Brevet FR3000188A1 — publié le 20140627

Élément d'échange thermique, et échangeur thermique correspondant L'invention a trait à un échangeur thermique entre au moins un premier fluide et un second fluide, par exemple utilisé dans le domaine automobile et plus particulièrement à un échangeur thermique comprenant une pluralité de canaux destinés à la circulation du premier fluide. L'invention concerne en particulier un élément d'échange thermique d'un échangeur thermique. Un échangeur thermique a pour fonction d'assurer un échange thermique entre un premier fluide en circulation à l'intérieur d'une pluralité de canaux et un fluide extérieur traversant l'échangeur thermique. Dans le cas d'un système de climatisation de véhicule automobile, le fluide extérieur peut être un flux gazeux tel que de l'air destiné à être soufflé dans l'habitacle du véhicule. L'échange thermique permet de rafraîchir l'air soufflé. Les canaux débouchent classiquement dans des collecteurs qui ont notamment 15 pour fonction de permettre une communication de fluide entre tous les canaux ou partie de cette pluralité de canaux. L'échangeur thermique est relié au reste d'un circuit de circulation de fluide, par exemple un circuit de climatisation pour véhicule automobile. La circulation du fluide à l'intérieur du circuit est assurée par un compresseur entraîné directement par le moteur 20 du véhicule automobile. Par conséquent, lorsque le moteur du véhicule est arrêté, la circulation du fluide dans le circuit n'a plus lieu, et l'échange thermique entre l'air et le premier fluide ne peut s'opérer. L'air soufflé dans l'habitacle du véhicule n'est alors plus rafraîchi. Cette situation est d'autant plus problématique que des systèmes d'économie de carburant 25 récents prévoient l'arrêt automatique du moteur lorsque la voiture s'immobilise, privant fréquemment l'habitacle d'air rafraîchi. Il est connu de pourvoir un échangeur thermique de réservoirs de matériau de stockage thermique pour un échange thermique entre le premier fluide et le matériau de stockage thermique. Le premier fluide peut être un fluide réfrigérant. Et, le matériau de stockage 5 thermique peut être un matériau de stockage de frigories. En outre, il peut prendre la forme d'un matériau solide, liquide, ou à changement de phase connu sous le sigle PCM pour l'anglais « Phase Change Material ». Ainsi, lorsque le moteur du véhicule est en marche, le fluide réfrigérant refroidit à la fois l'air traversant l'échangeur thermique et le matériau de stockage thermique. Le 10 matériau de stockage thermique restitue le froid (plus précisément des frigories) à l'air traversant l'échangeur thermique, lorsque le moteur est coupé. Selon une solution connue, le faisceau de l'échangeur thermique comprend une pluralité d'éléments d'échange thermique, pouvant être aussi qualifiés de tubes, formés d'au moins une première plaque et une deuxième plaque également appelées plaques 15 réfrigérantes, et d'une plaque de séparation intercalée entre les première et deuxième plaques réfrigérantes. Les première et deuxième plaques réfrigérantes présentent respectivement au moins un canal de circulation d'un premier fluide et au moins un réservoir du matériau de stockage thermique. La plaque de séparation présente quant à elle une pluralité 20 d'orifices permettant de mettre en communication le ou les canaux de circulation de la première plaque respectivement avec un canal de la deuxième plaque, ou de mettre en communication les réservoirs des deux plaques. Toutefois, l'assemblage des deux plaques réfrigérantes et de la plaque de séparation augmente l'épaisseur du tube par rapport à un évaporateur classique, 25 notamment environ de 20% ce qui augmente la perte de charge sur l'air. De plus, les canaux de circulation peuvent présenter des oscillations et les deux plaques réfrigérantes peuvent être agencées en opposition, de sorte que les oscillations des canaux des deux plaques sont en opposition de phase. Un tel design entraîne une répartition de pression non homogène au sein du tube. Ceci impose une épaisseur matière importante pour les composants tels que la plaque de 5 séparation. En outre, le remplissage du matériau de stockage peut être réalisé à l'aide d'au moins un orifice alimentant un réservoir central et une pluralité de trous supplémentaires par exemple oblongs sont agencés sur la plaque de séparation en recouvrement avec des réservoirs latéraux des deux plaques réfrigérantes de sorte que le 10 remplissage du réservoir central assure le remplissage des réservoirs latéraux des deux plaques. Pour augmenter la performance de l'échangeur thermique, les sections hydrauliques réfrigérantes devraient être augmentées. Toutefois, du fait du remplissage en un point des réservoirs avec le matériau de stockage thermique, chaque élément 15 d'échange thermique présente des zones de recouvrement des réservoirs au droit desquelles la plaque de séparation comprend des trous oblongs. Une telle contrainte empêche par conséquent d'augmenter la section hydraulique réfrigérante nécessaire à l'augmentation de la performance thermique de l'échangeur. Selon une autre solution connue, les éléments d'échange thermique sont 20 respectivement formés par l'assemblage d'une paire de plaques. Chaque plaque comportant respectivement au moins un canal de circulation du premier fluide et au moins un réservoir d'un matériau de stockage thermique pour un échange thermique entre le premier fluide et le matériau de stockage thermique. En particulier, il est connu que les plaques présentent respectivement deux canaux externes de circulation du 25 premier fluide et un réservoir intermédiaire d'un matériau de stockage thermique agencé entre les deux canaux de circulation. Les canaux et les réservoirs sont par exemple réalisés par emboutissage et s'étendent de façon sensiblement rectilignes. Cependant, un tel échangeur thermique peut ne pas atteindre un certain niveau de performance requis par les constructeurs automobiles. Pour répondre à une telle exigence, l'une des solutions connues de l'art antérieur propose de disposer des excroissances sur les canaux destinés à la circulation du 5 premier fluide. Toutefois cette solution peut ne pas être optimale en termes de performance. De plus, la localisation des trois compartiments, deux pour le premier fluide et un pour le matériau de stockage au centre associés à la hauteur d'emboutissage, empêche la réduction d'épaisseur matière au-delà d'une certaine valeur limitant ainsi les réductions 10 de poids, d'encombrement et de coût. L'invention a donc pour objectif de proposer un échangeur thermique avec une performance améliorée palliant au moins partiellement aux inconvénients de l'art antérieur. À cet effet, l'invention a pour objet un élément d'échange thermique comprenant 15 au moins deux plaques assemblées, lesdites plaques présentant respectivement au moins un canal de circulation du premier fluide et au moins un réservoir d'un matériau de stockage thermique, caractérisé en ce que l'élément d'échange thermique comporte en outre au moins une ailette interne agencée entre lesdites deux plaques. 20 Ainsi, la présence de l'ailette interne entre les deux plaques assure une tenue mécanique aux deux plaques de part et d'autre de l'ailette interne permettant de diminuer les épaisseurs des plaques formant l'élément d'échange thermique. Cette ailette favorise la congélation du matériau de stockage thermique dans les réservoirs des plaques. 25 L'agencement de l'ailette interne entre les deux plaques formant l'échangeur thermique permet ainsi d'améliorer la performance de l'échangeur thermique. Ledit élément d'échange thermique peut en outre comporter une ou plusieurs caractéristiques suivantes, prises séparément ou en combinaison : - ladite au moins une ailette est brasée aux deux plaques de part et d'autre de l'ailette ; lesdites plaques présentent respectivement deux canaux de circulation du premier fluide et un réservoir intermédiaire d'un matériau de stockage thermique agencé entre les deux canaux de circulation ; ladite au moins une ailette présente deux portions externes agencées respectivement en vis-à-vis de canaux de circulation des deux plaques et une portion centrale agencée en vis-à-vis des réservoirs ; - ladite au moins une ailette est sensiblement ondulée ; lesdites portions externes et centrale de ladite au moins une ailette sont sensiblement ondulées et ladite au moins une ailette comprend des portions de séparation sensiblement planes entre lesdites portions ondulées ; ledit élément d'échange thermique présente des zones de jonction étanches entre d'une part deux canaux de circulation en vis-à-vis des deux plaques et d'autre part deux réservoirs en vis-à-vis des deux plaques ; les canaux destinés à la circulation du premier fluide et les réservoirs destinés à recevoir le matériau de stockage thermique desdites plaques sont réalisés par emboutissage. L'invention a aussi pour objet un échangeur thermique entre au moins des premier et second fluides, comportant un faisceau pourvu d'au moins un élément d'échange thermique tel que défini précédemment. Selon un aspect de l'invention, ledit échangeur est utilisé comme évaporateur dans un circuit de climatisation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, 5 et des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'un échangeur thermique selon l'invention, - la figure 2 est une vue partiellement éclatée de l'échangeur thermique de la figure 1, - la figure 3 est une vue en perspective d'un intercalaire de l'échangeur thermique de la figure 1, 10 - la figure 4a est une vue en perspective éclatée d'un élément d'échange thermique de l'échangeur thermique de la figure 1, - la figure 4b est une vue partiellement assemblée de l'élément d'échange thermique de la figure 4a, - la figure 5 est une vue en perspective d'une ailette interne de l'élément d'échange 15 thermique des figures 4a et 4b, et - la figure 6 est une vue en coupe de l'élément d'échange thermique des figures 4a et 4b. Dans ces figures, les éléments sensiblement identiques portent les mêmes références. 20 La figure 1 est une vue schématique d'un échangeur thermique selon l'invention. Cet échangeur thermique peut être notamment utilisé en tant qu'évaporateur d'un circuit de climatisation d'un véhicule automobile. En fonctionnement, l'échangeur thermique 1 permet un échange thermique entre un premier fluide, tel qu'un fluide caloporteur, et un second fluide, tel qu'un flux gazeux comme un flux d'air traversant l'échangeur thermique 1, comme schématisé par la flèche A sur la figure 1. L'échangeur thermique 1 permet une circulation du fluide caloporteur en une ou plusieurs passes. Selon l'exemple représenté sur la figure 1, la circulation du fluide caloporteur se fait en six passes : Pl, P2, P3, P4, P5, P6. Le sens de circulation du fluide caloporteur est schématisé par des flèches. Bien entendu, d'autres circulation du fluide caloporteur peuvent être prévues, par exemple une circulation en quatre passes. Selon l'exemple illustré, l'échangeur thermique 1 présente une forme générale sensiblement parallélépipédique. L'échangeur thermique 1 comprend un faisceau d'éléments d'échange thermique 3, ces derniers étant destinés à contenir d'une part un fluide caloporteur et d'autre part un matériau de stockage thermique. Le fluide caloporteur peut être un fluide réfrigérant, par exemple du R134a. Le matériau de stockage thermique peut être un matériau de stockage de frigories. En outre, il peut prendre la forme d'un matériau solide, liquide, ou à changement de phase connu sous le sigle PCM pour l'anglais « Phase Change Material ». Comme visible sur les figures 1 et 2, le faisceau comprend un empilement 20 successif d'éléments d'échange thermique 3 disposés alignés, tels que des tubes d'échange thermique 3. Ce faisceau présente en outre selon le mode de réalisation illustré deux plaques de fermeture 5 à ses extrémités longitudinales de part et d'autre des tubes d'échange thermique 3. Au moins une plaque de fermeture 5 présente des orifices 7 débouchant 25 dans des tubulures 9 pour l'alimentation en fluide caloporteur et le refoulement du fluide caloporteur. Sur la figure 1, seule l'une des plaques de fermeture 5 comprend une tubulure d'entrée et une tubulure de sortie 9. L'échangeur 1 peut comprendre en outre des intercalaires d'échange thermique 21 (cf figure 3), disposés à chaque fois entre deux tubes d'échange thermique 3 adjacents. Ici, un intercalaire 21 est à chaque fois disposé dans l'espace laissé libre entre deux tubes d'échange thermique 3. L'intercalaire 21 a pour fonction d'augmenter la surface d'échange thermique entre un matériau de stockage thermique, un fluide caloporteur contenus dans les tubes d'échange thermique 3 et un flux gazeux, tel que le flux d'air A extérieur qui traverse l'échangeur thermique 1. Les intercalaires 21 peuvent être formés à partir d'un feuillard métallique, par exemple en alliage d'aluminium. Les tubes d'échange thermique 3 et les intercalaires 21 peuvent être brasés ensemble. Les intercalaires 21 présentent par exemple une forme générale sensiblement ondulée. En référence aux figures 1 et 3, un intercalaire 21 comprend un nombre prédéfini de parois planes 23. Les parois planes 23 sont sensiblement rectangulaires. Ces parois planes 23 sont sensiblement parallèles et sont reliées deux à deux par des plis 25. Dans le cas d'un intercalaire 21 ondulé comme dans l'exemple illustré, les plis 25 sont sensiblement arrondis et les parois planes 23 sont reliées deux à deux par des plis 25 de manière à former des ondulations alternées. Les intercalaires 21 peuvent être fixés aux tubes d'échange 3 par leurs plis 25 respectifs, par exemple par brasage. En outre, les parois planes 23 comportent une pluralité de persiennes 27 sensiblement inclinées par rapport au plan général P défini par les parois planes 23. Les 25 persiennes 27 peuvent être réalisées par découpe et pliage du matériau métallique de l'intercalaire 21. Les persiennes 27 définissent donc des ouvertures selon un angle d'ouverture donné, à travers lesquelles passe le flux gazeux, ce qui augmente la surface d'échange thermique. Les persiennes 27 créent des perturbations du flux d'air A traversant l'échangeur thermique 1, favorisant ainsi l'échange thermique. On peut prévoir deux groupes de persiennes 27 présentant une orientation respective. Les persiennes 27 d'un même groupe peuvent être sensiblement identiques. De plus, ces persiennes 27 peuvent s'étendre sur toute la hauteur de la paroi plane 23. En se référant aux figures 4a, 4b, le tube d'échange thermique 3 comprend une 10 paire de plaques 29. Les éléments ou tubes d'échange thermique 3 sont reliés les uns aux autres en communication de fluide par l'intermédiaire de brides de jonction 30 ménagées sur les parties d'extrémité des plaques 29. Les brides de jonction 30 sont issues de matière de préférence par emboutissage de sorte qu'elles forment respectivement un anneau faisant 15 saillie hors du plan de la plaque et délimitant un orifice35. La première et la deuxième plaques 29 sont selon cet exemple sensiblement rectangulaires. La première et la deuxième plaques 29 peuvent être des plaques embouties. Les deux plaques embouties 29 peuvent être réalisées à partir de plaques métalliques. 20 Les deux plaques 29 comportent respectivement au moins un canal 31 pour le fluide caloporteur et un réservoir 33 du matériau de stockage thermique. Le réservoir 33 est distinct du canal 31 de circulation du fluide caloporteur. Les plaques 29 peuvent présenter respectivement une zone sensiblement plane 34 entre les bords d'un canal 31 de circulation de fluide caloporteur et les bords d'un 25 réservoir 33. Selon le mode de réalisation décrit, les plaques 29 comportent respectivement deux canaux 31 pour le fluide caloporteur et un réservoir intermédiaire 33 agencé entre les deux canaux 31. Ainsi, lorsque du fluide caloporteur circule dans les deux canaux, ces deux parties de fluide sont séparées par le matériau de stockage thermique dans le réservoir 33. Les canaux 31 sont par exemple réalisés par emboutissage. Selon l'exemple illustré, les canaux 31 s'étendent de façon sensiblement rectiligne. Les canaux 31 peuvent être sensiblement identiques. Le réservoir 33 intermédiaire peut présenter des dimensions identiques à celles des deux canaux 31. De 10 façon similaire aux canaux 31, le réservoir 33 peut s'étendre de façon sensiblement rectiligne. Le réservoir 33 est agencé en contact avec au moins un canal 31 pour un échange thermique entre le matériau de stockage et le fluide caloporteur. Les plaques 29 présentent respectivement au moins deux orifices 35 d'entrée et 15 de sortie pour le fluide caloporteur. Dans l'exemple illustré, une plaque 29 comporte quatre orifices 35 aux extrémités des canaux 31. Ces orifices 35 présentent par exemple une forme sensiblement ovoïde. Les plaques 29 comportent en outre respectivement des orifices 37, deux dans l'exemple illustré, permettant le remplissage en matériau de stockage thermique du 20 réservoir 33. Entre les première et deuxième plaques 29, est intercalée une ailette interne 39. Cette ailette interne 39 peut être brasée aux plaques 29. L'ailette interne 39 peut présenter des ondulations. Dans ce cas, les crêtes des ondulations peuvent être brasées respectivement aux plaques 29. 25 L'ailette interne 39 doit donc être dimensionnée en hauteur pour que chaque crête puisse se braser sur les plaques 29 entre lesquelles elle est agencée. À titre d'exemple, l'épaisseur de l'ailette 39 est comprise entre 50 et 100 p.m. Un tube d'échange thermique 3 est donc réalisé dans ce mode de réalisation par la juxtaposition de deux plaques 29 et d'une ailette 39 intercalée. L'ailette 39 présente au moins une première portion 41 en vis-à-vis d'un canal 31 de circulation du fluide caloporteur et au moins une deuxième portion 43 en vis-à-vis du réservoir 33. Selon l'exemple illustré, l'ailette interne 39 présente trois portions : deux premières portions externes 41 en vis-à-vis des canaux 31 de circulation du fluide caloporteur, séparées par une deuxième portion centrale 43 en vis-à-vis du réservoir 33. Comme dit précédemment l'ailette interne 39 peut être ondulée, dans ce cas l'ailette interne peut présenter des ondulations au niveau de ces portions 41, 43 en vis-à-vis des canaux 31 ou des réservoirs 33 des plaques 29, et présenter des parties sensiblement planes 45 entre ces parties 41, 43 d'ailette. Ces parties planes 45 sont agencées sensiblement en regard des zones planes 34 des plaques 29 lorsque le tube d'échange thermique 3 est assemblé. Bien sûr d'autres variantes de réalisation de l'ailette interne 39 sont envisageables. Par exemple, on peut prévoir que les portions externes 41 de l'ailette interne 39 soient sensiblement ondulées et que la portion centrale 43 soit sensiblement plane. Le pas des ondulations peut ainsi varier selon leur localisation par rapport aux portions de tube. Selon le mode de réalisation décrit, le tube d'échange thermique 3 assemblé présente ainsi trois parties distinctes mieux visibles sur la figure 6 : deux parties extrêmes formées par les canaux de circulation 31 des plaques 29 et des premières portions 41 de l'intercalaire interne 39, et une partie centrale formée par les réservoirs 33 des plaques 29 et de la deuxième portion 43 de l'ailette interne 39 intercalée. La présence de l'ailette 39 entre les canaux 31 des plaques 29 et entre les réservoirs 33 de matériau de stockage thermique permet d'améliorer l'échange thermique entre le fluide caloporteur et le matériau de stockage thermique. Ceci favorise la congélation proche en proche du matériau de stockage thermique, par exemple un matériau à changement de phase dit PCM. La congélation complète du matériau PCM est donc favorisée. Le tube d'échange thermique 3 peut présenter des zones de liaison 47 entre ces trois portions. Ces zones de liaison 47 sont formées par les zones planes 34 des plaques 29 Une fois les première et deuxième plaques 29 apposées de part et d'autre de l'ailette interne 39, et assemblées par exemple par brasage ces trois portions sont 10 séparées de façon étanche. Une telle ailette interne 39 apporte une tenue mécanique au tube d'échange thermique 3. L'ailette 39, par exemple brasée aux plaques 29 de part et d'autre de l'ailette 39, apporte une raideur qui évite la déformation des plaques 29 lorsque le tube 15 d'échange thermique 3 est soumis à une pression. Ci-dessus on a décrit une ailette interne 39 réalisée d'une seule pièce. On pourrait prévoir selon une variante non représentée plusieurs ailettes internes distinctes respectivement intercalées entre des canaux de circulation 31, externe selon cet exemple, et entre les réservoirs 33 de matériau de stockage thermique. 20 REVENDICATIONS1. Élément d'échange thermique (3) comprenant au moins deux plaques (29) assemblées, lesdites plaques (29) présentant respectivement au moins un canal (31) destiné à la circulation (31) d'un premier fluide et au moins un réservoir (33) destiné à contenir un matériau de stockage thermique, caractérisé en ce que l'élément d'échange thermique (3) comporte en outre au moins une ailette interne (39) agencée entre lesdites deux plaques (29). 2. Élément d'échange thermique selon la revendication 1, dans lequel ladite au moins une ailette (39) est brasée aux deux plaques (29) de part et d'autre de l'ailette (39). 3. Élément d'échange thermique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites plaques (29) présentent respectivement deux canaux de circulation (31) du premier fluide et un réservoir (33) intermédiaire d'un matériau de stockage thermique agencé entre les deux canaux de circulation (31). 4. Élément d'échange thermique selon la revendication précédente, dans lequel ladite au moins une ailette (39) présente deux portions externes (41) agencées respectivement en vis-à-vis de canaux de circulation (31) des deux plaques (29) et une portion centrale (43) agencée en vis-à-vis des réservoirs (33). 5. Élément d'échange thermique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins une ailette (39) est sensiblement ondulée. 6. Élément d'échange thermique selon les revendications 5 et 6, dans lequel lesdites portions externes (41) et centrale (43) de ladite au moins une ailette (39) sont sensiblement ondulées et ladite au moins une ailette (39) comprend des portions de séparation sensiblement planes (45) entre lesdites portions ondulées (41, 43). 7. Élément d'échange thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, présentant des zones de liaison (47) étanches entre d'une part deux canaux decirculation (31) en vis-à-vis des deux plaques (29) et d'autre part deux réservoirs (33) en vis-à-vis des deux plaques (29). 8. Élément d'échange thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les canaux (31) destinés à la circulation du premier fluide et les réservoirs (33) destinés à recevoir le matériau de stockage thermique desdites plaques (29) sont réalisés par emboutissage. 9. Échangeur thermique (1) entre au moins des premier et second fluides, comportant un faisceau pourvu d'au moins un élément d'échange thermique (3) conforme à l'une quelconque des revendications précédentes. 10. Échangeur thermique selon la revendication précédente, utilisé comme évaporateur dans un circuit de climatisation.