Brevet FR3038040A1 — publié le 20161230

Échangeur thermique à cartouche dé-ionisante La présente invention concerne le domaine des échangeurs thermiques et plus 5 précisément un échangeur thermique au sein d'un circuit de gestion thermique dont la teneur en ions du fluide caloporteur en son sein doit être limitée ou tout du moins contrôlée. Afin de limiter ou de contrôler la teneur en ions d'un fluide, notamment dans le 10 cas d'un fluide caloporteur utilisé pour le refroidissement d'une pile à combustible au sein d'un circuit de gestion thermique, il est connu d'installer dans ledit circuit de gestion thermique une cartouche dé-ionisante, par exemple en parallèle d'une pompe. Le contrôle et la limitation de la teneur en ions dans le fluide caloporteur sont importants dans ce cas car cela permet de diminuer la conductivité électrique du fluide 15 caloporteur, ladite conductivité électrique pouvant conduire à accélérer la corrosion interne de la pile à combustible, voir à des court-circuits entre les différentes cellules de la pile à combustible ce qui pourrait la détériorer. Cependant un tel circuit de gestion thermique nécessite un emplacement dédié pour la cartouche dé-ionisante ce qui est problématique notamment lorsque la place 20 est limitée, comme par exemple au sein d'un véhicule automobile à pile à combustible. Un des buts de l'invention est donc de remédier au moins partiellement aux inconvénients de l'art antérieur et de proposer un nouvel emplacement à une cartouche dé-ionisante au sein d'un circuit de gestion thermique dont la teneur en ions 25 du fluide caloporteur en sont sein doit être limitée ou tout du moins contrôlée. La présente invention concerne un échangeur thermique comportant des tubes d'échange dans lesquels circule un fluide caloporteur entre une première extrémité d'entrée de fluide caloporteur et une deuxième extrémité de sortie de fluide 30 caloporteur, ledit échangeur thermique comportant en outre au moins une boite à eau reliée à au moins une extrémité des tubes d'échange, ledit échangeur thermique comportant au moins une cartouche dé-ionisante installée de façon amovible dans ladite boite à eau. 3038040 2 Le fait d'intégrer la cartouche dé-ionisante au sein même de la boite à eau, permet d'utiliser un espace libre non utilisé et donc permet premièrement un gain de place pour le circuit de gestion thermique. De plus, au sein d'un circuit de gestion thermique, les ions sont principalement produits au niveau même des échangeurs thermiques du fait que les tubes sont généralement métalliques et donc pourvoyeurs d'ions métalliques, ainsi que d'ions présents dans les résidus du flux de brasage. La cartouche dé-ionisante est donc ainsi placée au plus près d'une source potentielle d'ions dans le fluide caloporteur pour une meilleure efficacité. Selon un aspect de l'invention, une boite à eau dans laquelle est installée une cartouche dé-ionisante, comporte un orifice d'accès ainsi qu'un bouchon dudit orifice. Selon un autre aspect de l'invention, une boite à eau dans laquelle est installée une cartouche dé-ionisante, comporte un support de cartouche perméable au fluide 15 caloporteur. Selon un autre aspect de l'invention, le support de cartouche vient de matière avec la boite à eau. 20 Selon un autre aspect de l'invention, le support de cartouche est fixé au bouchon. Selon un autre aspect de l'invention, la cartouche dé-ionisante comporte un matériau dé-ionisant comprenant une surface extérieure contre laquelle le fluide 25 caloporteur circule lors de sa traversée de la boite à eau. Selon un autre aspect de l'invention, la cartouche dé-ionisante comporte une colonne centrale creuse dans laquelle une partie du fluide caloporteur peut entrer par traversée d'un matériau dé-ionisant. 30 Selon un autre aspect de l'invention, la colonne centrale creuse est reliée à un orifice d'évacuation du fluide caloporteur que ladite colonne centrale contient. 3038040 3 Selon un autre aspect de l'invention, la boite à eau comportant une cartouche dé-ionisante comporte : - une première portion dans laquelle le fluide caloporteur circule : - entre un orifice d'alimentation et des tubes d'échange, une partie 5 dudit fluide caloporteur pouvant traverser le matériau dé-ionisant et entrer dans la colonne centrale, ou - entre des tubes d'échange et un orifice d'évacuation, une partie dudit fluide caloporteur pouvant provenir de la colonne centrale après avoir traversé le matériau dé-ionisant, et 10 - une deuxième portion dans laquelle le fluide caloporteur circule : o entre la colonne centrale et au moins un tube d'échange dédié, OU o entre au moins un tube d'échange dédié et la colonne centrale. Selon un autre aspect de l'invention, la séparation entre la première et la 15 deuxième portion est réalisée par une collerette d'étanchéité entre la paroi interne de la boite à eau et la cartouche dé-ionisante. Selon un autre aspect de l'invention, la collerette d'étanchéité est portée par la cartouche dé-ionisante. 20 Selon un autre aspect de l'invention, l'échangeur thermique comprend à la fois une première boite à eau et une deuxième boite à eau qui comportent une cartouche dé-ionisante. Selon un autre aspect de l'invention, une des deux cartouches contient une résine anionique et l'autre cartouche contient une résine cationique. 25 La présente invention concerne également un circuit de gestion thermique d'une pile à combustible et comportant au moins un échangeur thermique. Selon un aspect du circuit de gestion thermique selon l'invention, l'échangeur thermique comportant au moins une cartouche dé-ionisante est un échangeur thermique placé en face avant d'un véhicule automobile. 3038040 4 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, et des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 montre une représentation schématique d'un échangeur thermique 5 selon un premier mode de réalisation, - la figure 2 montre une représentation schématique d'un échangeur thermique selon un deuxième mode de réalisation, - la figure 3 montre une représentation schématique d'un échangeur thermique selon un troisième mode de réalisation, 10 - la figure 4 montre une représentation schématique d'un échangeur thermique selon un quatrième mode de réalisation, - la figure 5 montre une représentation schématique d'un circuit de gestion thermique. Sur les différentes figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence. Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées pour fournir d'autres réalisations. Les figures 1 à 4 montrent un échangeur thermique 1 pour circuit de gestion thermique 100 (illustré à la figure 5) dont la teneur en ions doit être contrôlée ou au moins limitée. Cet échangeur thermique 1 comporte notamment des tubes d'échange 3 dans lesquels circule un fluide caloporteur entre une première extrémité d'entrée de fluide caloporteur et une deuxième extrémité de sortie de fluide caloporteur. L'échangeur thermique 1 comporte en outre une première boite à eau 5a reliant les premières extrémités des tubes d'échange 3 dans laquelle arrive le fluide 3038040 5 caloporteur au moyen d'un orifice d'alimentation 50a, et une seconde boite à eau 5b reliant les deuxièmes desdits tubes 3 et depuis laquelle le fluide caloporteur est évacué au moyen d'un orifice d'évacuation 50b. Selon l'invention, l'échangeur de chaleur 1 comporte au moins une cartouche 5 dé-ionisante 15 installée de façon amovible dans au moins une des boites à eau 5a, 5b. Le fait d'intégrer la cartouche dé-ionisante 15 au sein même de la boite à eau 5a, 5b, permet d'utiliser un espace libre non utilisé, permettant ainsi premièrement un gain de place pour le circuit de gestion thermique 100. De plus, au sein du circuit de gestion thermique 100, les ions sont principalement produits au niveau même des échangeurs 10 thermiques du fait que les tubes sont généralement métalliques (et donc pourvoyeurs d'ions métalliques), ainsi que du fait des ions présents dans les résidus du flux de brasage. La cartouche dé-ionisante 15 est donc ainsi placée au plus près d'une source potentielle d'ions dans le fluide caloporteur pour une meilleure efficacité. 15 Les cartouches dé-ionisantes 15 comportent un matériau dé-ionisant connu tel qu'un mélange de résine cationique et anionique permettant la capture des ions positifs et négatifs. Les cartouches dé-ionisantes 15 sont donc des consommables qu'il faut remplacer après un certain temps d'utilisation. Le fait de placer une cartouche dé- 20 ionisante 15 au sein de l'échangeur thermique 1 permet aussi de faciliter l'accès à cette dernière du fait du placement dudit échangeur thermique 1. Par exemple, dans un véhicule automobile, il est avantageux que l'échangeur thermique 1 soit placé au niveau de la face avant pour un accès aise à la (ou les) cartouche(s) dé-ionisante(s) 15. 25 L'échangeur thermique 1 peut comporter une seule cartouche dé-ionisante 15 dans l'une ou l'autre des première 5a ou deuxième 5b boites à eau. Toutefois, l'échangeur thermique 1 peut néanmoins comporter une cartouche dé-ionisante 15 à la fois dans la première boite à eau 5a et dans la deuxième boite à 30 eau 5b. Cette dernière possibilité permet d'intégrer une quantité plus importante de matériau dé-ionisant au sein du circuit de gestion thermique et ainsi d'augmenter la capacité de dé-ionisation et donc de maintenir une teneur en ions du fluide caloporteur 3038040 6 la plus basse possible. Ceci permet également une diminution de la fréquence de remplacement des cartouches dé-ionisantes 15. Pour permettre le logement et le remplacement d'une cartouche dé-ionisante 5 15, la ou les boites à eau 5a, 5b comportent un orifice d'accès 9 ainsi qu'un bouchon 11 dudit orifice 9 afin de pouvoir accéder à la cartouche dé-ionisante 15. Selon un premier mode de réalisation dont deux variantes sont illustrées aux figures 1 et 2, la cartouche dé-ionisante 15 est placée au sein d'un support 13 de 10 cartouche contenu dans la ou les boites à eau 5a, 5b, ledit support 13 de cartouche étant perméable au fluide caloporteur. Selon une première variante illustrée à la figure 1, le support 13 de cartouche est fixé au bouchon 11. Ainsi, lorsque l'on retire le bouchon 11 dudit orifice 9, le support 13 de cartouche ainsi que la cartouche dé-ionisante 15 sont simultanément retirés. 15 Selon une seconde variante illustrée à la figure 2, le support 13 de cartouche vient de matière avec la boite à eau 5a, 5b. Dans ce premier mode de réalisation, le matériau dé-ionisant de la cartouche dé-ionisante 15 comporte une surface extérieure contre laquelle le fluide caloporteur circule lors de sa traversée de la boite à eau 5a, 5b et au contact de laquelle les ions 20 sont capturés. Le fluide caloporteur reste en surface de la cartouche dé-ionisante 15 ce qui limite les pertes de charges liées à la présence de ladite cartouche dé-ionisante 15 au sein de la boite à eau 5a, 5b. Selon d'autres modes de réalisation illustrés aux figures 3 et 4, la cartouche dé-25 ionisante 15 comporte une colonne centrale 17 creuse dans laquelle une partie du fluide caloporteur peut entrer par traversée du matériau dé- ionisant. Dans ces modes de réalisation, une partie seulement du fluide caloporteur traverse le matériau dé-ionisant afin de limiter les pertes de charges, le reste du fluide caloporteur passant dans les tubes d'échanges 3. 30 Selon une variante illustrée à la figure 3, la colonne centrale 17 creuse est reliée à un orifice d'évacuation 19 du fluide caloporteur que ladite colonne centrale 17 contient. L'orifice d'évacuation 19 est relié au circuit de gestion thermique 100 et renvoie le fluide caloporteur dé-ionisé dans ledit circuit de gestion thermique 100. 3038040 7 Selon une variante non décrite, il est aussi possible de faire circuler le fluide caloporteur dans la cartouche dé-ionisante sans passage subséquent dans les tubes de l'échangeur de chaleur. Dans ce cas, la cartouche dé-ionisante comporte un orifice dit de contournement disposé sur une boite à eau. 5 Selon une autre variante illustrée à la figure 4, la boite à eau 5a, 5b munie de la cartouche dé-ionisante 15 comporte : - une première portion 51a, 51b dans laquelle le fluide caloporteur circule : 10 si une cartouche dé-ionisante 15 est placée dans la première boite à eau 5a, entre un orifice d'alimentation 50a et des tubes d'échange 3, une partie dudit fluide caloporteur pouvant traverser le matériau dé-ionisant et entrer dans la colonne centrale 17, ou 15 si une cartouche dé-ionisante 15 est placée dans la deuxième boite à eau 5b, entre des tubes d'échange 3 et un orifice d'évacuation 50b, une partie dudit fluide caloporteur pouvant provenir de la colonne centrale 17 après avoir traversé le matériau dé- ionisant, et 20 - une deuxième portion 52a, 52b dans laquelle le fluide caloporteur circule : si une cartouche dé-ionisante 15 est placée dans la première boite à eau 5a, entre la colonne centrale 17 et au moins un tube d'échange 3 dédié, ou 25 si une cartouche dé-ionisante 15 est placée dans la première boite à eau 5a, entre au moins un tube d'échange 3 dédié et la colonne centrale 17. Afin d'assurer l'étanchéité entre la première portion 51a, 51b et la 30 deuxième portion 52a, 52b, la séparation entre ces dernières est réalisée par une collerette d'étanchéité 21 entre la paroi interne de la boite à eau 5a, 5b et la cartouche dé-ionisante 15. 3038040 8 La collerette d'étanchéité 21 est, de préférence, portée par la cartouche dé- ionisante 15 comme cela est illustré à la figure 4. Il est cependant tout à fait possible d'imaginer un cas de figure où ce soit la boite à eau 5a, 5b elle même qui porte ladite collerette d'étanchéité 21. 5 Comme illustré sur la figure 4, la deuxième portion 52a, 52b peut être réalisée du coté du bouchon 11, le matériau dé-ionisant pouvant être alors relié audit bouchon 11 par un élément 23 de support perméable au fluide caloporteur. Il est néanmoins tout à fait possible d'imaginer un cas inverse où la première portion 51a, 51b soit fixée au bouchon 11 et où la deuxième portion 10 52a, 52b soit située à l'opposé dudit bouchon 11. La figure 5 montre un exemple de circuit de gestion thermique 100 notamment pour la gestion d'une pile à combustible au sein d'un véhicule automobile. 15 Le circuit de gestion thermique 100 comporte, généralement placée au niveau du compartiment moteur A, une pompe 101 qui distribue le fluide caloporteur dans un échangeur thermique placé au niveau de la pile à combustible 102 et un refroidisseur 103 d'un flux d'air comprimé représenté par une première flèche en pointillé 201. Ledit échangeur thermique placé au 20 niveau de la pile à combustible 102 et ledit refroidisseur d'air comprimé 103 sont de préférences placés en parallèle au sein du circuit de gestion thermique 100. Le circuit de gestion thermique 100 comporte ensuite un dispositif de redirection 104 du fluide caloporteur, par exemple une vanne quatre-voies, qui permet la redirection au choix dudit fluide caloporteur vers : 25 - l'échangeur thermique 1 comportant au moins une cartouche dé- ionisante 15, ledit échangeur thermique étant placé dans un module de face avant B pouvant comporter au moins un ventilateur 109 afin de créer un flux d'air extérieur représenté par une deuxième flèche 202 en pointillé, et/ou vers 30 - un réchauffeur 107 d'air destiné à l'habitacle, placé au sein d'un module de chauffage, ventilation et climatisation C (ou HVAC en anglais). Ledit HVAC pouvant également comporter au moins un ventilateur 109 afin de créer un flux d'air destiné à l'habitacle représenté par une troisième 3038040 9 flèche 203 en pointillé. Le circuit de gestion thermique 100 peut également comporter, en amont du réchauffeur 107 d'air destiné à l'habitacle, un dispositif de chauffage 105 du fluide caloporteur. 5 Le dispositif de redirection 104 peut également, si besoin, rediriger le fluide caloporteur directement vers la pompe 101 par exemple au moyen d'un conduit de dérivation 111. Le positionnement de l'échangeur de chaleur 1 comportant au moins une cartouche dé- ionisante 15 dans le module de face avant B permet 10 notamment un accès plus aisé à la ou les cartouches dé- ionisante 15 en vue de leur remplacement. Ainsi, on voit bien que, du fait de l'intégration directe d'au moins une cartouche dé-ionisante 15 au sein d'un échangeur thermique 1, il est possible 15 de gagner de la place afin d'intégrer un circuit de gestion thermique 100 dans lequel il est nécessaire de contrôler la teneur en ions du fluide caloporteur, d'améliorer ce contrôle en étant au plus près d'une des sources d'émission de ces ions et permet également une accessibilité améliorée à la ou les cartouches dé-minéralisantes afin de les remplacer. 20 REVENDICATIONS1. Échangeur thermique (1) comportant des tubes d'échange (3) dans lesquels circule un fluide caloporteur entre une première extrémité d'entrée de fluide caloporteur et une deuxième extrémité de sortie de fluide caloporteur, ledit échangeur thermique (1) comportant en outre au moins une boite à eau (5a ; 5b) reliée à au moins une extrémité des tubes d'échange (3), caractérisé en ce qu'il comporte au moins une cartouche dé-ionisante (15) installée de façon amovible dans ladite boite à eau (5a ; 5b). 2. Échangeur thermique (1) selon la revendication précédente caractérisé en ce que la boite à eau (5a, 5b) dans laquelle est installée une cartouche dé-ionisante (15), comporte un orifice d'accès (9) ainsi qu'un bouchon (11) dudit orifice (9). 3. Échangeur thermique (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une boite à eau (5a, 5b) dans laquelle est installée une cartouche dé-ionisante (15), comporte un support (13) de cartouche perméable au fluide caloporteur. 4. Échangeur thermique (1) selon la revendication précédente caractérisé en ce que le support (13) de cartouche vient de matière avec la boite à eau (5a, 5b). 5. Échangeur thermique (1) selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le support (13) de cartouche est fixé au bouchon (11). 6. Échangeur thermique (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la cartouche dé- ionisante (15) comporte un matériau dé-ionisant comprenant une surface extérieure contre laquelle le fluide caloporteur circule lors de sa traversée de la boite à eau (5a, 5b). 3038040 11 7. Échangeur thermique (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la cartouche dé-ionisante (15) comporte une colonne centrale (17) creuse dans laquelle une partie du fluide caloporteur peut entrer par traversée d'un matériau dé- ionisant. 5 8. Échangeur thermique (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la colonne centrale (17) creuse est reliée à un orifice d'évacuation (19) du fluide caloporteur que ladite colonne centrale (17) contient. 10 9. Échangeur thermique (1) selon la revendication 7, caractérisé en ce que la boite à eau (5a, 5b) comportant une cartouche dé-ionisante (15) comporte : - une première portion (51a, 51b) dans laquelle le fluide caloporteur circule : ^ entre un orifice d'alimentation (50a) et des tubes d'échange (3), 15 une partie dudit fluide caloporteur pouvant traverser le matériau ionisant et entrer dans la colonne centrale (17), ou ^ entre des tubes d'échange (3) et un orifice d'évacuation (50b), une partie dudit fluide caloporteur pouvant provenir de la colonne centrale (17) après avoir traversé le matériau ionisant, et 20 - une deuxième portion (52a, 52b) dans laquelle le fluide caloporteur circule : ^ entre la colonne centrale (17) et au moins un tube d'échange (3) dédié, ou entre au moins un tube d'échange (3) dédié et la colonne 25 centrale (17). 10. Échangeur thermique (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la séparation entre la première (51a, 51b) et la deuxième (52a, 52b) portion est réalisée par une collerette d'étanchéité (21) entre la paroi interne de la boite 30 à eau (5a, 5b) et la cartouche dé-ionisante (15). 3038040 12 11. Échangeur thermique (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la collerette d'étanchéité (21) est portée par la cartouche dé-ionisante (15). 12. Échangeur thermique (1) selon l'une des revendications précédentes, 5 caractérisé en ce qu'il comprend à la fois une première boite à eau (5a) et une deuxième boite à eau (5b) qui comportent une cartouche dé-ionisante (15). 13. Echangeur thermique (1) selon revendication 12, caractérisé en ce qu'une des deux cartouches contient une résine anionique et l'autre cartouche contient une 10 résine cationique.