Brevet FR3056725A1 — publié le 20180330

Tube à réservoir de matériau à changement de phase pour évaporateur, évaporateur et ensemble de climatisation associés. La présente invention concerne un tube à réservoir de matériau à changement de phases pour faisceau d'échange de chaleur d'échangeur de chaleur, notamment dans le domaine de la gestion thermique au sein d'un véhicule automobile. Les échangeurs de chaleur comprennent généralement un faisceau de tubes parallèles formés de plaques contenant un premier fluide caloporteur, par exemple un fluide réfrigérant dans le cas d'un évaporateur de circuit de climatisation. Le faisceau est également traversé par un second fluide caloporteur, par exemple un flux d'air destiné à l'habitacle, balayant les tubes dont la surface, augmentée par l'ajout de perturbateurs ou intercalaires entre les tubes, optimise l'échange thermique. Il est connu de pourvoir ces échangeurs de chaleur de réservoirs de matériau à changement de phases associés aux tubes du faisceau servant à la circulation du premier fluide caloporteur. De tels échangeurs par exemple dans le cas d'un évaporateur d'un circuit de climatisation, permettent de maintenir le refroidissement d'un habitacle du véhicule pendant une période de temps donnée notamment lorsque le moteur du véhicule est à l'arrêt et n'entraîne plus le compresseur de mise en circulation du fluide réfrigérant, notamment pour les véhicules munis d'un système d'arrêt automatique du moteur lors des arrêts courts du véhicule. Dans ces périodes d'arrêt du moteur, le matériau à changement de phase capte de l'énergie calorifique à l'air traversant l'évaporateur de sorte à le refroidir. 3056725 2 Il est ainsi connu en particulier un évaporateur pour circuit de climatisation de véhicule, comprenant un faisceau d'échange de chaleur pourvu d'un ensemble de tubes de circulation du fluide réfrigérant, un réservoir de stockage de matériau à changement de phases étant accolé aux tubes et un 5 passage d'air étant prévu entre les tubes et les réservoirs de stockage de froid, notamment par des protusions et récessions formées entre ces derniers. Toutefois, de tels circuits de climatisation sont relativement consommateurs, notamment en terme d'énergie et le temps de confort 10 thermique des utilisateurs n'est pas optimisé, notamment en été et en agglomération, où les embouteillages et de ce fait les arrêts du véhicule, sont particulièrement fréquents. Un des buts de la présente invention est de remédier au moins 15 partiellement aux inconvénients de l'art antérieur et de proposer un tube à réservoir de matériau à changement de phases amélioré pour une utilisation plus efficace au sein d'un faisceau d'échange de chaleur d'un échangeur de chaleur. 20 La présente invention concerne donc un tube pour faisceau d'échange de chaleur d'un échangeur de chaleur de véhicule, ledit tube comportant : - deux plaques de circulation configurées pour être assemblées l'une à l'autre de façon étanche et former au moins un conduit dans lequel circule un premier fluide caloporteur entre lesdites plaques de 25 circulation, - au moins une plaque réservoir comportant des cavités, ladite plaque réservoir étant configurée pour venir s'assembler de façon étanche sur une face d'une des deux plaques de circulation de sorte à refermer les cavités, lesdites cavités étant saillantes sur la face de la plaque 30 réservoir de sorte qu'un second fluide caloporteur puisse circuler entre lesdites cavités, 3056725 3 ledit tube comportant en outre un matériau à changement de phase stocké dans des logements formés par lesdites cavités, ledit matériau à changement de phase présentant une température de solidification comprise entre 6 et 8 degrés Celsius. 5 Ainsi, la mise en oeuvre d'un matériau à changement de phase présentant ces caractéristiques permet de limiter la variation de température trop importante en sortie de l'évaporateur et donne donc la possibilité de réaliser un cyclage au niveau de certains composants du circuit de climatisation, tel que le 10 compresseur, de sorte à réduire la consommation de la boucle de climatisation. En d'autres termes, le fait de mettre en oeuvre un matériau à changement de phase présentant une telle température de solidification laisse la possibilité de réaliser un bypass (ou contournement) de l'évaporateur par une partie du 15 flux traversant la boucle de climatisation. Dans un aspect particulier de l'invention, le matériau à changement de phase présente une température de début de solidification comprise entre 7,5 et 8 degrés Celsius. 20 Selon un aspect particulier de l'invention, le matériau à changement de phase présente une température de fusion comprise entre 7 et 9 degrés Celsius. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le matériau à 25 changement de phase présente une chaleur latente de fusion comprise entre 13o kJ/kg.K et 25o kJ/kg.K Dans un mode de réalisation de l'invention, le matériau à changement de phase est une paraffine. 30 3056725 4 Selon une variante de l'invention, le matériau à changement de phase est un acide gras. L'invention concerne également un évaporateur pour circuit de 5 climatisation de véhicule automobile, l'évaporateur comprenant une pluralité de tubes selon l'un des modes de réalisation présentés précédemment. L'invention concerne encore un ensemble de climatisation pour véhicule automobile, ledit ensemble étant traversé par un flux d'air, l'ensemble 10 comprenant au moins un évaporateur selon l'invention, le flux d'air contournant au moins partiellement l'évaporateur. Selon un mode de réalisation de l'invention, le flux d'air sortant de l'évaporateur est à une température comprise entre 1 et 12 degrés Celsius. 15 Le fait que le flux d'air sortant de l'évaporateur soit à une température comprise entre 1 degré et 12 degrés Celsius permet d'avoir une température sensiblement stabilisée et donc de rendre réalisable le contournement, au moins partiel, de l'évaporateur par le flux d'air et donc de réduire plus encore la 20 consommation de la boucle de climatisation. 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 : 25 - la figure 1 montre une représentation schématique en perspective d'un évaporateur selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 montre une représentation schématique en perspective d'un tube à réservoir de matériau à changement de phase selon un mode de réalisation particulier de l'invention, et 3056725 5 - la figure 3 est un graphique représentant l'état du matériau à changement de phase de l'invention en fonction de sa température. Sur les différentes figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence. 5 Comme illustré, le tube à réservoir de matériau à changement de phase 1 comporte deux plaques de circulation 3 et au moins une plaque réservoir 5. Les deux plaques de circulation 3 sont configurées pour être assemblées 10 l'une à l'autre de façon étanche et pour former au moins un conduit 31 dans lequel circule un premier fluide caloporteur entre lesdites plaques de circulation 3. Les deux plaques de circulations 3 sont de préférence identiques et accolées l'une à l'autre en « miroir », ce qui permet de n'avoir qu'un seul type de plaque de circulation 3 à produire et donc permet d'effectuer des économies lors de la 15 production. L'au moins une plaque réservoir 5 comporte quant à elle des cavités 51 et est configurée pour venir s'assembler de façon étanche sur une face d'une des deux plaques de circulation 3 de sorte à refermer les cavités 51 et former des 20 logements du matériau à changement de phase. Ces cavités 51 sont saillantes sur une face de la plaque réservoir 5 de sorte qu'un second fluide caloporteur, par exemple un flux d'air, puisse circuler entre lesdites cavités 51. Dans le mode de réalisation illustré, la plaque réservoir vient s'assembler 25 sur une face externe d'une des deux plaques de circulation. Toutefois, on pourrait prévoir d'autres modes de réalisation dans lesquels la plaque réservoir serait faite différemment et serait fixée à une autre face. Afin de réaliser le tube à réservoir de matériau à changement de phase 1, 30 il n'y a que deux types différents de plaques utilisées, à savoir deux plaques de circulation 3 et au moins une plaque réservoir 5. Une telle conception permet 3056725 6 de limiter la production d'un tel tube à réservoir à ces deux types de plaques, engendrant par conséquent des économies dans les coûts de production. De plus, de par ce nombre réduit de types de plaques, le montage est simplifié. Un avantage supplémentaire du tube à réservoir de matériau à 5 changement de phase 1 est que le matériau à changement de phase est directement au contact de la plaque de circulation 3, ce qui facilite et améliore les échanges d'énergie calorifique entre le premier fluide caloporteur et le matériau à changement de phase. 10 Les plaques de circulation 3 peuvent également comprendre des creux 32 réalisées de préférence par emboutissage selon une répartition homogène sur l'intégralité de la plaque de circulation 3. Les plaques de circulation 3 comprennent une face externe destinée à être orientée vers soit une plaque réservoir 5, soit un élément d'échange thermique avec le second fluide 15 caloporteur, telle une plaque ondulée. Chaque plaque de circulation 3 comprend une face interne opposée à la face externe depuis laquelle s'étend chaque creux 32 de telle sorte que leur partie sommitale est en contact avec la plaque adjacente de circulation 3.Selon un mode de réalisation préféré, mais non limitatif, les creux 32 sont répartis en quinconce sur la plaque de circulation 3. 20 Du fait d'une telle répartition, la face intérieure de chaque creux 32 se trouve dans la voie d'écoulement du premier fluide délimitée par le conduit 31, tandis que la face extérieure peut former une réserve locale de matériau à changement de phase, augmentant de la sorte leur échange thermique. 25 Du fait que la face externe de la plaque de circulation 3 est pourvue de creux 32, ces derniers forment des réserves complémentaires de matériau à changement de phase de sorte que pour un encombrement donné, un tube à réservoir 5 de matériau à changement de phase pourvu de telles creux 32 permet un stockage augmenté de matériau à changement de phase. Cela a pour 30 effet d'augmenter le temps durant lequel le matériau à changement de phase échange de l'énergie calorifique avec le second fluide. 3 05 6 7 2 5 7 En outre, compte tenu du fait que les creux 32 forment des liaisons supplémentaires avec la plaque adjacente de circulation 3, la tenue mécanique du tube à réservoir de matériau à changement de phase 1 est augmentée. Par 5 voie de conséquent un tel tube à réservoir de matériau à changement de phase 1 peut être utilisé dans un échangeur de chaleur du type d'un évaporateur qui est apte à recevoir un fluide réfrigérant dont la pression a une valeur nominale d'approximativement 15 bar. 10 Dans ce mode de réalisation, le tube à réservoir de matériau à changement de phase 1 comporte une plaque réservoir 5 unique, sur une de ses faces externes en contact avec le second fluide caloporteur. L'autre de ses faces est en contact avec une plaque ondulée d'échange thermique avec le second fluide caloporteur, une telle plaque ondulée étant parfois qualifiée d'ailette ou 15 d'intercalaire. Selon une variante de réalisation, le tube 1 peut néanmoins comporter une plaque réservoir à réservoir de matériau à changement de phase 1 sur chacune de ses faces externes en contact avec le second fluide caloporteur. Afin 20 de faciliter le remplissage des cavités saillantes 51 dans ce mode de réalisation, le tube à réservoir de matériau à changement de phase 1 peut comporter un orifice de remplissage commun des cavités saillantes 51 des deux plaques réservoirs 5. 25 Selon un mode de réalisation, les cavités saillantes 51 ont une forme en dôme. Ces dômes sont plus particulièrement disposés en quinconce afin que le second fluide caloporteur puisse circuler entre eux. Selon un autre mode de réalisation, les cavités saillantes 51 ont une forme 30 oblongue. Les cavités saillantes 51 sont alors réparties en « V » par rapport à l'axe longitudinal A de la plaque réservoir 5 comme le montre la figure 6. Cette 3056725 8 forme et cette répartition particulière permettent au tube à réservoir de matériau à changement de phase 1 de contenir une quantité de matériau à changement de phase plus importante que pour la forme en dôme et permettent également de limiter les pertes de charge du second fluide caloporteur lors de 5 son passage entre les cavités saillantes 51. Le tube d'échange 3o peut être un tube pourvu de micro canaux, un tel tube étant issu de la superposition de plaques planes et d'une plaque ondulée, cette dernière étant parfois qualifiée d'intercalaire interne, ladite plaque 10 ondulée étant alors disposée entre les deux plaques planes adjacentes afin de former les micro-canaux. Selon une variante de réalisation, le tube d'échange 3o peut plus particulièrement être composé de deux plaques de circulation 3, telles qu'elles 15 ont été décrites précédemment, assemblées l'une à l'autre de façon étanche. Le faisceau d'échange de chaleur 100 comporte ici, réparti sur toute sa longueur, trois tubes à réservoir de matériau à changement de phase 1. Deux de ces tubes à réservoir de matériau à changement de phase 1 comportent une 20 plaque réservoir 5 sur chacune de leurs faces externes en contact avec le second fluide caloporteur. Le troisième tube à réservoir de matériau à changement de phase 1 ne comporte quant à lui qu'une seule plaque réservoir 5 sur une de ses faces externes en contact avec le second fluide caloporteur. Le nombre total de tubes à réservoir de matériau à changement de phase 1 et de plaques réservoir 5 25 présents au sein d'un faisceau d'échange de chaleur 100 est fonction de sa taille et de sa longueur. Plus le faisceau d'échange de chaleur 100 est long, plus ce nombre est important afin d'assurer un refroidissement du second fluide caloporteur continue et ce même si le premier fluide caloporteur de circule plus dans ledit faisceau, par exemple lors d'un arrêt du compresseur. 30 3056725 9 Ainsi, on voit bien que le tube à réservoir de matériau à changement de phase 1 du fait qu'il soit composé de deux plaques de circulation 3 et d'au moins une plaque réservoir 5, permet un montage simple et une fabrication peu couteuse. De plus, le matériau à changement de phase est directement au 5 contact de la plaque de circulation 3 ce qui facilité et améliore les échanges d'énergie calorifique entre le premier fluide caloporteur et le matériau à changement de phase. Selon l'invention, on choisit un matériau à changement de phase pour lequel la température de fusion est abaissée de sorte à permettre le 10 contournement de l'évaporateur par une partie du flux d'air. Ce contournement permet de réduire la consommation de la boucle de climatisation dans son ensemble. Dans le mode de fonctionnement choisi dans ce mode de réalisation, la température du flux d'air en sortie de l'évaporateur doit être comprise entre 4 15 degrés Celsius et 12 degrés Celsius. Or, la température de saturation du fluide caloporteur utilisé de manière classique est située à environ o degré Celsius. De ce fait, il faut définir la température de solidification du matériau à changement de phase suffisamment haute pour qu'il soit compatible avec la 20 température du fluide caloporteur lorsque l'ensemble de climatisation fonctionne, et suffisamment basse pour que le matériau à changement de phase soit liquéfié avant que la température du flux d'air n'atteigne 12 degrés Celsius. Ainsi, et comme plus particulièrement illustré sur le graphique de la 25 figure 3 avec la courbe A de fusion du matériau à changement de phase et la courbe B de solidification du matériau à changement de phase, le matériau à changement de phase peut être choisi selon une pluralité de facteurs. Selon l'invention, le matériau à changement de phase présente donc une 30 température de solidification comprise entre 6 et 8 degrés Celsius. 3056725 10 On peut également mettre en oeuvre, selon un mode de réalisation particulier, un matériau à changement de phase qui présente une température de fusion comprise entre 7 et 9 degrés Celsius. 5 Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, qui correspond au mode de réalisation détaillé ici, le matériau à changement de phase présente une chaleur latente de fusion comprise entre 13o kJ/kg.K et 250 kJ/kg.K. Pour le choix du matériau à changement de phase, on pourra par exemple 10 choisir une paraffine. On pourra également choisir un matériau à changement de phase parmi les acides gras. 15 Ce matériau à changement de phase peut par exemple être composé d'un ester, tel que le tetradecanoic acid-méthylethyl ester. Dans une variante, il pourra être composé à 99% de tetradecanoic acid-méthylethyl ester, auquel on ajoute un ou plusieurs additifs. 20 Il est à noter que la solidification du matériau à changement de phase peut préférentiellement avoir lieu lors d'une phase de freinage du véhicule, ceci étant rendu possible par une augmentation de la cylindrée d'un compresseur, puisque la consommation d'un compresseur est nulle lors d'une phase de freinage et qu'une phase de freinage précède souvent une phase d'arrêt du 25 véhicule. Cet ensemble de climatisation pour véhicule automobile, traversé par un flux d'air, peut comprendre, en plus de l'évaporateur, un compresseur ainsi qu'un circuit de volets mis en oeuvre au sein d'un dispositif complet de 30 climatisation. 3056725 11 La présence du compresseur permet que le flux d'air contourne au moins partiellement l'évaporateur. Il est à noter que le flux d'air est, en sortie de l'évaporateur, à une température comprise entre 1 et 12 degrés Celsius. REVENDICATIONS1. Tube (i) pour faisceau d'échange de chaleur (100) d'un échangeur de chaleur de véhicule, ledit tube (1) comportant : - deux plaques de circulation (3) configurées pour être assemblées l'une à l'autre de façon étanche et former au moins un conduit (31) dans lequel circule un premier fluide caloporteur entre lesdites plaques de circulation (3), - au moins une plaque réservoir (5) comportant des cavités (51), ladite plaque réservoir (5) étant configurée pour venir s'assembler de façon étanche sur une face d'une des deux plaques de circulation (3) de sorte à refermer les cavités (51), lesdites cavités (51) étant saillantes sur la face de la plaque réservoir (5) de sorte qu'un second fluide caloporteur puisse circuler entre lesdites cavités (51), ledit tube (i) comportant en outre un matériau à changement de phase stocké dans des logements formés par lesdites cavités (51), ledit matériau à changement de phase présentant une température de solidification comprise entre 6 et 8 degrés Celsius. 2. Tube selon la revendication précédente, le matériau à changement de phase présentant une température de début de solidification comprise entre 7,5 et 8 degrés Celsius. 3. Tube selon l'une des revendications précédentes, le matériau à changement de phase présentant une température de fusion comprise entre 7 et 9 degrés Celsius. 4. Tube selon l'une des revendications précédentes, le matériau à changement de phase présentant une chaleur latente de fusion comprise entre 30 130 kJ/kg.K et 250 kJ/kg.K 3056725 13 5. Tube selon l'une des revendications précédentes, le matériau à changement de phase étant une paraffine. 6. Tube selon l'une des revendications 1 à 4, le matériau à changement de 5 phase étant un acide gras. 7. Evaporateur (100) pour circuit de climatisation de véhicule automobile, l'évaporateur (100) comprenant une pluralité de tubes (i) selon l'une des revendications précédentes. 8. Ensemble de climatisation pour véhicule automobile, ledit ensemble étant traversé par un flux d'air, l'ensemble comprenant au moins un évaporateur (ioo) selon la revendication 7, le flux d'air contournant au moins partiellement l'évaporateur (ioo). 9. Ensemble de climatisation selon la revendication précédente, le flux d'air sortant de l'évaporateur (ioo) étant à une température comprise entre 1 et 12 degrés Celsius. 10 15 20