niveau du fond de 20 ladite cuve 2, pourvu ou non d'une conduite 6b vers l'extérieur ou vers l'intérieur de la cuve 2, pouvant être obturé ou non par au moins un moyen de fermeture réglable (non représenté mais de type connu en soi). Selon une autre variante, ladite cuve 2, peut comporter un moyen de 25 drainage 6 sous la forme d'un orifice 6a débouchant sur une conduite ayant une extrémité ou une partie de sa longueur à l'intérieur de ladite cuve et son autre partie à l'extérieur de celle-ci. Ledit au moins un moyen de drainage 6 permet d'effectuer une vidange 30 ou un recyclage voir une alimentation en flux d'air d'un autre réseau de distribution d'air annexe, voire une conduite 6b non reliée, c'est-à-dire à la pression atmosphérique, par exemple. Avantageusement, ledit au moins un moyen de drainage 6 est au moins un moyen de communication supplémentaire vers l'extérieur/intérieur de ladite cuve, et/ou un élément de discontinuité situé sur la surface ou partie inférieure de ladite cuve 2, permettant de réaliser un drainage à l'intérieur de cette dernière. De manière plus précise, le déplacement du fluide à l'intérieur de la cuve 2 prend un mouvement tourbillonnaire hélicoïdal. Le tourbillon principal ayant généralement une forme hélicoïdale peut présenter une rotation périodique. Les structures tourbillonnaires en proche paroi sont usuellement stationnaires. Cette configuration de mélangeur selon l'invention, comprenant au moins un moyen de drainage 6 se présente sous la forme d'un élément de communication avec l'extérieur/l'intérieur définissant un volume ouvert ou fermé sur la partie inférieure de ladite cuve 2, permettant ainsi de créer un tourbillon principal de plus grande dimension et de plus grande intensité, lui permettant d'interagir davantage avec les structures tourbillonnaires stationnaires situées à la proximité des parois internes de la cuve. En outre, le présent dispositif permet d'augmenter favorablement les 25 vitesses du fluide à la proximité des parois. Du fait de la taille et de l'intensité du tourbillon principal créé et du débit de vidange optimal réalisé, grâce audit au moins un moyen de drainage 6, les échanges thermiques sont optimisés permettant ainsi de diminuer la 3o taille et le volume de la cuve 2. Le mélangeur, selon l'invention, permet d'être adaptable aux contraintes requises par l'aéronautique et/ou tout transport terrestre, notamment en termes d'encombrement. L'orifice 6a et la conduite 6b sont disposés de rnanière variable, c'est-à-dire qu'ils peuvent être situés sur toute la surface du fond inférieur de la cuve 2. En d'autres termes, ledit au moins un moyen de drainage 6 peut être translaté sur le fond inférieur de la cuve 2. Io De manière avantageuse, ledit au moins un moyen de drainage 6 peut également posséder une orientation variable par rapport à l'axe central de la cuve 2. La figure 5 illustre un exemple de cuve possédant deux moyens de 15 drainage 6. Les deux moyens de drainage 6, peuvent être disposés à une distance variable l'une de l'autre sur la surface de la partie inférieure de ladite cuve 2. De manière avantageuse, le phénomène produit à l'intérieur de la cuve 2, selon l'invention, permet de diminuer les nuisances acoustiques du mélange de flux d'air étant donné que le dispositif selon l'invention permet une production de puissance sonore réduite. 25 La figure 6 est une vue partielle de face en perspective d'un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention. L'orifice de vidange 6a, et la conduite de vidange 6b possèdent un 30 diamètre et une section donnés qui peuvent être variables selon les 20 Il véhicules aéronautiques et/ou de transport terrestre à équiper et selon la charge en sortie du mélangeur imposée par la perte de charge des différents réseaux connectés à la cuve de mélange. Favorablement, ladite conduite 6b peut posséder toutes dimensions et toute forme géométrique possibles. Comme illustré à la figure 6, la base inférieure de la cuve 2 du mélangeur selon l'invention peut posséder une certaine forme géométrique adaptée à to la position future dudit mélangeur 1. Le diamètre et la section dudit orifice 6a et de ladite conduite 6b restent variables et sont fonction de disposition et du fonctionnement futurs dudit mélangeur 1. Préférentiellement, ledit au moins un moyen de drainage 6 est pourvu 15 d'au moins un moyen de fermeture réglable, tel qu'une vanne ou une bonde de fond ou tout autre moyen de type connu en soi. Avantageusement, ladite au moins une vanne peut être aussi un mitigeur ou diaphragme ou robinet ou tout autre moyen de réglage du débit et 20 d'ouverture et fermeture de type connu en soi. Alternativement, ledit au moins un moyen de drainage 6 peut comprendre un bouchon ou tout autre moyen de fermeture de type connu en soi. 25 Ledit au moins un moyen de drainage 6 permet de réduire la hauteur dudit dispositif selon l'invention d'au moins de 30% par rapport à la hauteur d'un mélangeur de type connu et permet ainsi de réduire considérablement son encombrement. De plus, le dispositif selon l'invention incluant ledit au moins un moyen de drainage 6 permet une diminution de la perte de charge qui se traduit par un gain énergétique entre les sections d'entrée et de sortie de ladite cuve donc une puissance d'alimentation moindre. Avantageusement, la température des flux de sortie obtenus est homogène. La figure 7 est une représentation schématique d'une autre variante du 10 dispositif selon l'invention. A titre d'exemple illustratif, la figure 7 est un mélangeur 1, comprenant une cuve 2 ovoïde et un nombre de conduites d'entrée 3 impair. 15 Des dispositifs supplémentaires annexes et connexes peuvent être prévus à l'intérieur de la cuve 2, tels par exemple, au moins un peigne et/ou un diaphragme de turbulence (non représenté mais de type connu en soi). Avantageusement, la configuration du mélangeur selon l'invention 20 comprenant un positionnement judicieux de dispositifs annexes et/ou connexes internes permet d'autant plus l'optimisation en termes d'encombrement dudit mélangeur. De manière alternative, il peut être également prévu au moins un 25 ventilateur et/ou accélérateur de fluide aux conduites d'entrée 3 et/ou à proximité dudit moyen de drainage ou de vidange 6 et/ou à proximité des parois internes de la cuve 2 permettant d'augmenter ainsi la vitesse du fluide.5 Le dispositif selon l'invention permet ainsi la climatisation de l'aéronef, par exemple, tout en diminuant de manière efficace son encombrement mais également sa masse et les défaillances connues de l'art antérieur des systèmes de distribution d'air basse pression en termes d'aéraulique, de thermique, d'acoustique et d'énergie. Alternativement, le dispositif selon l'invention peut mélanger un autre type de fluide et être utilisé par exemple dans l'industrie du transport terrestre (moteur à combustion interne), ou en physique et notamment pour les échangeurs de chaleur. 25 REVENDICATIONS 1. Dispositif de mélange (1) de fluide gazeux tel que de l'air, constitué s d'une cuve (2), présentant un axe central et pourvue de conduites d'entrée (3) et de sortie (4), disposées de manière à créer un mouvement tourbillonnaire ascendant dudit fluide à l'intérieur de ladite cuve en vue d'assurer en sortie son homogénéité thermique, caractérisé en ce que ladite cuve comporte au moins un moyen de 10 discontinuité. 2. Dispositif de mélange (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de discontinuité se présente sous la forme d'au moins un moyen de communication supplémentaire vers 15 l'extérieur/intérieur de ladite cuve (2). 3. Dispositif cle mélange (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit moyen de communication supplémentaire se présente sous la forme d'au moins un moyen de drainage (6) définissant un 20 volume ouvert ou fermé. 4. Dispositif de mélange (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit moyen de drainage (6) est disposé sur la partie inférieure de la cuve (2). 5. Dispositif de mélange (1) selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit moyen de drainage (6) est un orifice (6a). 6. Dispositif de mélange (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit orifice (6a) débouche dans une conduite de vidange (6b) vers l'extérieur de ladite cuve. 7. Dispositif cle mélange (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit orifice (6a) débouche dans une conduite de vidange (6b) vers l'intérieur de ladite cuve. 8. Dispositif de mélange (1) selon l'une des revendications 4 à 7, 1c-caractérisé en ce que ledit moyen de drainage (6) comporte au moins un moyen de fermeture réglable. 9. Dispositif de mélange (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite cuve (2) est cylindrique 15 ou rectangulaire ou ovoïde ou sphérique ou trapézoïdale. 1O.Dispositif de mélange (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite cuve (2) comprend des dispositifs supplémentaires annexes à l'intérieur, tels un peigne ou 20 diaphragme ou ventilateur ou accélérateur.