Brevet FR3052549A1 — publié le 20171215

ECHANGEUR STOCKEUR D'ENERGIE THERMIQUE La présente invention concerne le domaine de la gestion thermique. Sont concernés en particulier : - un échangeur thermique pour mettre en oeuvre un échange d'énergie thermique avec au moins un premier fluide ou entre un premier fluide et un deuxième fluide, - un élément en forme générale de plaque polygonale pour la 10 réalisation d'une paroi creuse de cet échangeur thermique, notamment dans deux cas plus particuliers, - un premier ensemble comprenant plusieurs tels éléments assemblés, - un second ensemble comprenant l'échangeur thermique précité, 15 avec tout ou partie de ses caractéristiques, et un boîtier thermiquement isolant qui le contient, - et une installation de gestion thermique pourvue dudit échangeur. Dans la technique il existe bien sûr des échangeurs thermiques. 20 Ainsi, les publications de demandes de brevet EP165179 et W01989000664 proposent-t-elles respectivement un échangeur à plaques et un échangeur tubulaire. Un problème demeure toutefois en liaison avec la capacité, sur des circuits où circule au moins un fluide, à des températures 25 différentes suivant les moments, à tirer utilement parti de cette situation pour une gestion thermique efficace invitant à éviter de perdre inutilement l'énergie thermique dont ce(s) fluide(s) disposent, ne serait-ce que du fait de cette différence de températures. Il peut effet être typique qu'à un moment donné un premier 30 fluide soit en situation de libérer, ou en nécessité d'avoir à libérer une énergie thermique dont ultérieurement un deuxième fluide peut 3052549 2 avoir besoin, ou tout fluide, voire même lui-même, et/ou que certains fluides soient à un moment à chauffer et à un autre moment à refroidir. En outre, la gestion thermique d'une installation, et chercher à éviter de perdre inutilement de l'énergie thermique, sont 5 maintenant des considérations à prendre en compte. C'est dans ce cadre qu'il est ici proposé un échangeur thermique comprenant : - au moins un premier espace libre pour un (premier) fluide, - au moins une paroi thermiquement conductrice qui limite au moins 10 localement ledit au moins un premier espace libre, de telle sorte qu'un échange de chaleur puisse intervenir entre ledit premier fluide et ladite au moins une paroi thermiquement conductrice, caractérisé en ce que, pour disposer d'une fonction de stockage d'énergie thermique, ladite au moins une paroi thermiquement 15 conductrice est creuse et renferme un matériau de stockage d'énergie thermique par accumulation de chaleur latente, en échange thermique avec au moins ledit premier fluide. Pour mettre en oeuvre un échange thermique entre un premier et un deuxième fluide : 20 - l'échangeur comprendra en outre au moins un deuxième espace libre pour le deuxième fluide, de telle sorte que lesdits premier et deuxième fluides s'écoulent dans les premier(s) et deuxième(s) espaces libres, respectivement, - et ladite au moins une paroi thermiquement conductrice séparera 25 entre eux lesdits premier et deuxième espaces libres, de telle sorte que l'échange de chaleur entre lesdits premier et deuxième fluides ait lieu à travers ladite au moins une paroi thermiquement conductrice. Ainsi, on disposera d'un échangeur thermique à capacité de 30 stockage puis de restitution différée d'une énergie thermique et susceptible de traiter la gestion thermique de deux fluides. 3052549 3 Il peut aussi se trouver qu'un fluide ait dans l'échangeur davantage à attendre en termes de changement de température du matériau de stockage d'énergie thermique que d'un échange avec un autre fluide. 5 Dans ce cas, il est proposé que ledit premier espace libre soit, dans l'échangeur, scindé en au moins deux (sous-)conduits où pourront circuler en même temps les deux flux (a priori globalement parallèles) du premier fluide, la paroi thermiquement conductrice qui renferme le matériau de stockage d'énergie thermique étant alors interposée entre lesdits deux (sous-)conduits. Si effectivement on veut mettre en oeuvre un échange thermique entre un premier et un deuxième fluides, dans le contexte ci-dessus, il est alors proposé que l'échangeur comprenne en outre: - au moins un deuxième espace libre pour le deuxième fluide, de 15 telle sorte que lesdits premier et deuxième fluides s'écoulent dans les premier(s) et deuxième(s) espaces libres, respectivement, - et une paroi thermiquement conductrice additionnelle séparant entre eux lesdits premier et deuxième espaces libres, de telle sorte que l'échange de chaleur entre les deux fluides ait lieu à travers 20 ladite paroi thermiquement conductrice additionnelle. A priori, cette paroi thermiquement conductrice additionnelle sera dépourvue de matériau de stockage d'énergie thermique. La qualité des échanges thermiques sera favorablement à considérer pour atteindre une solution performante tout en prévoyant 25 une capacité de fabrication en grande série pour une application possible sur des véhicules. Ceci peut avoir une conséquence directe sur le poids et/ou l'encombrement, donc la pertinence, de la solution. Aussi est-il proposé que la, ou chaque dite paroi puisse présenter intérieurement une succession de creux où sont disposées 30 des parties du matériau de stockage d'énergie thermique. 3052549 4 Associer ainsi creux multiples et/ou imbrication de formes (bosses et creux) va permettre d'optimiser le poids et l'encombrement, pour une efficacité donnée, voire de créer des poches/alvéoles servant de réceptacles éventuellement 5 individualisés pour le produit à accumulation de chaleur latente. Et pour optimiser aussi échanges thermiques, fabrication et utilisation, il est recommandé que la ou les paroi(s) comprennent des plaques présentant individuellement une face extérieure à placer en contact avec le premier ou le deuxième fluide et une face intérieure 10 opposée, la face intérieure de l'une au moins desdites plaques présentant des creux où sont disposées des parties du matériau de stockage d'énergie thermique. En complément, il est proposé que les faces intérieures des plaques puissent présenter chacune des creux qui se font face, de sorte qu'individuellement les parties du matériau de stockage d'énergie thermique disposées dans les creux soient engagées dans deux dits creux qui se font face. Ainsi, on facilitera la mise en place puis sécurisera le maintien en place de ces parties du matériau de stockage d'énergie 20 thermique à disposer dans les creux Et pour fabriquer les plaques pourvues de ces creux, on pourra alors de façon assez simple, partir de plaques métalliques plane, les emboutir pour y former les creux, remplir avec le matériau de stockage d'énergie thermique les creux de l'une des plaques, et 25 coiffer le tout avec l'autre plaque, puis fixer a priori en soudant (dans la présente description, soudage, et autres techniques assimilées telles le soudage-diffusion, ou le brasage sont des équivalents). Aucun besoin de conteneur pour le matériau de stockage (qui pourra être à base de MCP) ni d'autres pièces de fermeture des 30 creux, ou volumes de réception de ce matériau. 3052549 5 Lorsque l'on mentionne que l'échangeur comprend des plaques à face intérieure présentant des creux, il pourrait ne s'agir que d'une seule plaque repliée sur elle-même. Pour par ailleurs faciliter la fabrication, le stockage et 5 l'utilisation du matériau de stockage d'énergie thermique, y compris sa mise en place, il est proposé que, dans une dite paroi creuse, ce matériau présente un état solide sous la forme d'un bloc unique présentant des creux et des bosses. Aucun besoin d'un conteneur étanche à remplir avec ce matériau. 10 De la sorte, il pourra en outre y avoir auto-calage du matériau dans la paroi, ce qui est appréciable en manipulation et fabrication série. Pour favoriser la rigidité des plaques tout en tirant parti des zones en bosses et creux alors formées, il est aussi proposé que 15 lesdites plaques comprennent des plaques ondulées définissant des canaux allongés formant les creux où sont disposées desdites parties du matériau de stockage d'énergie thermique. Il s'agira là encore d'une réalisation ergonomique, assez simple, pouvant être obtenue par emboutissage de plaques 20 métalliques. Au maximum deux plaques, sans conteneur à MCP, suffiront. Une telle solution permettra de guider le fluide dans son espace libre de circulation, suivant par exemple deux directions générales transversales l'une à l'autre, à deux étages différents de 25 l'échangeur, typiquement dans lesdits premier et deuxième espaces libres de circulation des fluides. En tant que matériau(x) de stockage d'énergie thermique, on prévoira donc favorablement l'utilisation d'(au moins) un matériau MCP. En alternative, il est possible, bien que jugé non préférable ici, 30 d'utiliser un dispositif opérant sur la base de réactions thermochimiques réversibles que prévues dans la technologie TCS : 3052549 6 (CaO/Ca(OH)2 ; oxydes métalliques -restructuration- ; sulfures ; voir http://energy.gov/sites/prod/files/2014/01/f6/tces_workshop_2013_sa ttler. pdf ). A toute fin, il est confirmé qu'un matériau à changement de 5 phase - ou MCP ; PCM en anglais - désigne un matériau capable de changer d'état physique, par exemple entre liquide et solide, dans une plage de température comprise par exemple entre -50°C et 180°C. Le transfert de chaleur (ou transfert thermique) s'opère par utilisation de sa Chaleur Latente (CL) : le matériau peut alors stocker 10 ou céder de l'énergie par simple changement d'état, tout en conservant une température sensiblement constante, celle du changement d'état. Quant à l'expression « transversalement » ou « transversal(e) », elle a pour sens orienté(e) de façon transverse, 15 pas nécessairement strictement perpendiculaire, par rapport à un axe ou une direction de référence. Le(s) matériau(x) thermiquement isolant(s) ci-après mentionnés pourra(ont) être un isolant « simple » comme de la laine de verre, mais on préfèrera certainement une mousse, par exemple de polyuréthane ou de polyisocyanurate, ou encore plus favorablement un matériau thermiquement isolant poreux, voire nano-poreux, (ce qui inclus donc les mousses mais également les matériaux fibreux, tels que la laine de verre ou de roche) disposé dans une enveloppe sous vide, pour définir au moins un panneau isolant, PIV. Par « PIV » ou structure PIV, on entend une structure sous « atmosphère contrôlée », c'est-à-dire soit remplie par un gaz ayant une conductivité thermique inférieure à celle de l'air ambiant (26mW/m.K), soit en « dépression », donc sous une pression inférieure à la pression ambiante (donc REVENDICATIONS1. Echangeur thermique comprenant : - au moins un premier espace libre (7) pour au moins un premier 5 fluide (3), - au moins une paroi thermiquement conductrice (11) qui limite au moins localement ledit au moins un premier espace libre (9), de telle sorte qu'un échange de chaleur puisse intervenir entre ledit premier fluide et ladite au moins une paroi thermiquement conductrice (11), 10 caractérisé en ce que, pour disposer d'une fonction de stockage d'énergie thermique, ladite au moins une paroi thermiquement conductrice (11) est creuse et renferme un matériau (13,13a) de stockage d'énergie thermique par accumulation de chaleur latente, en échange thermique avec au moins ledit premier fluide. 15 2. Echangeur thermique selon la revendication 1, pour mettre en oeuvre un échange thermique entre ledit premier fluide (3) et un deuxième fluide (5), où: - l'échangeur comprend en outre au moins un deuxième espace libre (9) pour le deuxième fluide (5), de telle sorte que lesdits premier et 20 deuxième fluides s'écoulent dans les premier(s) et deuxième(s) espaces libres, respectivement, - ladite au moins une paroi thermiquement conductrice sépare entre eux lesdits premier et deuxième espaces libres (7,9), de telle sorte que l'échange de chaleur entre lesdits premier et deuxième fluides 25 ait lieu à travers ladite au moins une paroi thermiquement conductrice (11). 3. Echangeur thermique selon la revendication 1, où ledit premier espace libre (7) est, dans l'échangeur, scindé en au moins deux conduits (7a,7b) où peuvent circuler en même temps deux flux du 30 premier fluide (3), la paroi thermiquement conductrice (11) qui 3052549 33 renferme le matériau (13,13a) de stockage d'énergie thermique étant interposée entre les deux conduits (7a,7b). 4. Echangeur thermique selon la revendication 3, pour mettre en oeuvre un échange thermique entre ledit premier fluide (3) et un 5 deuxième fluide (5), où l'échangeur comprend en outre: - au moins un deuxième espace libre (9) pour le deuxième fluide (5), de telle sorte que lesdits premier et deuxième fluides s'écoulent dans les premier(s) et deuxième(s) espaces libres, respectivement, - une paroi thermiquement conductrice additionnelle (211) sépare 10 entre eux lesdits premier et deuxième espaces libres (7,9), de telle sorte que l'échange de chaleur entre lesdits premier et deuxième fluides ait lieu à travers ladite paroi thermiquement conductrice additionnelle (211). 5. Echangeur thermique selon la revendication 1 ou 2, où la, ou 15 chaque dite paroi (11) présente intérieurement une succession de creux où sont disposées des parties du matériau de stockage d'énergie thermique. 6. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 2,4, où la ou les paroi(s) (11,211) comprennent des 20 plaques (10b1,10b2 ;10c1,10c2) présentant individuellement une face extérieure à placer en contact avec le premier ou le deuxième fluide (3,5) et une face intérieure opposée, la face intérieure de l'une au moins desdites plaques présentant des creux (15) où sont disposées des parties du matériau de stockage d'énergie thermique. 25 7. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, où le ou les matériaux (13) de stockage d'énergie thermique comprennent un matériau MCP. 8. Echangeur thermique à plaques selon la revendication 6 ou les revendications 6 et 7, où les plaques (11) sont rigides et lesdits au 30 moins un premier et un deuxième espaces libres (7,9) s'étendent à travers l'échangeur de chaleur de telle sorte que lesdits premier et 3052549 34 deuxième fluides s'écoulent dans les premier(s) et deuxième(s) espaces libres, respectivement, de manière transversale ou parallèle l'un par rapport à l'autre, à travers ledit échangeur de chaleur à plaques. 9. Elément en forme générale de plaque polygonale pour la réalisation d'une paroi creuse de l'échangeur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, qui comprend : - une première plaque (10b1) présentant des creux en face intérieure et des bosses en face extérieure et, périphériquement, des bords 10 (29a,29b) pliés au moins pour certains dans un même sens, sur deux côtés opposés, - une deuxième plaque (10b2) globalement plane, fixée avec la première plaque, engagée entre deux bords opposés pliés de la première plaque, et présentant des bosses en face extérieure et des 15 creux (15) en face intérieure disposés en face des creux de la première plaque, - et un matériau (13) de stockage d'énergie thermique, par accumulation de chaleur latente, dont au moins des parties sont disposées dans les creux face à face des plaques. 20 10. Elément selon la revendication 9, où les bords (29a,29b) pliés sont pliés alternativement dans un sens et en inverse sur deux côtés adjacents. 11. Elément en forme générale de plaque polygonale pour la réalisation d'une paroi creuse de l'échangeur thermique selon l'une 25 quelconque des revendications précédentes, qui comprend : - une première plaque (10c1) présentant des creux (15) en face intérieure et des bosses (17) en face extérieure et, périphériquement, sur deux côtés opposés, des bords (29a1,29a2) pliés dans un même sens, vers la face extérieure, 30 - une deuxième plaque (10c2) fixée avec la première plaque et présentant des bosses en face extérieure et des creux en face 3052549 35 intérieure disposés en face des creux de la première plaque, et, périphériquement, sur deux côtés opposés, des bords (29a3,29a4) pliés dans un même sens, vers la face extérieure, - et un matériau (13) de stockage d'énergie thermique, par 5 accumulation de chaleur latente, dont au moins des parties sont disposées dans les creux face à face des plaques. 12. Ensemble d'éléments individuels selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, qui comprend plusieurs dits éléments fixés ensemble deux à deux le long des bords (29a1,29a2...29a,29b) pliés, pour définir, entre deux faces extérieures de deux éléments disposés face à face, au moins un espace libre pour une circulation d'un fluide (3, 5). 13. Ensemble comprenant : - l'échangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 15 à 8, et - un boîtier (183) thermiquement isolant, contenant l'échangeur thermique et pourvu de parois (165,181) contenant au moins un isolant thermique (171), des volumes (163) collecteur dudit au moins premier fluide (3) étant interposés entre des ouvertures d'extrémité 20 de chaque espace libre (7,9) et certaines au moins des parois (165) du boîtier traversées par des raccordements (169) d'entrée ou de sortie dudit au moins premier fluide (3). 14. Ensemble selon la revendication 13 où les parois (165,181) contenant l'isolant thermique (171) sont à structure PIV. 25 15. Installation de gestion thermique comprenant : - l'échangeur thermique (1,210) selon la revendication 2 ou 4, seule ou en combinaison avec l'une quelconque des revendications 3 à 8, ou l'ensemble selon la revendication 13 ou 14, l'échangeur thermique étant disposé à un croisement entre un premier circuit (6) 30 pour le premier fluide (3) et un deuxième circuit (16) pour le deuxième fluide (5), de sorte que : 3052549 36 -- hors de l'échangeur thermique, les premier et deuxième fluides (3,5) circulent indépendamment dans des organes fonctionnels (14,140...) sur lesquels ils agissent ou avec lesquels ils interagissent, 5 -- dans l'échangeur thermique, le premier fluide (3) puisse circuler dans le(s) premier(s) espace(s) libre(s) (7) et le deuxième fluide (5) puisse circuler dans le(s) deuxième(s) espace(s) libre(s) (9), - des moyens (12,143,217) de circulation des premier et deuxième 10 fluides (3,5), dans respectivement les premier et deuxième circuit (6,16), - au moins une vanne (251) placée au moins sur le deuxième circuit (16) du deuxième fluide (5), pour : -- à un premier moment (T1) de fonctionnement de l'installation, laisser le premier fluide (3) circuler seul dans l'échangeur thermique (1 ,210), sans le deuxième fluide (5), et -- à un deuxième moment (T2) de fonctionnement de l'installation, laisser les premier et deuxième fluides (3,5) circuler ensemble dans l'échangeur thermique.20