Brevet FR3030994A1 — publié le 20160624

Dispositif électrique de chauffage d'au moins un fluide pour véhicule automobile et installation de chauffage, ventilation et/ou climatisation comportant ce même dispositif Domaine technique de l'invention L'invention concerne un dispositif électrique de chauffage d'au moins un fluide caloporteur pour véhicule automobile ainsi qu'une installation de chauffage, ventilation et/ou climatisation comportant ce même dispositif. Art antérieur et problème technique De façon habituelle, le réchauffage de l'air destiné soit au chauffage de l'habitacle d'un véhicule automobile, et/ou encore permettant un désembuage ou dégivrage, est assuré par le passage d'un flux d'air à travers un échangeur thermique, plus précisément par un échange thermique entre le flux d'air et un fluide caloporteur circulant dans l'échangeur de chaleur. Il s'agit généralement du liquide de refroidissement du circuit d'un moteur thermique du véhicule automobile. Toutefois, ce mode de chauffage peut s'avérer inadapté ou insuffisant pour garantir un chauffage rapide et efficace de l'habitacle du véhicule, en particulier pour assurer un réchauffement de l'habitacle ou dégivrage ou désembuage lors du démarrage du véhicule en environnement très froid ou encore lorsqu'une montée très rapide de la température est souhaitée. Par ailleurs, dans le cas d'un véhicule électrique, la fonction de chauffage n'est plus réalisée par la circulation d'un liquide de refroidissement dans l'échangeur thermique. Dans un tel cas, il peut être prévu un circuit d'eau pour le chauffage de l'habitacle. Cependant, ce mode de chauffage peut, lui aussi, s'avérer inadapté ou insuffisant pour garantir un chauffage rapide et efficace de l'habitacle du véhicule. Par ailleurs, afin de réduire l'encombrement et le coût du fait du circuit d'eau supplémentaire, il est également connu d'utiliser pour un véhicule électrique, une boucle de climatisation fonctionnant en mode de pompe à chaleur. Ainsi, la boucle de climatisation permettant classiquement de refroidir un flux d'air à l'aide d'un fluide réfrigérant, est dans ce cas utilisée de façon à réchauffer le flux d'air. Il convient pour ce faire d'utiliser un évaporateur de la boucle de climatisation comme un condenseur. Toutefois, ce mode de chauffage peut encore s'avérer inadapté ou insuffisant. En effet, les performances de la boucle de climatisation en mode de pompe à chaleur dépendent des conditions climatiques extérieures. Par exemple, lorsque l'air extérieur présente une température trop basse, cet air ne pourra pas être utilisé comme source d'énergie thermique. Pour pallier ces inconvénients de l'art antérieur, une solution connue consiste à adjoindre à l'échangeur thermique ou au circuit de fluide caloporteur ou encore à la boucle de climatisation, un dispositif électrique additionnel de conditionnement thermique du fluide tel qu'un dispositif électrique de chauffage. Un tel dispositif électrique de chauffage électrique peut être adapté pour chauffer en amont le fluide caloporteur, tel que le liquide de refroidissement dans le cas d'un véhicule thermique, ou l'eau pour le circuit d'eau de chauffage de l'habitacle dans le cas d'un véhicule électrique. Les dispositifs de chauffage connus comportent un élément chauffant comme par exemple un tube avec des pistes résistives chauffantes agencées sur ses parois. Le fluide circule dans l'enceinte du tube et est réchauffé par les pistes résistives. Toutefois les modules chauffants connus à ce jour correspondent à des tubes droits et le fluide qui circule à travers l'espace intérieur de ces tubes va donc adopter une trajectoire droite (rectiligne) limitant ainsi les échanges thermiques entre l'élément chauffant et le fluide. Exposé de l'invention La présente invention a pour objectif de résoudre au moins partiellement l'un de ces inconvénients et d'améliorer les échanges thermiques entre le module chauffant et le fluide caloporteur, en proposant un dispositif électrique de chauffage électrique d'un fluide caloporteur pour véhicule automobile comprenant au moins un module chauffant et au moins un circuit de guidage du fluide. Selon l'invention, le module chauffant comprend au moins un tube en serpentin. Ainsi, avec un tel dispositif, le fluide caloporteur adopte une circulation hélicoïdale et reste en contact avec les parois du module chauffant plus fréquemment conformément à un effet centrifuge assurant une constante pression dynamique du fluide. De plus, pour une même hauteur entre un tube droit et un tube en serpentin, le fluide circulant dans le dernier traverse une distance plus grande ce qui permet d'augmenter le temps d'exposition du fluide aux parois du module chauffant et d'améliorer ainsi les transferts thermiques. Enfin, le fluide entrant en collision plus facilement avec les parois du tube en serpentin, cela permet de casser les films de fluide statiques qui sont souvent présents à proximité des parois lors de l'écoulement d'un fluide dans un tube droit. Des modes de réalisations particuliers selon l'invention proposent que : - le module chauffant comporte en outre au moins une piste résistive agencée sur les parois externes du tube en spirale ; - ladite au moins une piste résistive est sérigraphiée ; - ladite au moins une piste résistive est agencée sur les parois externes du tube en spirale et que le fluide est apte à circuler à l'intérieur dudit tube ; - le tube en spirale a un diamètre de section D compris entre 2 mm et 50 mm ; - le tube en spirale a un nombre de spire (Ns) compris entre 4 et 50; - le tube en spirale a un rayon de spire (Rs) compris entre 2 mm et 150 mm. L'invention concerne également une installation de chauffage, ventilation et/ou 25 climatisation comprenant un dispositif électrique de chauffage comme décrit précédemment. Brève description des figures 30 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent : - La figure 1, illustre une vue éclatée d'un dispositif électrique de chauffage selon l'art antérieur ; - Les figure 2a et 2b illustrent le module chauffant selon un premier mode de réalisation selon une vue de côté et une vue de haut respectivement ; - La figure 3 illustre une vue éclatée du dispositif électrique de chauffage selon l'invention selon un mode de réalisation ; - La figure 4 illustre le module chauffant selon un autre mode de réalisation ; - La figure 5 illustre le module chauffant selon un autre mode de réalisation ; - La figure 6 illustre le module chauffant selon un autre mode de réalisation ; - La figure 7 illustre le module chauffant selon un autre mode de réalisation. Description détaillée de l'art antérieur Comme illustré sur la figure 1, un dispositif électrique de chauffage 2 selon l'art antérieur comprend un corps de chauffe comportant un ou plusieurs, ici deux, modules de chauffe 3 ayant la forme de tubes droits 5a et 5b. Le dispositif électrique de chauffage 2 comprend aussi un moyen de commande 11, alimenté par un câble électrique 18, pour contrôler le fonctionnement des modules de chauffe 3. Le moyen de commande 11 peut, par exemple, prendre la forme d'un circuit imprimé, type PCB (de l'anglais « printed circuit board »), et commander, ainsi, l'alimentation électrique des modules de chauffe 3. Le dispositif électrique de chauffage 2 tel que représenté sur la figure 1, comprend aussi un boîtier 4 réceptionnant le ou les modules de chauffe 3 ainsi que le circuit imprimé 11. Le boîtier 4, tel que représenté sur la figure 1, permet de guider un fluide caloporteur vers les deux modules de chauffe 3 afin que ce fluide caloporteur soit chauffé par les modules de chauffe 3. Le boîtier 4 comprend en outre une entrée de fluide 8a, ici réalisée sous la forme d'une tubulure, prévue pour l'admission du fluide à chauffer, et au moins une sortie de fluide 8b et/ou 8c, aussi réalisées sous la forme d'une tubulure, prévue pour évacuer le fluide caloporteur réchauffé par les modules de chauffe 3. Cet écoulement est représenté par les flèches 31 à 35 sur la figure 1. Le fluide caloporteur peut provenir par exemple d'un circuit d'eau d'une installation de climatisation, chauffage ou ventilation. Le boîtier 4 comprend aussi une paroi de fond de boîtier 10 qui permet d'isoler le circuit imprimé 11 dans un espace fermé. Le boîtier 4 présente des parois étanches auxquelles peuvent être adjoints 5 des moyens d'étanchéité, comme par exemple des joints en élastomère, afin d'éviter toute infiltration de l'extérieur vers l'intérieur du dispositif. Comme représenté sur la figure 1, le fluide caloporteur est admis par l'entrée de fluide 8a et passe dans une partie du boîtier 4, à savoir une chambre de 10 distribution 12, conçue de manière à répartir le fluide caloporteur dans l'ensemble de l'espace définie par la chambre de distribution 12. Le fluide caloporteur est alors séparé en deux flux qui sont dirigés au travers des deux modules de chauffe 3, ici réalisés sous la forme de cylindres creux 5a et 5b, afin d'être réchauffé. Le fluide caloporteur réchauffé est alors acheminé dans une autre partie du boîtier 4 à savoir 15 le collecteur 14. Le fluide caloporteur est ensuite évacué par une ou plusieurs sorties de fluide 8b et/ou 8c, comme représenté par les flèches 34 et 35 sur la figure 1. Le circuit de guidage du fluide caloporteur du dispositif électrique de chauffage 2 est compartimenté en trois parties à savoir, la chambre de distribution 12, le module chauffant 3 et la chambre de collecte 14 avec le fluide caloporteur circulant à travers 20 ces trois parties. Description détaillée des modes de réalisation L'invention comporte des éléments similaires à l'art antérieur, ainsi nous allons 25 conserver les mêmes références numérales pour désigner les mêmes objets par souci de compréhension. La figure 2a illustre le module chauffant selon l'invention selon une vue de côté selon un premier mode de réalisation. Le module chauffant 20 comprend un 30 tube en serpentin 22, par exemple réalisé en inox, le terme tube en serpentin englobe tout tube enroulé en spiral, en hélice, en bobine, en torsade, en colimaçon ou toute autre forme combinant une translation selon un axe et une rotation autour de ce même axe. La figure 2b illustre ce même mode de réalisation selon une vue de haut. Tel qu'illustré sur les figures 2a et 2b, le tube en serpentin 22 a une forme hélicoïdale définie par une translation selon un axe Z et une rotation autour de ce même axe sur une hauteur H. Le tube en serpentin peut aussi se définir par une succession de spires 23 où chaque spire 23 correspond à une boucle ouverte où le tube en serpentin 22 réalise une révolution complète autour de l'axe z (3600) pour une hauteur donnée que nous appellerons un pas de spire Ps. Le tube en serpentin 22 a un nombre de spire Ns en fonction de la hauteur attribuée au dispositif électrique de chauffage 2. Préférentiellement, ce nombre de spire Ns est compris entre 4 et 25. La translation selon l'axe Z s'étend sur une hauteur H du tube et la rotation autour de l'axe Z est définie par un rayon de spire Rs comme illustré sur les figures 2a et 2b. Toujours selon le même mode de réalisation, le tube en serpentin 22 est représenté selon un enroulement régulier c'est-à-dire selon une rotation uniforme et une translation uniforme. La rotation uniforme implique que toutes les spires présentent un même rayon de spire Rs constant. Autrement dit, les parois externes du tube restent éloignées d'un centre fictif C selon une distance constante, à savoir le rayon de spire Rs qui est compris entre 2 mm et 150 mm. La translation uniforme implique que le tube en serpentin 22 présente un pas de spire Ps constant pour chaque révolution de spire. Il est envisageable selon un mode de réalisation non illustré que le tube en serpentin 22 présente une rotation autour de l'axe z non-uniforme. Autrement dit, les parois externes du tube en serpentin 22 s'éloignent plus ou moins du centre C selon un rayon de spire Rs variable. Il est aussi envisageable, selon un autre mode de réalisation non illustré, que le tube en serpentin 22 soit enroulé de manière irrégulière de manière à définir des pas de spire Ps variables. Bien évidemment, il est possible de combiner ces deux modes de réalisation. Le tube en serpentin 22 comprend sur ses parois externes des pistes résistives 24, ici grisées, qui chauffent lorsqu'un courant d'alimentation traverse lesdites pistes. Les pistes résistives 24 peuvent être incorporées sur les parois externes du tube en serpentin 22 par sérigraphie ou par toute autre technique équivalente. Le tube en serpentin 22, tel que représenté sur la figure 2a, correspond à un tube qui présente une section circulaire d'un diamètre de section D compris entre 2 mm et 50 mm de manière à ce que le fluide caloporteur soit apte à circuler à travers l'enceinte du tube pour y être réchauffé par les pistes résistives 24 agencées sur les parois externes. La figure 3 illustre le dispositif électrique de chauffage 2 comprenant le module chauffant 20 illustré aux figures 2a et 2b. Le fluide caloporteur est introduit dans le dispositif électrique de chauffage 2 par une tubulure d'entrée 8a, il traverse la chambre de distribution 12, est séparé en deux flux de fluide caloporteur qui sont orientés vers deux modules chauffants 20. Chaque flux de fluide caloporteur est introduit dans un tube en serpentin 22 par une entrée 26 et entre en collision avec les parois internes desdits tube, les parois étant réchauffées par les pistes résistives 24. Le fluide caloporteur est apte à circuler dans l'enceinte de chaque tube en serpentin 22 et épouse alors le mouvement de translation et de rotation dessiné par chaque tube en serpentin 22, circulant ainsi sur une distance plus longue comparée à un tube droit pour une même hauteur H donnée. Les pistes résistives 24 s'étendent ici sur le long des parois externes de chaque tube en serpentin 22, le fluide caloporteur est ainsi en contact plus longtemps avec les parois réchauffées. Le transfert thermique entre le module chauffant et le fluide caloporteur sera prolongé et donc avec un meilleur rendement. Chaque flux de fluide caloporteur ressort alors des tubes en serpentin 22 par chaque sortie 28 et aboutit dans le collecteur 14 pour être évacué du dispositif électrique de chauffage 2 par les sorties 8b, 8c. Selon le mode de réalisation illustré à la figure 3, le dispositif électrique de chauffage 2 comprend deux modules chauffants 20, comprenant chacun un tube en serpentin 22, agencés parallèlement l'un à l'autre. Toutefois, il est envisageable d'avoir des modules chauffants 20 selon d'autres modes de réalisation qui seront décrit ultérieurement. Selon un mode de réalisation non illustré, il est envisageable d'avoir un dispositif électrique de chauffage ne comprenant qu'un seul tube en serpentin. Dans ce cas, la tubulure d'entrée 8a est directement reliée à l'entrée 26 du tube en serpentin 22, pour que le fluide circule directement dans l'enceinte du tube en serpentin 22 sans passer par une chambre de distribution 12. De manière analogue, il est aussi possible de relier la sortie 28 du tube en serpentin directement à la tubulure de sortie 8b, voire aux tubulures de sorties 8b et 8c en passant par l'intermédiaire d'une jonction en Y sans passer par un collecteur. De la même manière, il est envisageable de connecter la tubulure d'entrée 8a aux entrées 26 de deux tubes en serpentin 22 simultanément par l'intermédiaire d'une jonction en Y sans passer par une chambre de distribution. Un tel mode de réalisation est avantageux puisqu'il est possible de s'affranchir de la chambre de distribution et/ou du collecteur ainsi que des moyens d'étanchéité tels que les joints en élastomère. La figure 4 illustre le module chauffant selon un autre mode de réalisation. Dans ce mode, le module chauffant 20 comprend deux tubes en serpentin 22a et 22b imbriqués l'un dans l'autre. Pour cela, chaque tube en serpentin 22a et 22b est espacé d'un pas de spire Ps qui est supérieur ou égal au diamètre de section D des tubes en serpentin, de cette manière chaque tube en serpentin 22a, 22b est apte à s'imbriquer dans l'autre et obtenir ainsi pour une hauteur donnée une succession régulière de tubes 22a et 22b. Tel qu'illustré sur la figure 4 et par souci de clarté, seul le tube en serpentin 22b comprend des pistes résistives illustrées en grisé sur ses parois externes. Bien évidemment, selon un mode de réalisation non illustré mais similaire à celui de la figure 4, le module chauffant comprend deux tubes en serpentin dont chacun comprend des pistes résistives sur ses parois externes. Un tel agencement des tubes en serpentin 22a, 22b dans un dispositif électrique de chauffage permet de gagner en largeur puisqu'il n'est plus nécessaire d'agencer deux modules chauffants l'un parallèlement à l'autre comme dans le mode de réalisation illustré à la figure 3. Bien évidemment, pour gagner en rendement thermique, il est envisageable de réaliser un dispositif électrique de chauffage avec deux modules chauffants 20 comprenant chacun deux tubes en serpentin 22a, 22b imbriqués l'un dans l'autre. Il est aussi envisageable, selon un mode de réalisation non illustré, que les tubes en serpentin 22a et 22b présentent deux pas de spires Pa et Pb différents, avec par exemple Pb étant deux fois supérieur à Pa de manière à ce que, pour une même hauteur, le tube 22a réalise deux révolutions de spire tandis que le tube 22b n'en réalise qu'une seule. Selon un tel agencement, les tubes en serpentin 22a et 22b sont ainsi imbriqués l'un dans l'autre avec une succession de tubes en serpentin 22b, 22a, 22a puis 22b. Il est aussi envisageable selon un autre mode non représenté d'avoir les deux tubes en serpentin 22a et 22b avec un diamètre de section D différent. Selon le mode de réalisation illustré à la figure 5, il est également envisageable d'avoir deux tubes en serpentin 22a et 22b qui présentent deux rayons de spire Rs différents. Ici, le tube en serpentin 22a présente un rayon de spire inférieur à celui du tube en serpentin 22b. Selon un tel mode de réalisation, l'espace situé au centre de la spirale est occupé par un des tubes permettant ainsi une optimisation de l'espace. Il est aussi envisageable d'avoir un dispositif électrique de chauffage où les tubes en serpentin 22a et 22b présentent chacun un rayon de spire variable. La figure 6 illustre le module chauffant selon un autre mode de réalisation. Ici, le tube en serpentin 22 est un tube de forme oblongue. Ce mode de réalisation est avantageux puisqu'il est possible de sérigraphier les pistes résistives 24 sur une surface plus grande améliorant ainsi le transfert thermique. L'effet centrifuge s'effectuera sur une surface plus grande également améliorant aussi les transferts thermiques. La figure 7 illustre le module chauffant selon un autre mode de réalisation. Ici, le tube en serpentin 22 adopte une configuration en spirale. Le fluide caloporteur entre dans le tube en serpentin 22 par l'entrée 26 puis circule à travers le module chauffant uniquement selon un mouvement de rotation jusqu'à un point 30 étant le plus éloigné radialement de l'entrée 26. Le tube en serpentin 22 présente un coude en U 32 permettant d'inverser le sens d'écoulement du fluide vers un point 34 qui est situé à une même distance radiale de l'entrée 26 que le point 30, mais est espacé du point 30 d'une hauteur de coude Hc. Le fluide caloporteur est alors orienté vers le centre de la spirale, en direction de la sortie 28, selon un mouvement de rotation inverse qu'en entrée. Un tel mode de réalisation est avantageux s'il y a de fortes contraintes stériques au sein de l'installation de climatisation d'où un éventuel besoin de recourir à un dispositif électrique de chauffage de forme relativement plate. Bien évidemment il est possible de combiner les différents modes de réalisation vus précédemment. Il est aussi possible d'implémenter dans le dispositif électrique de chauffage, divers composants tels que des moyens de régulation du courant d'alimentation pour les pistes résistives ou encore des moyens de contrôle, par exemple une sonde de température afin d'avoir une meilleure gestion des transferts thermiques. Bien entendu, l'invention ne se limite pas au sens d'écoulement du fluide, et les extrémités des tubes pour chaque mode de réalisation proposé peuvent correspondre soit à une entrée soit à une sortie de fluide en fonction des besoins de l'installation de chauffage. Il doit être bien entendu que ces exemples de réalisation sont donnés à titre d'illustration de l'objet de l'invention. L'invention n'est pas limitée à ces modes de réalisation décrits précédemment et fournis uniquement à titre d'exemple. Elle englobe diverses modifications, formes alternatives et autres variantes que pourra envisager l'homme du métier dans le cadre de la présente invention et notamment toutes combinaison des différents modes de réalisation décrits précédemment.25 REVENDICATIONS1. Dispositif électrique de chauffage (2) d'un fluide pour véhicule automobile comprenant au moins un module chauffant (20) caractérisé en ce que le module chauffant (20) comprend au moins un tube en serpentin (22). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module chauffant (20) comporte en outre au moins une piste résistive (24) agencée sur les parois externes du tube en serpentin (22). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite au moins une piste résistive (24) est sérigraphiée. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que ladite au moins une piste résistive (24) est agencée sur les parois externes du tube en serpentin (22) et en ce que un fluide est apte à circuler à l'intérieur dudit tube. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube en serpentin (22) a un diamètre de section D compris entre 2 mm et 50 mm 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube en serpentin (22) a un nombre de spire (Ns) compris entre 4 et 50. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube en serpentin (22) a un rayon de spire (Rs) compris entre 2 mm et 150 mm. 8. Installation de chauffage, ventilation et/ou climatisation caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un dispositif électrique de chauffage (2) selon l'une des revendications précédentes.