Brevet FR2938637A1 — publié le 20100521

i La présente invention concerne un conduit de circulation d'un fluide. Elle s'applique particulièrement à des dispositifs de chauffage d'appareils électroménagers. Cela inclut notamment des machines de préparation de boissons par infusion de matière telle de la mouture de café ou des feuilles de thé hachées ou par solubilisation de matière notamment en granulés. Une application préférée est la réalisation de machines à café de type espresso. Dans ce dernier domaine indicatif, le fluide, en l'occurrence de l'eau, doit être chauffée à des niveaux assurant une extraction optimale des substances aromatiques du café moulu. Des chaudières sont prévues à cet io effet et elles disposent communément d'un circuit de transit de l'eau à chauffer et des moyens de chauffage notamment sous forme de résistance électrique. L'eau peut par exemple passer d'une température d'entrée de 20° Celsius à une température de sortie comprise entre 70 et 100° Celsius. Un des inconvénient des chaudières traditionnelles est le temps 15 nécessaire à la montée en température de l'eau transitant dans le circuit. En effet, l'inertie des chaudières classiques consomme une grande quantité d'électricité ce qui est d'autant plus pénalisant pour des appareils électroménagers que l'on met en marche et que l'on désactive de façon répétée. Cela arrive particulièrement dans le domaine des machines à café où 20 les utilisateurs éteignent et rallument les machines plusieurs fois dans la journée. Outre les problèmes de consommation énergétique, les chaudières traditionnelles, lentes à s'échauffer, induisent un temps d'attente pouvant gêner le consommateur. Des chaudières plus perfectionnées ont récemment été proposées avec 25 des moyens d'échauffement plus rapides de sorte qu'une montée en température est produite généralement en moins de 10 secondes. En particulier, des techniques utilisant des résistances sérigraphiées assurent une réponse quasi immédiate des moyens de chauffage de la chaudière. Cependant, on a constaté des limitations techniques notamment quant aux 30 températures de consigne que l'on peut obtenir. Il existe donc un besoin d'améliorer la capacité d'échauffement d'un fluide circulant dans un conduit de sorte à obtenir un rapport temps de chauffage / température de sortie optimum. 2 La présente invention s'inscrit dans ce cadre et propose à cet effet un conduit amélioré de circulation d'un fluide qui comporte des moyens de mise en turbulence du fluide circulant dans son volume intérieur. En effet, les chaudières les plus récentes montrent des limitations dans la mesure où l'écoulement du fluide est relativement rapide ce qui, en combinaison avec des moyens de chauffage violents, induit la formation d'une pluralité de couches dans l'écoulement du fluide de sorte que le gradient de température entre la partie du fluide à proximité de la zone de chauffage et la partie du fluide la plus éloignée est fort élevé. io Pour contrer cette tendance, l'invention assure une mise en turbulence au moins en certaines parties du conduit du fluide en circulation. S'opère alors un mélange dont la tendance est d'homogénéiser la température à l'intérieur du conduit. Le demandeur a constaté avec surprise que cette disposition offrait la 15 possibilité d'atteindre des températures de consigne nettement plus élevées. D'autres but et avantages apparaîtront au cours de la description qui suit qui présente divers modes de réalisation de l'invention à titre non limitatifs. Avant cette description détaillée, il est rappelé que l'invention concerne un conduit de circulation d'un fluide pour un dispositif de chauffage d'un 20 appareil électroménager, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de mise en turbulence du fluide circulant dans son volume intérieur. Suivant des variantes préférées mais non limitatives, ce conduit est tel que : - les moyens de mise en turbulence comprennent des surfaces en relief 25 sur la paroi interne du conduit, - les surfaces en relief comportent des surfaces en saillie vers le volume intérieur du conduit, - les surfaces en saillie comprennent des plots, - la forme des plots est choisie parmi les formes cylindriques, 30 tronconiques, pyramidales, - les surfaces en relief comportent des surfaces en creux dans la paroi interne du conduit, 3 - les surfaces en relief sont formées par de brusques variations de section du conduit, - les surfaces en relief sont régulièrement espacées le long du conduit, - la paroi interne comporte une partie d'échange thermique apte à coopérer avec des moyens de chauffage et dans lequel les surfaces en relief sont formées hors de la partie d'échange thermique, - au moins une partie des surfaces en relief est configurée pour dévier le fluide en direction de la partie d'échange thermique. L'invention concerne également un dispositif de chauffage du fluide io pour appareil électroménager comportant au moins un conduit selon invention. Les dessins ci-joints sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l'invention. Ils représentent seulement un mode de réalisation de l'invention et permettront de la comprendre aisément. La figure 1 présente schématiquement l'écoulement d'un fluide dans un 15 conduit traditionnel. La figure 2 schématise le saut technologique opéré par la mise en oeuvre de l'invention en terme de niveau de température obtenu dans une application à une chaudière de machine à café espresso. Les figures 3 et 4 montrent une première possibilité de réalisation de 20 l'invention. Les figures 5 et 6 illustrent une autre variante de l'invention et la figure 7 en montre une légère modification. Les figures 8 et 9 présentent un autre mode de réalisation. Les figures 10 à 12 montrent une autre variante avec un conduit de 25 section variant selon sa longueur. Les figures 13 et 14 présentent une autre possibilité. En référence à la figure 1, on a présenté un conduit traditionnel avec des parois délimitant un volume intérieur dans lequel le fluide, notamment de l'eau, circule durant une phase d'échauffement. L'échauffement est produit par 30 transfert d'énergie calorifique par l'intermédiaire d'une des parois du conduit. Dans le cas représenté, c'est la paroi supérieure qui a cette fonction et l'échange de chaleur est schématisé par des flèches légèrement courbées. 4 Cette figure schématise également le type d'écoulement du flux actuellement constaté avec un gradient de vitesse suivant la hauteur du conduit depuis les couches limites (celles situées au niveau du contact avec les bords du conduit) vers le centre du conduit où la vitesse est maximale. Le demandeur a constaté avec surprise que, malgré la rapidité de l'écoulement et les effets convectifs auxquels on peut s'attendre du fait de l'échauffement violent, une stratification du fluide se produit. En particulier, une différence de température de l'ordre de 40° Celsius est relevée entre les strates de fluide à proximité de la zone de chauffage et les strates les plus éloignées. En conséquence, la io température moyenne du fluide échauffé subit de graves limitations. La figure 2 illustre sous forme de courbes temps / température les échauffements de fluide constatés d'une part avec des conduits de configuration traditionnelle (il s'agit des courbes L1, L2, L3) et d'autre part avec l'invention (il s'agit de la courbe L4). On note très clairement que les conduits 15 classiques atteignent leur limitation technique avant 65° Celsius alors que l'invention a permis d'obtenir des températures moyennes de 95° Celsius. Ces constats ont été faits en prenant la température de l'eau circulant dans une chaudière de machine à café espresso à pression de 16 bars, la sonde de température étant située au milieu de la hauteur d'un conduit de section 20 rectangulaire. En outre, les courbes ont été obtenues avec des conduits de même section (6 mm2) et de même longueur (750 millimètres). La courbe L1 correspond à un conduit de section rectangulaire S1 ayant la hauteur la plus importante et la largeur la plus petite. A l'inverse la courbe L3 correspond à un 25 conduit de section rectangulaire S3 ayant la plus faible hauteur et la plus grande largeur. La courbe L2 est relative à un cas intermédiaire en rapport largeur / hauteur. La courbe L4 correspond à un conduit de section du type général de L3 (section S3) mais avec des moyens de mise en turbulence du flux. Même si la réduction de la hauteur du conduit améliore la température de 30 sortie comme cela ressort des courbes L1, L2 et L3, on atteint une limitation aux environs de 65° C. On constate très clairement par le saut de température entre L3 et L4 que les turbulences induites par l'invention provoquent une rupture de la stratification et entraînent une meilleure captation de l'énergie calorifique par le fluide. Dans le cadre de l'invention, le terme conduit s'entend d'une portion d'un circuit de fluide. Le conduit peut constituer l'ensemble du circuit fluidique 5 ou seulement une ou plusieurs partie de celui-ci. Par exemple, il peut être situé dans la zone d'échauffement maximal du fluide et ne pas être présent dans les zones d'entrée et de sortie du fluide dans le circuit. Différents conduits selon l'invention peuvent être également répartis le long du circuit. Ces diverses possibilités et d'autres variantes entrent dans le cadre de l'invention. io Par ailleurs, ni la forme intérieure, ni la forme extérieure et le mode de construction du conduit ne sont limitatifs de l'invention. Parmi les possibilités envisageables, on peut indiquer les options suivantes : - conduit de section intérieure rectangulaire ou circulaire - conduit formé par assemblage de pièces par exemple avec : 15 - une pièce de base avec un tracé du conduit en creux et une pièce de couverture telle une plaque par laquelle par exemple peut s'opérer l'échange thermique notamment aux moyens d'une résistance sérigraphiée située sur la face de la couverture opposée au conduit. - plus de deux pièces, chacune constituant une paroi du conduit. 20 Par exemple quatre pièces peuvent former les quatre bordures d'un conduit rectangulaire. - un conduit de forme globale assurant une circulation rectiligne du fluide, ou en serpentin avec des virages, en hélice ou encore en spirale. Ces exemples ne sont pas limitatifs de l'invention. 25 Pour obtenir des résultats d'échauffement aussi satisfaisants, l'invention réalise une mise en turbulence du flux. L'objectif est de rompre la stratification que le demandeur a constaté sur les dispositifs existants. Un mode de réalisation préféré consiste à réaliser des moyens de mise en turbulence avec des surfaces en relief sur la paroi interne du conduit. 30 Une première solution est présentée aux figures 3 et 4 au niveau desquelles le conduit comporte une partie d'échange thermique 4 par exemple sous la forme d'une plaque dotée d'une résistance sérigraphié sur sa face externe, un flux 3 circulant dans le volume intérieur 2 du conduit 1. Suivant cette possibilité, les moyens de turbulence sont des surfaces en relief et plus particulièrement des surfaces en saillie vers l'intérieur du volume 2. Il s'agit ici d'éléments de section triangulaire (cette forme n'est pas limitative) aptes à former des pans inclinés 9 configurés pour dévier le flux 3. La déviation obtenue est illustrée par les flèches en figure 3. La mise en turbulence est schématisée par la forme des flèches. Une possibilité avantageuse est de former les pans 9 de sorte que le flux 3 est dévié en direction de la partie d'échange thermique 4. Cette configuration peut accentuer la rupture de stratification du flux 3 en particulier au niveau de la couche limite. Les pans inclinés peuvent présenter io une inclinaison comprise entre 20 et 60° bien que cette disposition soit purement indicative. Une autre possibilité de surface en saillie 5 est illustrée aux figures 5 et 6 sous forme de plots s'étendant vers le volume intérieur 2 du conduit depuis une paroi de celui-ci opposé à la partie d'échange thermique 4. Là encore, les 15 plots assurent une mise en turbulence apte à casser la stratification du flux. Dans le cas représenté, les plots sont cylindriques mais des variantes de forme sont possibles telles que celle illustrée en figure 7 sous forme de bossage semi conique. On peut prévoir que les plots s'étendent sur au moins la moitié de la hauteur du conduit. 20 Les figures 8 à 9 montrent une variante avec des surfaces en saillie 5 de forme pyramidale. Dans d'autres cas, les surfaces en creux 6 sont formées sur au moins une partie des parois du conduit 1 et un exemple en est présenté en figure 10. A cette figure, on alterne les parties en creux 6 et les surfaces en saillie 5 de 25 sorte à produire de brusques élargissements de la section du conduit 1. La figure 11 montre une zone de la longueur où la section est maximale et la figure 12 montre une zone de la longueur où la section est rétrécie. Avantageusement, le changement de section s'effectue avec une discontinuité de sorte que l'élargissement ou le rétrécissement est brusque afin de favoriser 30 la turbulence. On peut notamment prévoir des angles droits au niveau des changements de section. Les figures 13 et 14 montrent une variante du cas précédent avec des élargissements de forme conique alternés et des pans inclinés de transition 7 entre les sections larges et les sections rétrécies. Cette configuration favorise un cheminement hélicoïdal du flux à l'intérieur du conduit. A noter que le changement de section est ici représenté avec des conduits de section sensiblement rectangulaires mais ce cas n'est pas limitatif. Par ailleurs, le changement de section peut intervenir en largeur, en hauteur ou en combinaison des deux. Le changement de section comprend également une succession de sections de formes différentes. Pour limiter les pertes de charges, les zones de conduit 1 équipées des moyens de turbulence peuvent être limitées à certaines sections suivant la io longueur du conduit. On peut par ailleurs espacer régulièrement les moyens de mise en turbulence à l'intérieur du conduit. REFERENCES 1. Conduit 2. Volume intérieur 3. Flux 4. Partie d'échange thermique 5. Surface en saillie 6. Surface en creux 7. Section large io 8. Section étroite 9. Pan incliné REVENDICATIONS1. Conduit (1) de circulation d'un fluide pour un dispositif de chauffage d'un appareil électroménager, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de mise en turbulence du fluide circulant dans son volume intérieur (2). 2. Conduit (1) selon la revendication 1 dans lequel les moyens de mise en turbulence comprennent des surfaces en relief sur la paroi interne du conduit (1). io 3. Conduit (1) selon la revendication 2 dans lequel les surfaces en relief comportent des surfaces en saillie (5) vers le volume intérieur (2) du conduit (1). 4. Conduit (1) selon la revendication 3 dans lequel les surfaces en saillie (5) comprennent des plots. 15 5. Conduit (1) selon la revendication 4 dans lequel la forme des plots est choisie parmi les formes cylindriques, tronconiques, pyramidales. 6. Conduit (1) selon la revendication 2 ou 3 dans lequel les surfaces en relief comportent des surfaces en creux (6) dans la paroi interne du conduit (1). 7. Conduit (1) selon la revendication 2 dans lequel les surfaces en relief sont 20 formées par de brusques variations de section du conduit (1). 8. Conduit (1) selon une quelconque des revendications 2 à 7 dans lequel les surfaces en relief sont régulièrement espacées le long du conduit (1). 9. Conduit (1) selon une quelconque des revendications 2 à 8 dans lequel la paroi interne comporte une partie d'échange thermique (4) apte à 25 coopérer avec des moyens de chauffage et dans lequel les surfaces en relief sont formées hors de la partie d'échange thermique (4). 10. Conduit (1) selon la revendication 9 dans lequel au moins une partie des surfaces en relief est configurée pour dévier le fluide en direction de la partie d'échange thermique (4). 30 11. Dispositif de chauffage de fluide pour appareil électroménager comportant au moins un conduit (1) selon l'un des revendications 1 à 10.