Brevet FR3045804A1 — publié le 20170623

Échangeur thermique, notamment pour véhicule automobile L'invention se rapporte au domaine des échangeurs thermiques. À cet égard, l'invention se rapporte plus particulièrement aux échangeurs thermiques aptes à être parcourus par un fluide réfrigérant ayant une pression de fonctionnement relativement élevée, comme c'est le cas de gaz naturels tels que le dioxyde de carbone désigné par CO2, présentant une pression de fonctionnement supérieure aux gaz réfrigérants utilisés dans les solutions de l'état de l'art. De tels échangeurs thermiques trouvent une application particulière dans les véhicules automobiles. Ils peuvent notamment constituer un refroidisseur de gaz dans lequel le fluide réfrigérant tel que du CO2 est refroidi par un deuxième fluide, tel que du liquide. À l'inverse, le deuxième fluide peut être refroidi par le premier fluide par exemple sous forme gazeuse, l'échangeur thermique est alors couramment désigné par « Water chiller » en anglais. De tels échangeurs thermiques peuvent notamment être utilisés dans la régulation thermique d'une ou plusieurs batteries d'un véhicule électrique ou hybride. La régulation thermique des batteries est un point important car si les batteries sont soumises à des températures trop froides, leur autonomie peut décroître fortement et si elles sont soumises à des températures trop importantes, il y a un risque d'emballement thermique pouvant aller jusqu'à la destruction de la batterie, voire du véhicule automobile. Afin de réguler la température des batteries, il est connu d'utiliser un fluide caloporteur, en général du liquide de refroidissement comprenant un mélange d'eau glycolée, qui circule au sein d'un échangeur thermique en contact avec la ou les batteries. Le liquide de refroidissement, peut ainsi apporter de la chaleur à la ou aux batteries pour les réchauffer, cette chaleur ayant été absorbée par le liquide de refroidissement par exemple lors de l'échange thermique avec le CO2 circulant dans le refroidisseur de gaz. Le liquide de refroidissement peut également, si besoin est, absorber de la chaleur émise par la ou les batteries afin de les refroidir et évacuer cette chaleur au niveau d'un ou plusieurs autres échangeurs thermiques. De tels échangeurs thermiques peuvent aussi être utilisés comme tout autre 3045804 -2- refroidisseur de gaz dans un circuit de climatisation. Toutefois, l'utilisation d'un fluide réfrigérant tel que du CO2 sous une pression très élevée, généralement supérieure à 100 bars, avec une pression d'éclatement qui peut atteindre par exemple jusqu'à 340bars, implique que les échangeurs thermiques tels que 5 des refroidisseurs de gaz, doivent résister à de telles pressions élevées. On connaît par exemple des échangeurs thermiques comprenant un empilement de plaques permettant la circulation du premier fluide, tel que le fluide réfrigérant ou gaz réfrigérant, et du deuxième fluide tel que le liquide de refroidissement. Afin d'améliorer l'échange thermique, il est connu de prévoir des cloisons de séparation sur 10 ces plaques délimitant plusieurs passes de circulation d'un fluide ou des deux fluides. Une problématique liée à la circulation d'un fluide en plusieurs passes est d'améliorer l'échange thermique tout en réduisant les pertes de charge du fluide. Par ailleurs, les échangeurs thermiques à plaques connus de l'art antérieur ne permettent pas de résister à de telles hautes pressions. 15 On connaît également de l'art antérieur des échangeurs thermiques comprenant un empilement de tubes reliés entre eux par au moins un collecteur du premier fluide notamment le fluide réfrigérant de chaque côté des tubes, et le deuxième fluide, par exemple sous forme liquide, peut circuler autour des tubes dans une enveloppe reliée à une boîte à eau. 20 Cependant une telle architecture est complexe à réaliser et présente notamment des inconvénients en termes d'étanchéité, en particulier dans le cas d'un échangeur thermique brasé pour lequel il s'avère nécessaire de prévoir de multiples points de brasage pour plusieurs pièces de l'échangeur thermique. De plus, avec cette architecture, les deux fluides circulent généralement à flux croisé. Il n'est pas toujours 25 possible de prévoir une circulation à contre-courant ou encore en plusieurs passes des deux fluides, ce qui limite l'efficacité de l'échangeur thermique. Il a été également constaté qu'un tel échangeur thermique ne présente pas toujours une bonne tenue mécanique. Par ailleurs, un problème constant des échangeurs thermiques implémentés dans 30 un véhicule automobile réside en l'allocation d'une place réduite, afin de répondre aux 3045804 -3- exigences des constructeurs. La présente invention vise à améliorer les solutions de l'état de la technique et à résoudre au moins partiellement les inconvénients exposés ci-dessus en proposant un échangeur thermique simple à réaliser ayant une meilleure performance d'échange 5 thermique, ceci en limitant les pertes de charge. À cet effet, l'invention a pour objet un échangeur thermique, notamment pour véhicule automobile, ledit échangeur comprenant un faisceau d'échange thermique définissant des canaux de circulation pour au moins un fluide. 10 Selon l'invention, - l'échangeur thermique comprend un nombre prédéfini de cadres définissant respectivement un canal de circulation pour ledit fluide, chaque cadre définissant une largeur interne et une longueur interne, et - chaque cadre comporte au moins une barrette interne : 15 - de plus petite largeur que ledit cadre, et - s'étendant longitudinalement à l'intérieur dudit cadre sur une longueur inférieure à la longueur interne dudit cadre, de manière à définir un trajet en au moins deux passes pour ledit fluide dans ledit cadre. 20 De tels cadres permettent, de façon simple, une circulation en au moins deux passes d'au moins un fluide, par exemple du liquide de refroidissement, dans l'échangeur thermique, améliorant ainsi les performances de l'échangeur thermique. Dans l'invention, les cadres désignent une pièce, ou un assemblage de pièces, qui peuvent être rigides, délimitant un espace fermé ou non. Dans cet espace peuvent 25 être positionnés, dans notre exemple, des tubes d'échange thermique. On notera que le faisceau d'échange thermique, qui comporte une pluralité de tubes d'échange thermique, est distinct des cadres. L'échangeur thermique peut en outre comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison : 30 - la barrette interne s'étend sur une longueur au moins égale à la moitié de la longueur 3045804 -4- interne dudit cadre. Les dimensions de la barrette ainsi choisies permettent d'optimiser les performances thermiques tout en limitant les pertes de charge ; ledit cadre et la barrette interne sont conformés de manière à vérifier la relation 1 suivante : 0.49 G L - L2 ; la barrette interne est agencée sensiblement au centre dudit cadre dans le sens de la largeur dudit cadre ; la distance latérale entre la barrette interne et les deux bords opposés dudit cadre parallèles à la barrette interne, est la même de chaque côté de la barrette interne ; 20 ledit cadre est dépourvu de barrette sur une longueur restante entre l'extrémité longitudinale libre de la barrette interne et le bord dudit cadre en regard de l'extrémité longitudinale libre de la barrette interne s'étendant sensiblement perpendiculairement à la barrette interne, et la longueur d'extension de la barrette interne est choisie de sorte que la distance latérale est supérieure ou égale à la 25 longueur restante, selon la relation : L2 > L3 = L - 1; la distance latérale est comprise dans une plage de l'ordre de 15mm à 60mm ; l'échangeur thermique comprend au moins une tubulure d'entrée et une tubulure de sortie pour ledit fluide, et lesdits cadres présentent respectivement des ouvertures traversantes de mise en communication fluidique avec les tubulures d'entrée et de 30 sortie, et débouchant respectivement sur l'intérieur dudit cadre, au moins une 3045804 -5- ouverture traversante définissant une entrée de fluide ; lesdits cadres présentent respectivement au moins deux anses délimitant les ouvertures de mise en communication fluidique, et formées sur deux bords opposés dudit cadre s'étendant sensiblement parallèlement à la barrette interne ; 5 ledit cadre et chaque ouverture de mise en communication fluidique sont conformés de manière à définir une aire de mise en communication fluidique comprise dans une plage dont : - la borne supérieure correspond à trois fois le produit de la longueur d'entrée de fluide avec la longueur restante, et 10 - la borne inférieure est le dixième du produit de la longueur d'entrée de fluide avec la longueur restante, de manière à vérifier la relation suivante : 0.1 x L1 x L3 L2 En outre, la distance latérale L2 entre la barrette interne 150 et le bord, ici le bord longitudinal 15C ou 15D, d'un deuxième cadre 15, s'étendant parallèlement à la barrette interne 150, est supérieure ou égale à la longueur restante L3 du deuxième 5 cadre 15 : - entre l'extrémité longitudinale libre de la barrette interne 150 et - le bord, ici le bord latéral du 15B, du deuxième cadre 15 en regard de l'extrémité de la barrette interne 150 s'étendant sensiblement perpendiculairement à la barrette interne 150, autrement dit la longueur restante L3 dépourvue de barrette 150, selon la relation : 10 (c) : L2 L3 = L - l avec L3 = longueur restante dépourvue de barrette interne 150, 1 = longueur d'extension de la barrette interne 150, et L = longueur interne du deuxième cadre 15. 15 De préférence, la distance latérale L2 et la longueur restante L3 vérifient une relation (c') stricte : (c') : L2 > L3 = L - 1. À titre d'exemple non limitatif, la distance latérale L2 est comprise dans une plage de l'ordre de 15mm à 60mm. 20 Par ailleurs, chaque ouverture traversante 152 définit une aire de mise en communication fluidique S 1. Selon un mode de réalisation particulier, chaque ouverture traversante 152 est conformée de sorte que l'aire de mise en communication fluidique S1 est comprise dans une plage ayant : 25 - une borne supérieure correspondant à trois fois le produit de la longueur d'entrée de fluide Ll avec la longueur restante L3, et - une borne inférieure correspondant au dixième du produit de la longueur d'entrée de fluide Ll avec la longueur restante L3. Autrement dit, chaque ouverture traversante 152 est conformée de sorte que 3045804 -21- l'aire de mise en communication fluidique S1 vérifie la relation (d) suivante : (d) : 0.1 x L1 x L3 REVENDICATIONS1. Échangeur thermique (1), notamment pour véhicule automobile, ledit échangeur (1) comprenant un faisceau d'échange thermique (3) définissant des canaux (9) de circulation pour au moins un fluide, caractérisé en ce que : l'échangeur thermique (1) comprend un nombre prédéfini de cadres (15) définissant respectivement un canal de circulation pour ledit fluide, chaque cadre (15) définissant une largeur interne et une longueur interne (L), et en ce que chaque cadre (15) comporte au moins une barrette interne (150) de plus petite largeur (W) que ledit cadre (15), et s'étendant longitudinalement à l'intérieur dudit cadre (15) sur une longueur (/) inférieure à la longueur interne (L) dudit cadre (15), de manière à définir un trajet en au moins deux passes pour ledit fluide dans ledit cadre (15). 2. Échangeur thermique (1) selon la revendication précédente, dans lequel la barrette interne (150) s'étend sur une longueur (/) au moins égale à la moitié de la longueur interne (L) dudit cadre (15). 3. Échangeur thermique (1) selon la revendication précédente, dans lequel ledit cadre (15) et la barrette interne (150) sont conformés de manière à vérifier la relation 1 suivante : 0.49 G L - 4. Échangeur thermique (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la longueur interne (L) dudit cadre (15) est comprise dans une plage de l'ordre de 30mm à 500mm. 5. Échangeur thermique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel : 3045804 -24- ledit cadre (15) comprend un bord sensiblement parallèle à la barrette interne (150) et présentant au moins une entrée de fluide (152) s'étendant sur une longueur d'entrée de fluide (L1), et dans lequel la barrette interne (150) est agencée à l'intérieur dudit cadre (15) en étant 5 éloignée dudit bord présentant l'entrée de fluide (152) par une distance latérale (L2), telle que la longueur d'entrée de fluide (L1) est supérieure ou égale à la distance latérale (L2), selon la relation : L1 > L2 6. Échangeur thermique (1) selon la revendication précédente, dans lequel : 10 ledit cadre (15) est dépourvu de barrette (150) sur une longueur restante (L3) entre l'extrémité longitudinale libre de la barrette interne (150) et le bord dudit cadre (15) en regard de l'extrémité longitudinale libre de la barrette interne (150) s'étendant sensiblement perpendiculairement à la barrette interne (150), et dans lequel 15 la longueur (1) d'extension de la barrette interne (150) est choisie de sorte que la distance latérale (L2) est supérieure ou égale à la longueur restante (L3), selon la relation : L2 > L3 = L- 1 7. Échangeur thermique (1) selon l'une des revendications 5 ou 6, dans lequel la 20 distance latérale (L2) est comprise dans une plage de l'ordre de 15mm à 60mm. 8. Échangeur thermique (1) selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, comprenant au moins une tubulure d'entrée et une tubulure de sortie (21) pour ledit fluide, et dans lequel lesdits cadres (15) présentent respectivement des ouvertures 25 traversantes (152) de mise en communication fluidique avec les tubulures d'entrée et de sortie (21), et débouchant respectivement sur l'intérieur dudit cadre (15), au moins une ouverture traversante (152) définissant une entrée de fluide. 9. Échangeur thermique (1) selon la revendication précédente, dans lequel lesdits 30 cadres (15) présentent respectivement au moins deux anses (153) délimitant les ouvertures de mise en communication fluidique (152), et formées sur deux bords 3045804 -25- opposés (15C, 15D) dudit cadre (15) s'étendant sensiblement parallèlement à la barrette interne (150). 10. Échangeur thermique (1) selon les revendications 5 et 6 prises en combinaison avec 5 l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit cadre (15) et chaque ouverture de mise en communication fluidique (152) sont conformés de manière à définir une aire de mise en communication fluidique (S1) comprise dans une plage dont : la borne supérieure correspond à trois fois le produit de la longueur d'entrée de 10 fluide (L1) avec la longueur restante (L3), et la borne inférieure est le dixième du produit de la longueur d'entrée de fluide (L1) avec la longueur restante (L3), de manière à vérifier la relation suivante : 0.1 x L1 x L3 11. Échangeur thermique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'épaisseur (Th) dudit cadre (15) est de l'ordre de 0.5mm à 4mm, de préférence de l'ordre de 2mm, dans la direction d'empilement desdits cadres (15). 12. Échangeur thermique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, 20 dans lequel la largeur (W) de la barrette interne (150) est supérieure ou égale, de préférence strictement supérieure, à l'épaisseur (Th) dudit cadre (15), dans la direction d'empilement desdits cadres (15). 13. Échangeur thermique (1) pour un échange thermique entre au moins un premeir 25 fluide et un deuxième fluide, selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un empilement alterné de : premiers cadres (13) de réception de tubes d'échange thermique définissant des premiers canaux de circulation pour le premier fluide, et de deuxièmes cadres (15) définissant respectivement des deuxièmes canaux de 30 circulation pour le deuxième fluide et comprenant respectivement ladite au 3045804 moins une barrette interne (150). -26-