Brevet FR3038707A1 — publié le 20170113

Dispositif de fermeture pour micro tube de faisceau de stockage d'une batterie thermique de stockage s La présente invention concerne le domaine des batteries thermiques de stockage utilisant pour éléments d'échange de chaleur un faisceau de micro tubes pour stocker et libérer une quantité déterminée de chaleur, les micro-tubes comportant en leur sein un matériau à changement de phase (MCP). Ces batteries de 10 stockage sont particulièrement adaptées pour une utilisation dans les véhicules automobile. En particulier, l'invention concerne un dispositif de fermeture des micro tubes composant le faisceau d'échange. 15 Une batterie thermique est, par exemple, utilisée pour diffuser de la chaleur, via le système de chauffage, dans l'habitacle d'un véhicule automobile hybride, c'est-à-dire combinant un moteur fonctionnant grâce à l'énergie thermique et à l'énergie électrique. Par ailleurs, ce type de batterie thermique peut servir à préchauffer un fluide caloporteur, l'huile du moteur ou l'huile de la boîte de vitesse automatique, et 20 ce avant le démarrage à froid dudit véhicule automobile. Lors de l'utilisation d'une batterie thermique avec un véhicule électrique, le chargement de ladite batterie thermique est, en principe, réalisé lors du chargement de la batterie électrique. La batterie électrique sert au déplacement dudit véhicule 25 électrique. Lors d'un déplacement dudit véhicule électrique, l'énergie thermique stockée dans la batterie thermique peut être utilisée lors de la mise en marche du système de chauffage au sein de l'habitacle du véhicule automobile. Le système de chauffage pour chauffer l'habitacle d'un véhicule automobile fonctionne à l'aide d'un fluide tel qu'un fluide caloporteur. Afin de chauffer l'habitacle du véhicule 30 automobile, la batterie thermique réchauffe le fluide caloporteur avant son passage à l'intérieur du radiateur de chauffage qui permet de transférer le fluide 3038707 2 caloporteur à l'intérieur de l'habitacle. L'énergie fournie par la batterie thermique permet donc d'économiser l'énergie correspondante stockée par la batterie électrique. En d'autres termes, on supprime l'impact du fonctionnement du chauffage sur l'autonomie du véhicule électrique. L'utilisation d'une batterie thermique avec un véhicule hybride permet de stocker l'énergie thermique lors du chargement de la batterie électrique. D'autre part, la batterie thermique peut être rechargée via le fluide caloporteur, lorsque le moteur du véhicule hybride bascule en mode thermique. Lors de l'utilisation d'une batterie thermique avec un véhicule muni d'un moteur à combustion interne, l'énergie thermique stockée à l'intérieur de la batterie thermique provient de l'énergie produite lors d'un précédent roulage dudit véhicule. Les fluides utilisés pour refroidir le moteur ou la boîte de vitesse automatique par exemple, peuvent être utilisés pour charger la batterie thermique. En effet, l'huile de la boîte de vitesse automatique rejette, dans un usage classique, une quantité déterminée de chaleur. Ladite quantité déterminée de chaleur peut être stockée dans une batterie thermique et ensuite utilisée lors du démarrage du véhicule automobile pour permettre l'augmentation rapide de la température de l'huile de moteur et/ou de l'huile de la boîte de vitesse automatique, réduisant ainsi les frottements dus à la viscosité de ladite huile. En effet, la viscosité de l'huile est d'autant plus élevée que la température est basse. Si la température de l'huile n'augmente pas rapidement, notamment concernant l'huile de la boîte de vitesse automatique, les frottements entraînent une surconsommation de carburant et d'émissions de CO2 lors des premières minutes de l'utilisation du véhicule. La batterie thermique peut être utilisée dans des circuits d'huile de boîte de vitesse automatique, de fluide caloporteur, ou d'huile de moteur. Dans la conception des batteries thermiques, il est déjà connu d'utiliser des micro tubes en matériau synthétique pour encapsuler un matériau à changement de phase (MCP) afin de pouvoir stocker et libérer une quantité déterminée de chaleur. Il est nécessaire de fermer les extrémités des micro tubes de manière étanche et 3038707 3 durable pour garantir qu'il n'y ait pas de mélange du MCP avec le fluide caloporteur d'échange. L'art antérieur divulgue une solution de fermeture des micro tubes par 5 soudage. Un des inconvénients de cette solution est qu'il est nécessaire d'utiliser une certaine hauteur du micro tube pour garantir une bonne tenue de la soudure sous toutes les conditions d'utilisation de la batterie thermique. La partie utile restante pour le MCP s'en trouve alors réduite, ce qui entraîne une moindre efficacité de la batterie thermique. En effet, la capacité de la batterie directement 10 liée au volume de stockage de MCP. De plus, ce procédé est relativement long pour assurer la fusion lors de la soudure du tube plastique. Il existe également des solutions à base de colle. Le collage, à l'aide de résine, présente des inconvénients : le temps de polymérisation est long, les procédés de 15 mise en oeuvre sont très contraignants. De plus, les conditions d'utilisation de la batterie thermique en milieu automobile ne sont pas très adaptées à ces solutions. Les conditions de température, les chocs thermiques, les conditions d'échange avec des fluides à base d'eau glycolée, d'huile sont incompatibles avec la tenue mécanique et/ou chimique des résines. 20 L'utilisation de bouchon mécanique présente lui aussi des inconvénients. L'étanchéité n'étant bien souvent pas garantie à 100%, des mélanges de MCP avec un fluide caloporteur tel que de l'huile de boîte de vitesse sont possibles, ce qui peut engendrer des dommages graves au système de transmission d'un véhicule. Un 25 autre problème qui se pose avec la solution de bouchon mécanique est le risque qu'il soit expulsé lors du changement de phase du MCP. En effet, lors de son changement de phase, le MCP s'expanse et la pression interne dans le micro tube augmente, ce qui peut aboutir à l'expulsion du bouchon. 30 L'utilisation de bouchons expansés dans des collecteurs est une solution adaptée mais qui nécessite de réaliser le montage lors de l'assemblage de chacun des micro tubes sur la batterie même. 3038707 4 Un des buts de la présente invention est donc de remédier au moins partiellement aux inconvénients de l'état de la technique en proposant un dispositif de fermeture étanche des micro tubes et dont la tenue mécanique est garantie dans 5 le temps. La présente invention concerne donc un dispositif de fermeture pour micro tube de faisceau de stockage d'une batterie thermique de stockage, ledit micro tube comprenant au moins une embouchure et comprenant en son sein un matériau 10 adapté pour stocker et libérer une quantité déterminée de chaleur, le dispositif de fermeture comprenant un insert d'obturation de l'embouchure dudit micro tube et un dispositif de maintien de cet insert d'obturation dans ledit micro tube. Selon un aspect de l'invention, le dispositif de maintien est distinct du 15 dispositif d'obturation et est prévu pour être disposé sur la paroi externe du micro tube. Selon un autre aspect de l'invention, le matériau adapté pour stocker et libérer une quantité déterminée de chaleur comprend un matériau à changement de 20 phase (MCP). Selon un autre aspect de l'invention, l'insert d'obturation est un bouchon. Selon un autre aspect de l'invention, le bouchon comporte une partie tête et 25 une partie bouchon, la partie bouchon étant destinée à être introduite dans le micro tube, la partie tête étant destinée à venir en prise sur l'embouchure du micro tube. Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif de maintien de l'insert d'obturation dans ledit micro tube est une bague apte à pincer une partie de la paroi 30 extérieure du micro tube lorsque l'insert d'obturation est dans le micro tube, ladite partie de paroi extérieure du micro tube étant alors pincé entre l'insert d'obturation et la bague. 3038707 5 L'invention concerne également un micro tube fermé comprenant un micro tube et au moins un dispositif de fermeture. 5 Selon un aspect de l'invention, l'insert d'obturation comprend une gorge permettant le sertissage du dispositif de maintien sur le micro tube. Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif de maintien comprend une protubérance en sa face interne qui coopère avec la gorge de l'insert d'obturation. 10 Selon un aspect de l'invention, le dispositif de maintien est monté en force sur le micro tube et sur l'insert d'obturation. L'invention concerne également un faisceau d'échange comportant une 15 pluralité de micro tubes fermés, les micro tubes fermés étant disposés les uns parallèles aux autres, les dispositifs de maintien étant accolés les uns aux autres, garantissant un espace de circulation de fluide entre les micro tubes. Selon un aspect de l'invention, les micro tubes fermés sont disposés les uns 20 parallèles aux autres, les inserts d'obturation sont accolés les uns aux autres, garantissant un espace de circulation de fluide entre les micro tubes. L'invention concerne également une batterie thermique comprenant un faisceau d'échange. 25 3038707 6 Les but, objet et caractéristiques de la présente invention ainsi que ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-dessous, des modes de réalisation préférés faisant référence aux dessins dans lesquels : 5 la figure 1 montre une vue, en coupe, d'un micro tube comprenant un dispositif de fermeture selon l'invention la figure 2 représente une vue éclatée, en perspective, d'un dispositif de fermeture selon un mode de réalisation particulier, 10 la figure 3a représente une vue en coupe d'un micro tube comprenant un dispositif de fermeture avec bague, avant qu'elle ne soit sertie sur le tube, la figure 3b représente une vue en coupe d'un micro tube comprenant un dispositif de fermeture avec bague, après qu'elle ait été sertie sur le tube, la figure 4 représente une vue en coupe d'un micro tube comprenant un 15 dispositif de fermeture avec bague selon un mode de réalisation alternatif, après qu'elle ait été sertie sur le tube, la figure 5 montre une vue en perspective d'un faisceau de micro tubes comprenant chacun un dispositif de fermeture selon le mode de réalisation particulier, 20 la figure 6 est une vue agrandie d'une partie du faisceau du la figure 5. La description détaillée ci-après a pour but d'exposer l'invention de manière suffisamment claire et complète, notamment à l'aide d'exemples, mais ne doit en aucun cas être regardée comme limitant l'étendue de la protection aux modes de 25 réalisations particuliers et aux exemples présentés ci-après. La figure 1 montre une vue, en coupe, d'un micro tube comprenant un dispositif de fermeture selon l'invention. Le micro tube 1 est un tube cylindrique en matériau synthétique, 30 particulièrement en matériau plastique de forme longitudinale, c'est à dire que sa longueur est bien plus importante que son diamètre. Sa dénomination tient du fait de ses faibles dimensions en comparaison aux dimensions habituellement 3038707 7 rencontrées dans le domaine des véhicules automobiles. En effet, un tel micro tube a un diamètre de l'ordre de 3 à 6 millimètres et en particulier 4 millimètres et une longueur comprise entre 100 et 300 millimètres. Le micro tube 1 comprend un matériau à changement de phase (MCP) 2. Il 5 est obturé en son extrémité visible sur la figure 2 par un dispositif de fermeture 3. Sur la figure 1, ce dispositif de fermeture 3 comprenant un insert d'obturation qui est un bouchon 5 et un dispositif de maintien de ce bouchon 5 dans le micro tube 1 qui est une bague 6. Le bouchon 5 comprend une paroi extérieure 8 sensiblement cylindrique . 10 La bague 6 comprend une paroi extérieure 9 sensiblement cylindrique . Sur la figure 2, on voit en éclaté le dispositif de fermeture 3 comprenant le bouchon 5 et la bague 6. 15 Le bouchon 5 comprend une première partie appelée partie tête 5a et une deuxième partie nommée partie bouchon Sb. La partie bouchon Sb et la partie tête 5a sont de forme sensiblement cylindrique, le diamètre de la partie bouchon Sb permettant son introduction dans le micro tube 1, le diamètre de la partie tête 5a lui permettant d'être en prise sur 20 l'embouchure 4 du micro tube 1 lorsque le bouchon 5 est dans le micro tube 1 (cf. figure 1). En d'autres termes, le diamètre moyen de la partie bouchon Sb doit être de l'ordre du diamètre intérieur du micro tube 1 et peut en particulier être légèrement inférieur notamment en son extrémité libre 5c afin de permettre l'introduction de la partie bouchon Sb dans le micro tube 1. La différence entre les 25 deux dimensions ne doit pas être trop importante pour garantir une certaine étanchéité entre la partie bouchon Sb et la paroi interne du micro tube 1. A l'opposé, le diamètre de la partie tête 5a du bouchon 5 doit être supérieur au diamètre extérieur du micro tube 1 afin de permettre à la partie tête 5a d'être en prise sur l'embouchure 4 du micro tube 1 lorsque le bouchon 5 est dans le micro 30 tube 1. Cette prise contribue également à l'étanchéité du bouchon vis-à-vis du MCP 2 du micro tube 1. En effet, lorsque le bouchon 5 est installé dans le micro tube 1, sa partie tête 5a écrase avantageusement l'extrémité la du micro tube 1 sur laquelle il 3038707 8 est en prise. Il n'est donc pas nécessaire de prévoir un joint entre la partie tête 5a du bouchon 5 et le micro tube 1. Le bouchon 5 peut comprendre un matériau métallique tel que l'acier inoxydable ou un matériau synthétique tel qu'un matériau plastique. L'avantage 5 pour le matériau plastique est le gain de poids final non négligeable sur la batterie thermique, critère important dans le domaine automobile pour les réductions de consommation et donc d'émissions de CO2. La forme du bouchon 5 participe elle aussi à l'étanchéité. Une forme ovoïde de la surface latérale de la partie bouchon Sb, avec par exemple un diamètre 10 maximal en son milieu, va permettre une introduction facile de l'extrémité 5c du bouchon 5 dans le micro tube 1, puis sous l'action d'une force mécanique, l'insertion du reste de la partie bouchon Sb. L'étanchéité maximale est obtenue à l'endroit ou la partie bouchon Sb est la plus bombée avant l'introduction dans le micro tube 1 (en son milieu sur cet exemple). Dans l'exemple d'un bouchon 5 métallique et d'un 15 micro tube 1 plastique, le micro tube 1 présente une zone de déformation après insertion du bouchon 5, à l'endroit où la partie bouchon Sb présente un diamètre supérieur au diamètre intérieur du micro tube. La bague 6 a la forme d'un cylindre creux. Avantageusement, pour des 20 raisons de tenue mécanique, la bague 6 comprend un matériau métallique. Sur les figures 1 et 2, la hauteur de la bague 6 est sensiblement égale à la hauteur du cylindre que forme la partie bouchon Sb du bouchon 5. C'est un mode préférentiel de réalisation, mais cela n'est pas du tout limitatif. La bague 6 a pour fonction de pincer le micro tube 1 à l'endroit où est 25 localisé la partie bouchon Sb du bouchon 5. Cela permet de renforcer l'étanchéité du bouchon 5 dans le micro tube 1. Le bouchon 5 ayant déjà une fonction d'étanchéité qui lui est propre, cela confère au dispositif de fermeture 3 une fonction de double étanchéité. De plus, cette fonction de pincement renforce la tenue mécanique du 30 bouchon 5 dans le micro tube 1, ce qui va réduire de manière considérable le risque d'expulsion du bouchon 5 lié aux contraintes environnementales (température, pression) subies par le micro tube 1. 3038707 9 La fonction de renfort mécanique et d'étanchéité peut être remplie par une bague 6 de hauteur différente de celle du cylindre que forme la partie bouchon Sb du bouchon 5, à la condition minimale que la bague 6 pince le micro tube 1 au moins partiellement en regard de la partie bouchon Sb inséré dans le micro tube 1. 5 La bague 6 peut être montée sur le micro tube 1 en force et/ou bien fixée par sertissage. La figure 3a montre un micro tube 1 fermé par un bouchon 5 et comprenant une bague 6 avant sertissage. La figure 3b est une représentation de ce même dispositif après sertissage. Avantageusement, le bouchon 5 comprend une gorge annulaire 5d sur la partie bouchon Sb à sa jonction avec la partie tête 5a. On 10 entend par gorge un rétrécissement localisé de la partie bouchon, la diamètre du bouchon dans la gorge 5d est donc inférieur au diamètre de la partie bouchon Sb. Cette gorge annulaire 5d permet une bonne accroche de la bague 6 sur le micro tube 1. On constate sur les figures 3a et 3b que l'étape de sertissage de la bague 6 15 déforme l'extrémité 6b de la bague 6 et l'extrémité la du micro tube 1 dans la gorge 5d du bouchon 5. Après sertissage, l'extrémité 6b de la bague est localisée dans la gorge 5d et est par conséquence bloquée sous la partie tête 5a du bouchon 5. En particulier, selon le mode de réalisation alternatif de la figure 4, la bague 6 peut comporter une protubérance annulaire 6a sur sa partie interne, de forme 20 complémentaire à celle de la gorge annulaire 5d du bouchon 5 de manière à renforcer cette accroche de la bague 6 sur le micro tube 1 lorsqu'il est fermé par le bouchon 5. L'emplacement et la forme de la gorge 5d ne sont pas limitatifs. La gorge 5d peut ne pas être de forme annulaire et être localisée en un ou plusieurs endroits sur 25 la surface externe de la partie bouchon Sb du bouchon 5. La bague 6 peut comporter une ou plusieurs languettes de sertissage situées en des endroits complémentaires de la gorge 5d de manière à ce qu'elles coopèrent avec la gorge 5d lors du sertissage de la bague 6 sur le micro tube 1. 30 Les figures 5 et 6 montrent une vue en perspective d'un faisceau d'échange 11 de micro tubes 1 comprenant chacun un dispositif de fermeture 3 tel que décrit 3038707 10 précédemment et illustré en figure 1. Dans la suite de la description, on appelle micro tube fermé un micro tube 1 coiffé de son dispositif de fermeture 3. Dans le faisceau d'échange, les micro tubes fermés sont disposés les uns parallèles aux autres à l'intérieur d'une boîte de réception 12 d'une batterie 5 thermique. Les micro tubes fermés sont accolés par leurs dispositifs de fermeture. Ils sont agencés en quinconce les uns par rapport aux autres selon une alternance de lignes L1 et L2 parallèles entre elles de sorte que les micro tubes adjacents sont équidistants les uns des autres d'une distance D dans toutes les directions. Les 10 micro tubes des lignes L1 sont disposés selon un premier quadrillage, les micro tubes des lignes L2 selon un deuxième quadrillage, les deux quadrillages étant identiques mais décalés l'un par rapport à l'autre. Le diamètre extérieur des micro tubes 1 étant inférieur au diamètre extérieur des dispositifs de fermeture 3, il en résulte un espace entre les micro tubes 15 1 qui permet à un fluide 14 de circuler. Sur la figure 6, cet espace est défini par un espacement 13 entre deux parois externes de micro tubes adjacents, cet espacement étant mesuré sur une perpendiculaire aux parois des micro tubes. Sur la figure 6, le pas d'assemblage D des micro tubes 1 est défini par la partie tête 5a des bouchons 5 des micro tubes fermés, cela correspond au diamètre 20 de la partie tête 5a des bouchons 5. Selon un autre mode de réalisation, si le diamètre de la bague 6 est supérieur au diamètre de la partie tête 5a du bouchon 5, l'espacement 13 entre deux parois externes de micro tubes adjacents est défini par les bagues 6 des micro tubes fermés. 25 Sur la figure 1 qui représente un micro tube fermé, la paroi extérieure 8 de la partie tête 5a du bouchon 5 est alignée avec la paroi extérieure 9 de la bague 6. Dans ce cas, c'est le dispositif de fermeture 3 sur toute sa longueur (bague 6 et bouchon 5) qui définit l'espacement 13 entre deux parois externes de micro tubes 1 adjacents, lorsqu'ils sont agencés dans un faisceau d'échange. 30 L'espacement 13 entre deux parois externes de micro tubes 1 adjacents, visible sur la figure 6, se définit lorsque les micro tubes fermés sont accolés par leur dispositifs de fermeture 3. Il est alors sensiblement égal à la différence entre le 3038707 11 diamètre maximal du dispositif de fermeture 3 et le diamètre extérieur d'un micro tube 1. Cet agencement en faisceau d'échange 11 de ces micro tubes fermés présente un énorme avantage si le diamètre extérieur des parties tête 5a des bouchons 5 5 et/ou des bagues 6 est adapté pour assurer le bon maintien des micro tubes 1 en faisceau dans la boîte de réception 12 de la batterie thermique. Les collecteurs normalement nécessaire au maintien des micro tubes 1 dans la boîte de réception 12 ne sont plus utiles, l'espacement 13 des micro tubes 1, pour laisser circuler le liquide caloporteur, est directement assuré par le dimensionnement des bagues 6 10 et/ou des bouchons 5. L'espacement 13 entre deux parois externes de micro tubes 1 adjacents est par exemple de l'ordre de 0.6 millimètre pour permettre une bonne circulation du fluide entre les micro tubes 1 et bénéficier d'une solution de faisceau compacte. Cette valeur est valable notamment pour un micro tube 1 de diamètre 4 millimètres 15 et un pas d'assemblage D de 4.6 millimètres des micro tubes 1. Dans cet exemple, cette valeur tend à être un minimum et dépend de la perte de charge acceptable pour l'application. L'assemblage des micro tubes fermés peut se faire en amont de l'assemblage des batteries thermiques, leur étanchéité peut être vérifié avant montage du 20 faisceau d'échange. Cela permet au cours de la fabrication de ne rejeter que les micro tubes fermés présentant des défauts d'étanchéité et non pas le faisceau d'échange 11 complet. En effet, chaque micro tube 1 a son propre dispositif de fermeture 3, ce dernier assurant l'étanchéité du micro tube 1. Le dispositif d'étanchéité est donc unitaire et indépendant, il est propre à chaque micro tube 1. 25 Cela simplifie également l'assemblage des micro tubes 1 dans le faisceau, et donc la chaîne d'assemblage complète de la batterie thermique. Le faisceau d'échange comprend un empilage de micro tubes fermés, sans besoin de collecteur. Un micro tube 1 peut être fermé en ses deux extrémités par le même 30 dispositif de fermeture ou bien par deux dispositifs de fermeture différents.