Brevet FR2961587A1 — publié le 20111223

ECHANGEUR DE CHALEUR A CALODUCS, MOTEUR ET VEHICULE COMPRENANT UN TEL ECHANGEUR Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte aux échangeurs de chaleur, plus particulièrement aux échangeurs à caloducs. Arrière-plan technologique De part sa conception, le moteur thermique rejette une partie importante de l'énergie qu'il consomme dans les gaz d'échappement De nombreux travaux existent sur la récupération de cette énergie à l'échappement. Le plus souvent un échangeur est nécessaire pour récupérer la chaleur des gaz d'échappement. Les échangeurs automobiles actuels sont en général constitués de canaux dans lesquels circulent les gaz d'échappement à refroidir et autours desquels passe le fluide de refroidissement. Cependant, les fortes pertes de charges de ces échangeurs du côté gaz a pour conséquence une augmentation du pompage moteur et par voie de conséquence de la consommation. Cet inconvénient majeur est aggravé lors de l'encrassement de ces échangeurs. Le document JP6109591 U, présente un moteur à combustion interne équipée d'une ligne d'échappement comportant sur une portion un dispositif permettant de récupérer la chaleur des gaz d'échappement. Ce dispositif comprend des ailettes disposées sur la portion de ligne d'échappement permettant de communiquer par l'intermédiaire d'un média conducteur de chaleur de la chaleur des gaz d'échappement vers l'évaporateur d'un caloduc. Les caloducs sont disposés en ligne verticalement au-dessus de la portion de ligne d'échappement représentant la source chaude et transmettent la chaleur provenant des gaz d'échappement vers un circuit de refroidissement dans lequel circule un liquide de refroidissement. De conception connue, un caloduc se présente sous la forme d'une enceinte hermétique qui renferme un fluide en équilibre avec sa phase gazeuse et sa phase liquide. À un bout du caloduc, celui près d'une source chaude à refroidir, le liquide chauffe et se vaporise en emmagasinant de l'énergie provenant de la chaleur émise par cet élément. Ce gaz se diffuse alors dans le caloduc jusqu'à une source froide située à l'autre bout du caloduc où le gaz sera refroidi, jusqu'à ce qu'il se condense pour redevenir à nouveau un liquide, et céder de l'énergie à la source froide. Le liquide retourne ensuite vers l'évaporateur par gravité ou capillarité. Il est connu du document JP61095921 U un moteur à combustion interne relié à une ligne d'échappement pour l'évacuation des gaz de combustion. Le document JP61095921U présente un dispositif d'échange de chaleur des gaz d'échappement vers un circuit de refroidissement comprenant une rangée de caloducs disposés verticalement au dessus de la ligne d'échappement. La chaleur des gaz d'échappement est amenée au coté évaporateur du caloduc par des ailettes périphériques présentes sur une partie de la ligne d'échappement. Les ailettes et le coté évaporateur des caloducs sont contenus dans une première enveloppe fermée dans laquelle est aménagée une arrivée d'eau. Les cotés condenseurs des caloducs sont contenus dans une seconde enveloppe séparée de la première enveloppe. Un tel dispositif est peu compact, la réalisation et la mise en place d'un tel dispositif de d'échange de chaleur sur une ligne d'échappement est complexe et couteuse. L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur un échangeur de chaleur comprenant un circuit de circulation d'un fluide caloporteur, caractérisé en ce qu'il comprend un conduit de passage d'un fluide à refroidir, une pluralité de caloducs fonctionnant par capillarité répartis radialement autour du conduit de passage, dont le coté évaporateur est en contact avec la paroi extérieure dudit conduit de passage, le coté condenseur des caloducs étant en contact avec le circuit de circulation, reliant ainsi le conduit de passage au circuit de circulation. Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : De préférence, le coté évaporateur des caloducs est assemblé par un moyen d'adhésion à la paroi extérieure du conduit de passage. De préférence encore, le coté condenseur des caloducs est entrant en saillie dans le circuit de circulation. De préférence, le circuit de circulation de fluide caloporteur comprend une enveloppe 35 interne et une enveloppe externe formant une double enveloppe dans lequel circule le fluide caloporteur et ledit circuit entourant le conduit de passage.30 De préférence encore, la double enveloppe est disposée sensiblement concentriquement par rapport au conduit de passage. Dans une variante, l'échangeur comprend des plaques d'extrémité s'étendant du conduit de passage à la double enveloppe de sorte à délimiter un espace dans lequel se trouvent 5 les caloducs. De préférence, le milieu compris entre les caloducs, dans l'espace délimité par le conduit de passage, les plaques d'extrémité et le circuit de circulation est de l'air, qui représente un isolant thermique efficace et économique. De préférence, chaque extrémité du conduit de passage présente un moyen de raccordement adapté pour permettre la fixation dudit conduit de passage en série avec un circuit de fluide à refroidir, ce qui permet une installation plus aisée. 15 Dans une variante, les caloducs sont des minicaloducs, afin d'obtenir un échangeur compact. Dans une autre variante les caloducs sont des microcaloducs, afin d'obtenir un échangeur encore plus compact. L'invention a aussi pour objet un moteur à combustion interne comprenant au moins un échangeur de chaleur de l'invention disposé sur un circuit dans lequel circule des gaz d'échappement. 25 L'invention a encore pour objet un véhicule comprenant un moteur à combustion interne de l'invention et en ce que l'échangeur de chaleur coopère avec un dispositif de récupération d'énergie par cycle de Rankine qui utilise les gaz d'échappement comme source chaude. 30 Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : - La figure 1 est une représentation schématique d'un moteur à combustion interne équipé d'une ligne d'échappement sur laquelle est disposé un échangeur de l'invention. 10 20 35 - La figure 2 est une représentation schématique en coupe transversal de l'échangeur de l'invention selon le plan A-A référencé en figure 1. -La figure 3 est une représentation schématique en section d'un caloduc et de son agencement dans l'échangeur. - La figure 4 est une représentation schématique d'un moteur à combustion interne équipé d'une boucle de recirculation des gaz d'échappement sur laquelle est disposé un échangeur de l'invention. -Figure 5 : représentation schématique d'un microcaloduc de section triangulaire. Description détaillée La figure 1 montre un moteur thermique pouvant être Diesel ou essence, équipé d'une ligne d'admission d'air 1 et une ligne d'échappement 2. Sur la figure 1, la ligne d'admission d'air 1 comprend successivement un filtre à air 3, un compresseur 4, un refroidisseur d'air de suralimentation 5, un répartiteur d'air d'admission 6 permettant de distribuer l'air admis dans les chambres de combustion 7. Sur la figure 1 encore, la ligne d'échappement 2 comprend un collecteur d'échappement 8 pour récupérer les gaz brûlés produits dans les chambres de combustion 7, une turbine de détente 9 qui permet l'entrainement du compresseur 5 par l'intermédiaire d'un axe commun non représenté, et un organe 10 de traitement des gaz brûlés tel qu'un catalyseur ou un filtre à particules. La ligne d'échappement 2 peut comprendre d'autres organes de dépollution des gaz brûlés sans que cela ne porte à conséquence sur l'invention. Un seul organe 10 est représenté par soucis de simplicité. Les différent éléments de la ligne d'échappement 2 (collecteur 8, turbine 9, organe de dépollution 10...) sont reliés par des conduits 11 de liaison. Par ailleurs, le moteur à combustion peut comprendre une boucle 12 de recirculation des gaz brûlés s'étendant de la ligne d'échappement 2 à la ligne d'admission 1 permettant de réintroduire dans la ligne d'admission 1 des gaz brulés prélevés au niveau de la ligne d'échappement 2. Le débit de gaz brulés transitant par la boucle de recirculation 12 est contrôlé par une vanne 13. Il est prévu que la ligne d'échappement 2 comprenne un échangeur 14 de chaleur de l'invention. L'échangeur 14 comprend un conduit 15 de passage des gaz d'échappement. A chaque extrémité, le conduit 15 de passage des gaz d'échappement est relié aux conduits 11 de liaison de la ligne d'échappement 2. A cet effet, le conduit 15 de passage des gaz d'échappement de l'échangeur 14 comprend à chaque extrémité un moyen de raccordement 16 adapté pour permettre la fixation du conduit 15 de passage des gaz d'échappement en série avec les conduits 11 de liaison de la ligne d'échappement 2. Un moyen de raccordement 16 envisageable peut être une bride de fixation. La figure 2 présente l'échangeur 14 en coupe transversale selon un plan A-A indiqué en figure 1, perpendiculaire au conduit 15 de passage. Sur la figure 2, la référence 17 désigne des caloducs. Les caloducs 17 relient le conduit 15 de passage des gaz d'échappement à un circuit 18 de circulation d'un fluide caloporteur. Le circuit 18 de circulation comprend une entrée 19 et une sortie 20 de fluide caloporteur. Conformément à l'invention, les caloducs 17 sont répartis radialement autour du conduit 15 de passage des gaz d'échappement, dans l'exemple selon une disposition en étoile. Avec un agencement tout autour du conduit 15, l'échangeur 14 présente un diamètre très compact et permet le prélèvement dans les gaz d'échappement d'une puissance thermique élevée, de par le nombre de caloducs disposés. Afin d'augmenter encore la puissance thermique prélevée, on peut prévoir plusieurs disposition en étoile le long du conduit 15 de passage comme illustrée schématiquement en figure 1. Avantageusement, le circuit 18 de circulation est périphérique et présente la forme d'une double enveloppe annulaire dans lequel circule le fluide caloporteur. La double enveloppe comporte une enveloppe externe 21 et une enveloppe interne 22 entourant le conduit de passage 15 et les caloducs 17. Pour des raisons de simplicité de réalisation, la double enveloppe est avantageusement disposée sensiblement concentriquement au conduit de passage 15. Il est prévu de plus d'isoler les caloducs 17 de l'environnement extérieur en disposant des plaques 23 et 24 d'extrémité (figure 1) s'étendant du conduit 15 de passage à la double enveloppe du circuit 18 de circulation du fluide caloporteur. Le milieu compris entre les caloducs 17 dans l'espace délimité par le conduit 15, les plaques 23, 24 de fermeture et le circuit 18 de refroidissement est de préférence un bon isolant thermique comme l'air. En raison du choix de cette répartition tout autour du conduit de passage 15 et donc de leur orientation par rapport à la verticale, nous ne pouvons pas utiliser les caloducs assistés par gravité. Nous utilisons ici donc de préférence des caloducs fonctionnant par capillarité. Dans un mode de réalisation avantageux, les caloducs utilisés sont des mini caloducs à capillarité. Un tel mini caloduc utilise un réseau capillaire dans le caloduc. Ce réseau peut être réalisé par des rainures, des mèches ou des poudres métalliques. Les tubes caloducs usuels ont un diamètre de 2 à 8 mm, et une longueur de tube entre 20 et 150 mm. La figure 3 présente de manière plus détaillée la disposition d'un minicaloduc 17 entre le conduit 15 de passage des gaz d'échappement et le circuit 18 de circulation du fluide caloporteur. De manière connue, le minicaloduc 17 est une enceinte hermétique qui renferme un liquide en équilibre avec sa phase vapeur. Le minicaloduc 17 comporte trois parties successives axialement : une première partie d'extrémité formant un évaporateur 30, une deuxième partie d'extrémité formant un condenseur 31 et une partie centrale formant une zone adiabatique 32. Le minicaloduc 17 comprend un réseau capillaire 33 qui peut être par exemple des rainures ou un matériau poreux. Tel que présenté à la figure 3, la première partie formant évaporateur 30 est disposée du coté du conduit 15 de passage des gaz d'échappement, tandis que la seconde partie formant condenseur 31 est disposée du coté du circuit 18 de circulation du fluide caloporteur. Avantageusement, l'évaporateur 30 est en contact sur la paroi extérieure 34 du conduit 15 de passage des gaz d'échappement. L'évaporateur 30 est fixé par un moyen d'adhésion à la paroi extérieure 34 du conduit 15 de passage de gaz. Le moyen d'adhésion est de préférence une soudure par brasage pour une bonne tenue mécanique et un bon contact thermique. Avantageusement, le condenseur 31 traverse l'enveloppe interne 22 du circuit de circulation de manière à être entrant en saillie dans le circuit 18 de circulation du fluide caloporteur, afin de faciliter l'échange de chaleur. Le condenseur 31 peut être associé à des ailettes, non représentées, afin d'améliorer encore plus l'échange thermique. Le choix du type de minicaloduc est réalisé selon la plage d'intérêt de température des gaz d'échappement. La plage de fonctionnement des caloducs en température est choisie entre 150°C et 1050°C. 35 Le fonctionnement est le suivant : la chaleur des gaz d'échappement chauffe le conduit 15. Par conduction, le liquide du minicaloduc 17 s'évapore du coté évaporateur 30 en puisant de la chaleur en provenance des gaz d'échappement. La vapeur présente dans le30 minicaloduc se déplace vers le condenseur 31 où par échange thermique avec le fluide caloporteur circulant dans le circuit 18, elle lui restitue de la chaleur et se condense. Le réseau capillaire 33 permet de ramener le liquide du condenseur 31 vers l'évaporateur 30. Dans un autre mode de réalisation avantageux, les caloducs utilisés sont des microcaloducs. Un microcaloduc est défini comme un caloduc dont le rayon de courbure moyen de l'interface liquide - vapeur est du même ordre de grandeur que le rayon hydraulique du tube. En pratique, un microcaloduc est constitué par un canal non circulaire de 10 µm à 1 mm de diamètre équivalent et de 10 à 20 mm de longueur. La différence essentielle entre un microcaloduc et un minicaloduc provient de l'absence d'une structure capillaire dans le premier. La figure 5 illustre un exemple de microcaloduc 50 de section 51 triangulaire. Le microcaloduc comporte des angles 52 aigus, où le liquide 53 s'accumule sous l'effet des tensions superficielles en formant des ménisques 54 ce qui permet la migration du liquide 53 du condenseur à l'évaporateur par capillarité. Grâce à l'usage des microcaloducs, l'échangeur 14 est encore plus compact et efficace. Il permet en outre d'augmenter la standardisation dans la mesure où l'on utilise des microcaloducs à changement de phases faisant déjà l'objet de développement industriel dans le domaine des micro-ordinateurs. De plus, l'invention ne se limite pas à la disposition en étoile des minicaloducs ou microcaloducs. En effet tout autre agencement géométrique permettant une distribution sensiblement régulière tout autour du conduit 15 de passage des gaz convient, comme par exemple une distribution hélicoïdale. L'essentiel est de profiter au mieux de la surface d'échange offert par la paroi externe du conduit 15 de passage. L'échangeur de l'invention trouve particulièrement à s'appliquer dans le cadre du refroidissement ou de la récupération d'énergie des gaz d'échappement produits par un moteur à combustion interne. Ainsi l'échangeur peut avantageusement être disposé sur un circuit de recirculation de gaz brulés haute pression comme l'illustre la figure 4. L'échangeur de l'invention peut aussi être disposé sur un circuit de recirculation des gaz brûlés dit basse pression, non représenté ici. L'échangeur de l'invention trouve particulièrement à s'appliquer dans un dispositif de récupération d'énergie par cycle de Rankine qui utilise les gaz d'échappement comme source chaude, un tel dispositif de récupération d'énergie pouvant être présent dans un véhicule automobile. L'invention ne se limite pas au refroidissement des gaz d'échappement et peut convenir au refroidissement de tout autre fluide. L'invention présente plusieurs avantages : elle permet un gain en consommation carburant en réduisant les pertes par pompage et en récupérant de l'énergie dissipée sous forme de chaleur, notamment dans les gaz d'échappement. Elle permet d'avoir un échangeur dont le risque d'encrassement est limité dans la mesure où les gaz ne circulent pas dans des canaux de faibles dimensions. L'invention permet encore d'avoir un échangeur qui peut être aisément monté et démonté sur un circuit de fluide à refroidir, ce qui permet un gain de temps en industrialisation et en maintenance. L'échangeur de l'invention permet d'échanger des flux thermiques élevés, ce qui autorise une conception compacte et peut donc être facilement embarqué sur un véhicule automobile dont l'espace disponible est de plus en plus restreint. REVENDICATIONS1. Echangeur de chaleur comprenant un circuit de circulation (18) d'un fluide caloporteur, caractérisé en ce qu'il comprend un conduit de passage (15) d'un fluide à refroidir, une pluralité de caloducs (17) fonctionnant par capillarité répartis radialement autour du conduit de passage (15), dont le coté évaporateur (30) est en contact avec la paroi extérieure (34) dudit conduit de passage (15), le coté condenseur (31) des caloducs étant en contact avec le circuit de circulation (18), reliant ainsi le conduit de passage (15) au circuit de circulation (18). 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le coté évaporateur (30) des caloducs est assemblé par un moyen d'adhésion à la paroi extérieure (34) du conduit de passage (15). 3. Echangeur selon l'un quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le coté condenseur (31) des caloducs est entrant en saillie dans le circuit de circulation (18). 4. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de circulation (18) de fluide caloporteur comprend une enveloppe interne (22) et une enveloppe externe (21) formant une double enveloppe dans lequel circule le fluide caloporteur et ledit circuit (18) entourant le conduit de passage (15). 5. Echangeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la double enveloppe est disposée sensiblement concentriquement par rapport au conduit de passage (15). 6. Echangeur selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend des plaques d'extrémité (23, 24) s'étendant du conduit de passage (15) à la double enveloppe de sorte à délimiter un espace dans lequel se trouvent les caloducs (17) . 7. Echangeur selon la revendication selon la revendication 6, caractérisé en ce que le milieu compris entre les caloducs (17), dans l'espace délimité par le conduit de passage (15), les plaques d'extrémité (23, 24) et le circuit de circulation (18) est de l'air. 8. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque extrémité du conduit de passage (15) présente un moyen de raccordement (16) adapté pour permettre la fixation dudit conduit de passage (15) en série avec un circuit de fluide à refroidir. 9. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les caloducs (17) sont des minicaloducs. 10. Echangeur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les caloducs (17) sont des microcaloducs. 11. Moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes disposé sur un circuit (2, 12) dans lequel circule des gaz d'échappement. 12. Véhicule caractérisé en ce qu'il comprend un moteur à combustion interne selon la revendication 11 et en ce que l'échangeur de chaleur coopère avec un dispositif de récupération d'énergie par cycle de Rankine qui utilise les gaz d'échappement comme source chaude.