Brevet FR2966580A1 — publié le 20120427

i Echangeur de chaleur et installation de ventilation et de chauffage correspondante La présente invention concerne un échangeur de chaleur. Elle concerne s également une installation de ventilation et de chauffage pour un véhicule électrique ou hybride correspondante, intégrant un tel échangeur. Plus particulièrement, la présente invention concerne le domaine technique des installations de ventilation, chauffage et/ou climatisation montés sur un véhicule animé par un moteur électrique et/ou un moteur à combustion interne. io La raréfaction des ressources pétrolières conduit les constructeurs automobiles à développer des véhicules qui fonctionnent à partir de nouvelles sources d'énergie. La propulsion du véhicule par l'énergie électrique est une solution qui représente une alternative intéressante et il est alors nécessaire d'embarquer des batteries pour stocker cette énergie électrique et la fournir à un moteur électrique qui assure la ls propulsion du véhicule. Les véhicules actuels équipés d'un moteur à combustion interne assurent le chauffage de l'habitacle en dérivant tout ou partie du fluide qui assure le refroidissement du moteur à combustion interne. Ce fluide de refroidissement chauffe au contact du moteur à combustion interne et cède ses calories à un flux d'air 20 envoyé dans l'habitacle par échange thermique avec un aérotherme installé dans un boîtier généralement monté sous une planche de bord équipant l'habitacle du véhicule. Dans le cas d'un véhicule animé par un moteur à combustion interne, le rendement actuel du moteur engendre un temps important avant de pouvoir utiliser 25 les calories du moteur pour réchauffer l'habitacle. II est alors connu, pour assurer le chauffage pendant la phase de montée en température du moteur, d'ajouter un échangeur additionnel de chauffage qui soit du type à résistance électrique qui échange avec le flux d'air envoyé dans l'habitacle. II est ainsi connu de disposer un tel échangeur additionnel en parallèle de l'aérotherme dans lequel circule le fluide, ce 30 qui augmente d'autant l'encombrement de l'installation intégrant les éléments thermiques dédiés au chauffage de l'habitacle. Dans le cas d'un véhicule à propulsion électrique, l'absence de moteur à combustion interne prive le système de chauffage de cette source de calories. Il est alors connu d'assurer le chauffage de l'habitacle au moyen d'un radiateur électrique qui puise son énergie électrique sur une batterie qui fournit également l'énergie nécessaire au moteur électrique de propulsion. Un premier inconvénient d'une telle solution réside dans un manque d'efficacité du radiateur électrique, qui se traduit par une consommation électrique élevée pour s une élévation de la température de l'air modérée. Un autre inconvénient d'une telle solution réside dans la diminution de l'autonomie de la batterie équipant le véhicule. Dans la mesure où le radiateur et le moteur électrique de propulsion prennent leur source sur un même distributeur, l'activation du radiateur électrique diminue alors la quantité d'énergie disponible pour lo le moteur électrique de propulsion, réduisant ainsi directement la distance que le véhicule peut parcourir. II convient donc de trouver une nouvelle organisation de sources énergétiques permettant de chauffer l'habitacle du véhicule tout en réduisant l'impact sur la batterie de ce chauffage de l'habitacle. ls La présente invention propose une solution en rapport avec cette nouvelle organisation. A cet effet, un premier aspect de l'invention concerne un échangeur de chaleur, comprenant au moins une boîte collectrice destinée à contenir un fluide caloporteur et un corps de chauffe dans lequel circule le fluide caloporteur, ladite 20 boîte collectrice comprenant au moins un élément chauffant électrique dont au moins une partie active s'étend dans un volume interne délimité par la boîte collectrice. Grâce à l'intégration d'un élément chauffant au niveau de la boîte collectrice de l'échangeur, il est ainsi possible de disposer d'une source de fluide caloporteur chaud complètement intégrée dans l'échangeur. 25 Par ailleurs, la disposition de la partie active de l'élément chauffant au coeur du volume délimité par la boîte collectrice permet d'élever la température d'une quantité de fluide caloporteur limitée à la taille de la boîte collectrice. Ainsi, la quantité et la puissance des éléments chauffants sont dimensionnées et adaptées à ce volume restreint. 30 Selon une caractéristique, l'échangeur de chaleur comprend des moyens de fixation de l'élément chauffant sur la boîte collectrice. De tels moyens permettent notamment de maintenir la partie active de l'élément chauffant à l'intérieur de la boîte collectrice, de faciliter le montage de l'élément chauffant et de fiabiliser ce montage vis-à-vis des fuites. Avantageusement, l'élément chauffant comprend une partie formant support dudit élément chauffant sur la boîte collectrice. Ce support facilite la fixation de l'élément chauffant sur la boîte collectrice, par exemple par vissage. Selon une autre caractéristique, l'échangeur de chaleur comprend en outre des s moyens de raccordement à des moyens de commande d'une alimentation électrique de l'élément chauffant. II est ainsi possible de commander l'alimentation de l'élément chauffant selon les besoins de l'utilisateur. Avantageusement, les moyens de raccordement sont aptes à être commandés par un signal de modulation de durée d'impulsion. Ce type de commande permet une io régulation précise et fiable de l'alimentation de l'élément chauffant. Selon une caractéristique, l'élément chauffant comprend une borne positive destinée à être raccordée à une source de courant électrique et une borne négative destinée à être raccordée à une masse électrique, notamment un potentielle négatif de la source. ls Avantageusement, l'élément chauffant est un thermoplongeur. Le thermoplongeur comprend généralement une résistance chauffante électrique protégée par un blindage métallique. Ce dispositif présente l'avantage d'être un bon conducteur de chaleur et de résister aux corrosions. Selon une caractéristique, la partie active de l'élément chauffant comprend une 20 thermistance à coefficient de température positif. La résistance d'une telle thermistance augmente avec la température de sorte à limiter le courant qui la traverse. Grâce à l'utilisation de cette thermistance autorégulée, il n'est pas nécessaire de prévoir un moyen supplémentaire de détection de la température du fluide caloporteur pour réguler l'alimentation électrique de l'élément chauffant. 25 Avantageusement, la partie active de l'élément chauffant s'étend dans une chambre d'admission de la boîte collectrice, notamment exclusivement dans cette chambre. Selon une autre solution, la partie active de l'élément chauffant s'étend dans une chambre d'évacuation de la boîte collectrice, notamment exclusivement dans 30 cette chambre d'évacuation ou également dans la chambre d'admission. Un deuxième aspect de l'invention concerne une installation de ventilation et de chauffage pour un véhicule électrique ou hybride (moteur électrique et moteur à combustion interne), comprenant un échangeur de chaleur selon le premier aspect de l'invention. Dans une telle situation, l'élément chauffant est dans un état actif de fonctionnement tant que la température du fluide caloporteur est inférieure à une valeur prédéterminée selon une valeur de consigne de chauffage de l'habitacle. On va maintenant décrire des exemples de réalisation de l'invention de façon plus précise, mais non limitative, en regard dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma illustrant la structure d'un échangeur de chaleur selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe illustrant des détails de structure de l'échangeur de chaleur selon un mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 3 est un schéma illustrant un élément chauffant selon un mode de io réalisation de l'invention. La figure 1 illustre la structure d'un échangeur de chaleur 2 faisant partie d'une installation de ventilation et de chauffage pour un véhicule électrique ou hybride, selon un mode de réalisation de l'invention. L'échangeur de chaleur 2 comprend une boîte collectrice 4 pourvue d'un orifice 15 d'entrée 6 et d'un orifice de sortie 8 d'un fluide caloporteur, par exemple de l'eau additionnée de glycol. La boîte collectrice 4 est constituée d'une plaque et d'un couvercle qui repose sur la plaque. La boîte collectrice 4 comprend une paroi séparatrice 9 qui délimite ainsi une chambre d'admission 11 une chambre d'évacuation 10 connectées respectivement à 20 l'orifice d'entrée 6 et à l'orifice de sortie 8. L'échangeur de chaleur 2 comprend également un corps de chauffe 12 formé d'une pluralité de conduits 13 délimités par des tubes ou des plaques, en relation avec la boîte collectrice 4, dans lesquels circule le fluide caloporteur. Les conduits 13 sont interposés entre et le long d'une pluralité d'ailettes 14 de refroidissement au 25 travers desquelles un flux d'air à chauffer passe. L'entrée 6 et la sortie 8 de l'échangeur 2 étant d'un même côté de l'échangeur 2, la circulation du fluide caloporteur est dite en « U ». A cet effet, une cloison de séparation 15 est prévue au niveau des conduits 13. De préférence, la boîte collectrice 4 et le corps de chauffe 12 sont réalisés en 30 aluminium ou en alliage d'aluminium afin d'être facilement recyclés. Selon l'invention, l'échangeur 2 comprend au moins un élément chauffant 16 électrique dont une partie active 18 s'étend dans un volume interne délimité par la boîte collectrice 4 de sorte à être immergée dans le fluide caloporteur. 2966580 s On comprend ici que la partie active est le composant qui transforme l'énergie électrique en chaleur, et qui la diffuse au fluide caloporteur environnant. Cette partie active est avantageusement formée par un cylindre ou tube de section circulaire susceptible de s'étendre d'une paroi latérale délimitant la boîte collectrice 4 à l'autre s paroi latérale délimitant cette boîte. La partie active est immergée dans le fluide caloporteur en ce sens que toute sa périphérie est en contact avec le fluide caloporteur. Selon une variante de l'invention, la partie active 18 s'étend dans la chambre d'admission 11 exclusivement. Ceci permet de chauffer le fluide caloporteur avant io son entrée dans les conduits 13 afin d'apporter des calories à l'air envoyé dans l'habitacle par échange entre ce dernier et le fluide caloporteur qui circule dans le corps de chauffe 12. Selon une autre variante, la partie active 18 s'étend dans la chambre d'évacuation 10 exclusivement. Une telle situation permet de chauffer le fluide ls caloporteur après le passage de ce dernier dans les conduits 13, ce qui permet de fournir des calories au reste de la boucle de fluide caloporteur et ainsi chauffer le moteur électrique et/ou le moteur à combustion interne qui équipent le véhicule. On assure alors une montée en température plus rapide de ces moteurs, ce qui abaisse les frictions internes et diminue l'émission de gaz d'échappement polluants qui 20 survient pendant la phase de montée en température d'un moteur à combustion interne, notamment. Selon encore une autre variante, la partie active 18 s'étend à la fois dans la chambre d'admission 11 et dans la chambre d'évacuation 10. Une telle variante bénéficie ainsi des deux effets techniques évoqués ci-dessus. 25 Avantageusement, le nombre d'éléments chauffants 16 dépend de la puissance de chauffage souhaitée. De préférence, ce nombre est compris entre 1 et 4. Selon un mode de réalisation, l'élément chauffant 16 est positionné sur l'une des faces latérales de la boîte collectrice 4 sensiblement au centre de celle-ci. Plus précisément, l'élément chauffant 16 est positionné sur une face opposée à la face 30 sur laquelle sont situés les orifices d'entrée 6 et de sortie 8. Dans une variante préférentielle, l'élément chauffant 16 s'étend seulement dans la chambre d'admission 11. On garantit ainsi le chauffage du fluide caloporteur préalablement à son entrée dans les conduits 13. Ainsi que cela apparaît sur le schéma de la figure 2, l'élément chauffant 16 comprend, outre la partie active 18, une partie formant support 20 et des moyens de raccordement 22 à des moyens de commande 24 de l'alimentation électrique de l'élément chauffant 16. s Selon un exemple de réalisation, le support 20 de l'élément chauffant 16 est apte à être vissé dans un taraudage pratiqué dans l'épaisseur de la boite collectrice 4. Selon une autre variante, le support 20 est soudé sur la face externe de la boite collectrice 4. io Les moyens de raccordement 22 comprennent au moins une borne de puissance 26. A titre d'exemple, les moyens de commande 24 comprennent au moins un relais ou un interrupteur électronique de type MOSFET permettant de raccorder la borne 26 de l'élément chauffant 16 à une source de puissance électrique du is véhicule, non représentée. Selon un mode de réalisation de l'invention, ce relais ou interrupteur électronique est commandé selon un signal de modulation de largeur d'impulsion PWM (en anglais, « Pulse Width Modulation »). La figure 3 illustre un exemple de réalisation de l'élément chauffant 16 dans 20 lequel l'élément chauffant 16 est un thermoplongeur dont la partie active 18 est une résistance. Selon la variante de réalisation de la figure 3, le thermoplongeur est muni d'un plot de contact 28 destiné à être raccordé à une source de courant électrique et d'un plot de contact 30 destiné à être raccordé à la masse. Les plots de contact 28 et 30 25 forment ainsi respectivement une borne positive et une borne négative de l'élément chauffant 16. Selon un mode de réalisation préféré, la résistance du thermoplongeur est constituée d'une thermistance à coefficient de température positif ou PTC (« Positive Temperature Coefficient »). 30 L'échangeur de chaleur 2 selon l'invention fonctionne de la manière suivante. Un fluide caloporteur, par exemple de l'eau additionnée de glycol, entre dans la boite collectrice 4 par l'orifice d'entrée 6 (flèche 40 sur les figures 1 et 2). Dans la boite collectrice 4, le fluide est réchauffé par la partie active 18 du ou des élément(s) chauffant(s) 16 (flèche 42) connectée à une source de puissance électrique du véhicule, suite à une commande des moyens de commande 24. Une réserve de fluide caloporteur chaud est ainsi disponible dans la boîte collectrice 4. Ce fluide caloporteur chaud circule dans les conduits 13 du bloc de chauffe 12 (flèche 44). Les conduits 13 ainsi chauffés dissipent des calories dans le flux d'air qui s passe au travers du corps de chauffe 12 au moyen des ailettes de refroidissement 14. Il sort alors par l'orifice de sortie 8 de la boîte collectrice 4 (flèche 46). Selon une variante de réalisation non représentée, chacun des éléments chauffant 16 s'étend dans la chambre d'évacuation 10 de l'échangeur de chaleur. Un tel échangeur, communément nommé radiateur de face avant du véhicule, est io destiné au refroidissement du fluide caloporteur circulant dans un moteur à combustion interne ou électrique. Un tel échangeur de chaleur est relié par un conduit approprié formant boucle de fluide caloporteur à un aérotherme destiné au chauffage de l'habitacle d'un véhicule. Par le biais de chacun des éléments chauffants 16, le fluide caloporteur sortant de l'orifice de sortie 8 de la boîte is collectrice 4 est chauffé. Le fluide caloporteur circulant dans le radiateur de chauffage de l'habitacle est alors chauffé par chacun des éléments chauffant 16 ainsi que par le moteur à combustion interne de sorte que la montée en température du fluide caloporteur s'effectue de manière rapide pour améliorer le confort des utilisateurs du véhicule. 20 L'élément chauffant 16 est placé dans un état actif de fonctionnement par les moyens de commande 24 tant que la température du fluide caloporteur est inférieure à une valeur prédéterminée. Cette dernière correspond à une valeur calculée par les moyens de commande 24 pour garantir qu'une valeur de consigne de chauffage de l'habitacle sera atteinte, cette dernière étant le reflet d'une demande effectuée par 25 l'utilisateur du véhicule. Ainsi, l'invention permet de fournir une source d'eau chaude dans un véhicule animé notamment par un moteur électrique et/ou un moteur à combustion interne, complètement intégrée dans l'échangeur de chaleur. La solution de l'invention, consistant à prévoir un élément chauffant immergé dans le fluide caloporteur stocké 30 dans la boîte collectrice, est facilement intégrable dans les échangeurs de chaleur conventionnels. REVENDICATIONS1. Echangeur de chaleur (2), comprenant au moins une boîte collectrice (4) destinée à contenir un fluide caloporteur et un corps de chauffe (12) dans lequel circule le fluide caloporteur, ladite boîte collectrice (4) comprenant au moins un s élément chauffant électrique (16), caractérisé en ce qu'au moins une partie active (18) de l'élément chauffant (16) s'étend dans un volume interne délimité par la boîte collectrice (4). 2. Echangeur (2) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de fixation de l'élément chauffant (16) sur la boîte collectrice (4). io 3. Echangeur (2) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément chauffant (16) comprend en outre: - des moyens de raccordement (22) à des moyens de commande (24) d'une alimentation électrique de l'élément chauffant (16) ; et - une partie formant support (20) dudit élément chauffant (16) sur la boîte ls collectrice (4). 4. Echangeur (2) selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de raccordement (22) sont aptes à être commandés par un signal de modulation de durée d'impulsion. 5. Echangeur (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce que l'élément chauffant (16) comprend une borne positive (28) destinée à être raccordée à une source de courant électrique et une borne négative (30) destinée à être raccordée à une masse électrique. 6. Echangeur (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément chauffant (16) est un thermoplongeur. 25 7. Echangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie active (18) de l'élément chauffant (16) comprend une thermistance à coefficient de température positif. 8. Echangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie active (18) de l'élément chauffant (16) s'étend dans 30 une chambre d'admission (11) de la boîte collectrice (4). 9. Echangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie active (18) de l'élément chauffant (16) s'étend dans une chambre d'évacuation (10) de la boîte collectrice (4). 10. Installation de ventilation, de chauffage et/ou de climatisation pour unvéhicule animé par un moteur électrique et/ou thermique, comprenant un échangeur de chaleur (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9. 11. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'élément chauffant (16) est dans un état actif de fonctionnement tant que la température du s fluide caloporteur est inférieure à une valeur prédéterminée selon une valeur de consigne de chauffage de l'habitacle.