Brevet FR3060104A1 — publié le 20180615

DISPOSITIF THERMIQUE AVEC ELEMENT D'ECHANGE THERMIQUE TUBULAIRE La présente invention concerne le domaine des dispositifs thermiques pour véhicule automobile. Plus particulièrement, la présente invention concerne le domaine des dispositifs thermiques comprenant un conduit de circulation de fluide. Un véhicule automobile est soumis à des environnements hautement variables durant le roulage ; il peut passer d'une zone d'air froid à une zone d'air chaud, être soumis aux intempéries telles que la pluie, les rafales de vents, etc. Le caractère ponctuel et chaotique de ces phénomènes rend la gestion thermique du véhicule automobile difficile et engendre parfois des dégâts mécaniques. Afin d'atténuer ces effets néfastes pour le véhicule automobile et d'améliorer ses performances thermiques, il est possible d'intégrer à l'intérieur des échangeurs thermiques un matériau à changement de phase. Un exemple d'échangeur thermique, notamment les radiateurs de refroidissement, comprend typiquement un faisceau d'échange. Ce faisceau d'échange comporte un empilement de plaques ou de tubes formant alternativement des conduits de circulation pour l'air à refroidir et des canaux pour la circulation de fluide caloporteur, notamment du liquide de refroidissement moteur. L'échange de chaleur entre les plaques ou les tubes et l'air de suralimentation est réalisé en partie par l'intermédiaire de turbulateurs. Le faisceau est enfermé dans un réceptacle qui de manière générale a la forme d'un cylindre droit et creux, le plus souvent à base rectangulaire, relié à l'une de ses extrémités ouvertes à une boite à air d'entrée et à l'autre à une boite à air de sortie (configuration en I, c'est-à-dire que l'air à refroidir suit un chemin en ligne droite) ; ou à une de ses extrémités ouvertes à une boite à air d'entrée et de sortie et à l'autre à une boite à air de déflexion (configuration en U, c'est-à-dire que l'air à refroidir suit un chemin coudé afin de ressortir sensiblement colinéairement à sa direction d'entrée). Plus particulièrement, une boite à air comporte typiquement un carter présentant un axe longitudinal, un fond et deux flancs s'étendant à partir du fond du même côté de celui-ci de manière à donner une section transversale en U. Elle comprend également un 3060104 2 port d'entrée et/ou un port de sortie de fluide caloporteur. Dans la plupart des cas, l'espace entre les flancs et le fond n'est destiné qu'à recevoir le fluide caloporteur. Cependant, est venue l'idée d'utiliser cette espace pour y installer notamment un matériau à changement de phase. Par exemple, le document FR3006044 décrit un 5 échangeur de chaleur avec un matériau à changement de phase encapsulé dans des billes de polymère dans ses boites à eau d'entrée et de sortie. Cet arrangement du matériau à changement de phase est simple à mettre en oeuvre. Il a cependant l'inconvénient de produire des pertes de charge assez élevées et nécessite, à l'intérieur des boites collectrices, l'utilisation de grilles ou de mousse de retenu du matériau à changement de 10 phase. Un objectif de la présente invention est de pallier au moins un des inconvénients de l'état de la technique décrit ci-dessus, notamment d'atténuer les effets néfastes des changements ponctuels et chaotiques des environnements auxquels le véhicule 15 automobile est soumis, d'améliorer ses performances thermiques, et/ou d'éviter la production de perte de charge. Pour cela, la présente invention propose un dispositif thermique pour véhicule automobile comprenant un conduit de circulation de fluide et un élément d'échange thermique au sein du conduit de circulation de fluide, 20 l'élément d'échange thermique comprenant : - une enveloppe tubulaire externe ; - une enveloppe tubulaire interne ; l'enveloppe tubulaire interne délimitant à l'intérieur un espace de circulation de fluide, l'enveloppe externe et l'enveloppe interne délimitant entre elles un espace de 25 réception, l'élément d'échange thermique comprenant en outre un matériau à changement de phase remplissant l'espace de réception. Une telle solution permet d'optimiser l'intégration du matériau à changement de phase dans le dispositif thermique en évitant de prévoir du matériau à changement de 30 phase directement dans les boites collectrices. Par ailleurs, la présente invention propose deux surfaces d'échange thermique pour chaque élément d'échange thermique disposé dans le dispositif thermique, augmentant significativement la surface d'échange globale 3060104 3 entre le matériau à changement de phase et le fluide caloporteur qui circule autour et à l'intérieur de l'élément d'échange thermique. En outre, étant donné la faible conductivité thermique des matériaux à changement de phase, l'épaisseur de celui-ci dans un élément d'échange thermique tel que prévu dans la présente invention est 5 réduite, facilitant ainsi le transfert d'énergie ; le matériau de changement de phase pouvant emmagasiner et/ou restituer de l'énergie à travers deux surfaces, créant également deux interfaces solide/liquide au sein du matériau à changement de phase. D'autres caractéristiques optionnelles et non limitatives sont décrites ci-après. L'enveloppe tubulaire externe et l'enveloppe tubulaire interne peuvent être en 10 polymère, de préférence en polycarbonate, polyester ou polyamide. Alternativement, l'enveloppe tubulaire externe et l'enveloppe tubulaire interne peuvent être en métal, notamment en aluminium. L'enveloppe tubulaire externe peut présenter un diamètre extérieur compris entre 1 et 10 mm. 15 L'enveloppe tubulaire externe et l'enveloppe tubulaire interne peuvent séparées d'une distance comprise entre 50 p.m et 20 mm. Le matériau à changement de phase peut être choisi parmi le groupe constitué d'un acide gras d'origine végétale, un alcool gras d'origine végétale, une paraffine, un sel hydraté et leurs mélanges. 20 Le matériau à changement de phase peut présenter une température de changement de phase comprise entre 45 et 110°C. Préférablement, la température de changement de phase est comprise entre 45 et 55°C. Alternativement, la température de changement de phase est comprise entre 80 et 110°C. Les extrémités des enveloppes tubulaires interne et externe peuvent être scellées par 25 le même matériau que celui formant les enveloppes tubulaires interne et externe, par un rivet ou par sertissage, laissant une ouverture vers l'espace de passage de même diamètre que celui-ci. Le dispositif thermique peut être un échangeur de chaleur ou une batterie thermique. Plus particulièrement, le dispositif thermique peut être un échangeur de chaleur 30 comprenant en outre un faisceau d'échange composé d'une superposition de conduits de circulation tel que défini ci-dessus, et dans lequel un ou plusieurs éléments d'échange thermique sont disposés à l'intérieur des conduits de circulation du faisceau d'échange 3060104 4 de manière à ce que la direction longitudinale des éléments d'échange thermique et celle des conduits de circulation sont colinéaires et de manière à permettre le passage d'un premier fluide caloporteur autour des éléments d'échange thermique et celui d'un deuxième fluide caloporteur dans l'espace de circulation de fluide. En outre, le premier 5 fluide caloporteur et le deuxième fluide caloporteur peuvent être des fluides identiques ou différents. En outre ou alternativement, l'échangeur de chaleur est celui d'un radiateur à basse température. En variante, l'échangeur de chaleur peut être celui d'un radiateur à haute température. Le dispositif thermique peut comprendre en outre un carter de faisceau pour loger le 10 faisceau d'échange et un collecteur pour coupler le carter de faisceau avec un autre élément de l'échangeur de chaleur, le collecteur présentant une grille de maintien des éléments d'échange thermique. Alternativement, le dispositif thermique peut être une batterie thermique comprenant une enceinte avec une entrée et une sortie de fluide caloporteur, et un faisceau 15 d'échange logé dans l'enceinte et comportant des nappes formées par les éléments d'échange thermique, les éléments d'échange thermique formant une nappe étant parallèles entre eux et séparés sans contact les uns avec les autres. D'autres objectifs, caractéristiques et avantages apparaitront à la lecture de la 20 description détaillée qui suit en référence aux dessins, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue de trois-quarts en coupe partielle d'un exemple de dispositif thermique selon la présente invention ; - la figure 2 est une vue de trois-quarts en coupe partielle d'un autre exemple de dispositif thermique selon la présente invention ; 25 - la figure 3 est une vue de face partielle de conduits de circulation et d'éléments d'échange thermique dans un dispositif thermique selon la présente invention, notamment le dispositif thermique de la figure 1 ; et - la figure 4 est une vue en coupe transversale d'un élément d'échange thermique selon la présente invention entouré d'un fluide caloporteur. 30 Un dispositif thermique pour véhicule automobile selon la présente invention sera décrit ci-après en référence aux figures 1 à 4. 3060104 5 Un tel dispositif thermique 1 comprend un conduit de circulation de fluide 2 et un élément d'échange thermique (EET) 3 au sein du conduit de circulation de fluide 2. Le conduit de circulation de fluide 2 peut présenter plusieurs formes connues de l'homme du métier. Par exemple, le conduit de circulation de fluide 2 peut être un tube, 5 en particulier un tube dont la section transversale présente la forme d'un cercle (figure 2) ou d'un ovale à deux axes de symétries perpendiculaires l'un à l'autre. Notamment, pour l'ovale à deux axes de symétries, il comprend deux demi-arcs de cercle symétriques l'un de l'autre à travers un premier des axes de symétries, les parties ouvertes se faisant face, et reliés l'un à l'autre de manière à former une courbe fermée. 10 Néanmoins, d'autres formes peuvent être également prévues. L'EET 3 comporte une enveloppe tubulaire externe 31, une enveloppe tubulaire interne 32 et un matériau à changement de phase (PCM) 35. L'enveloppe tubulaire interne 32 délimite à l'intérieur de l'EET un espace de circulation de fluide 33, notamment pour un fluide caloporteur. L'enveloppe tubulaire externe 31 et l'enveloppe 15 tubulaire interne 32 délimitent entre elles un espace de réception 34, notamment du PCM 35 qui le remplit. Ainsi, comme illustré par la figure 4, il est possible de faire circuler un fluide autour et à l'intérieur de l'EET 3 de sorte que deux interfaces solide-liquide 361, 362 se forment à l'intérieur du PCM 35. Chacune de ces deux interfaces solide-liquide 361, 20 362 se déplacent vers le centre du PCM 35 lorsque l'EET 3 est en mode emmagasinage d'énergie (température du fluide entourant l'EET 3 et celui à l'intérieur sont à une température supérieure à la température de changement de phase du PCM 3). En comparaison, dans un EET ne comprenant qu'une enveloppe tubulaire externe formant un espace de réception rempli d'un PCM, une seule interface solide-liquide est 25 présente à l'intérieur du PCM de sorte qu'un temps plus long est nécessaire pour que tout le PCM passe de liquide à solide ou vice versa. Par ailleurs, il est possible pour le PCM 35 d'emmagasiner et de restituer de l'énergie thermique en même temps, notamment lorsque que le fluide entourant l'EET 3 et celui à l'intérieur de l'EET 3 sont à des températures différentes. Par exemple, si un premier 30 fluide circulant à l'intérieur de l'EET 3 est à une température plus élevée qu'un deuxième fluide circulant à l'extérieur de l'EET 3, le PCM 35 emmagasine de l'énergie thermique provenant du premier fluide et restitue cette énergie au deuxième fluide. 3060104 6 L'emmagasinage et la restitution de l'énergie thermique peut bien entendu se faire dans l'autre sens lorsque le deuxième fluide est à une température plus élevée que le premier fluide. En outre, l'utilisation d'EET 3 présentant un espace de circulation de fluide 33 5 présente comme avantage additionnel la limitation de la perte de charge du dispositif thermique 1 bénéfique pour le fonctionnement d'une boucle de refroidissement notamment. Ainsi, certains éléments du dispositif thermique 1 peuvent être dimensionnés à la baisse, telle qu'une pompe par exemple. Par conséquent, la consommation électrique peut être diminuée par exemple. 10 Chacune des enveloppes tubulaires externe et interne 31, 32 peut être en polymère, de préférence en polycarbonate, polyester ou polyamide. L'épaisseur des enveloppes est dans ce cas de préférence comprise entre 100 et 300 p.m. Alternativement, Chacune des enveloppes tubulaires externe et interne 31, 32 peut être en métal, notamment en aluminium. L'utilisation du métal par rapport au polymère a pour avantage d'obtenir des 15 enveloppes de plus faible épaisseur tout en garantissant une tenue mécanique suffisante, notamment comprise entre 50 et 100 [tm. Cette plus faible épaisseur permet un transfert de chaleur du fluide entourant l'EET 3 ou dans l'EET 3 et le PCM 35 plus efficace. Par ailleurs, le métal est meilleur conducteur de chaleur que les matériaux polymères, améliorant davantage le transfert de chaleur. 20 De préférence, les enveloppes tubulaires externe et interne 31, 32 de l'EET sont coaxiales. Afin de garantir cette coaxialité, l'EET 3 peut comprendre en outre des entretoises 37 dans l'espace de réception 34 et disposées aux extrémités des enveloppes tubulaires externe et interne et/ou réparties le long des enveloppes tubulaires externe et interne 31, 32. 25 L'enveloppe tubulaire externe 31 peut présenter un diamètre extérieur compris entre 1 et 20 mm, de préférence entre 3 et 10 mm, bien que de manière générale cette limitation dépend de l'application. Notamment dans une application échangeur de chaleur, ce diamètre extérieur est limité par les conduits du faisceau d'échange (voir plus loin), et dans le cas d'une batterie thermique, la seule limite est l'encombrement 30 batterie acceptable. L'enveloppe tubulaire externe 31 et l'enveloppe tubulaire interne 32 peuvent être séparées d'une distance (espace entre ces deux enveloppes) comprise entre 50 p.m et 3060104 7 20 mm, de préférence entre 1 et 10 mm, encore de préférence entre 1 et 3 mm. Par exemple, l'enveloppe tubulaire externe 31 présente un diamètre extérieur de 4 mm et l'espace entre l'enveloppe tubulaire externe et l'enveloppe tubulaire interne est de 2 mm. 5 La longueur de l'EET peut être aisément adaptée à l'application du dispositif thermique. Dans le cas d'un échangeur de chaleur, l'EET peut avoir une longueur sensiblement égale à la longueur des conduits du faisceau d'échange de l'échangeur de chaleur, par exemple entre 400 et 600 mm. Dans le cas d'une batterie thermique, la seule limite est l'encombrement acceptable de la batterie, par exemple entre 100 et 10 300 mm. Le PCM 35 peut être choisi parmi le groupe constitué d'un acide gras d'origine végétale, un alcool gras d'origine végétale, une paraffine, un sel hydraté et leurs mélanges. Le PCM 35 peut présenter une température de changement de phase comprise entre 15 45 et 110°C. Préférablement, la température de changement de phase est comprise entre 45 et 55°C, par exemple lorsque le dispositif thermique est un radiateur à basse température. Alternativement, la température de changement de phase est comprise entre 80 et 110°C, par exemple lorsque le dispositif thermique est un radiateur à haute température. 20 Le PCM 35 peut présenter une chaleur latente de changement de phase supérieure à 200 kJ/kg de préférence, supérieure à 280 kJ/kg. Une chaleur latente de changement de phase garantit une grande capacité d'emmagasinage d'énergie. Les extrémités des enveloppes tubulaires interne et externe 31, 32 peuvent être scellées par le même matériau que celui formant les enveloppes tubulaires externe et 25 interne 31, 32, ou bien par un rivet ou encore par sertissage , laissant une ouverture vers l'espace de circulation de fluide 33 de même diamètre que celui-ci. En particulier, des bouchons formant également entretoises peuvent être utilisés aux extrémités des enveloppes tubulaires externe et interne 31, 32, et présentant un orifice central débouchant dans l'espace de circulation de fluide 33. 30 De manière générale, l'EET 3 peut être fabriqué de manières suivantes : 3060104 8 - les enveloppes tubulaires externe et interne 31, 32 sont fabriquées séparément puis assemblées l'une dans l'autre avec des entretoises 37 pour les maintenir à distance, préférablement coaxiale ; - un tube à double paroi est fabriqué, comprenant les enveloppes tubulaires externe et 5 interne 31, 32 et des entretoises 37 venues de matière avec les enveloppes tubulaires externe et interne 31, 32 ; ou - l'enveloppe tubulaire interne 32 est tout d'abord fabriquée, puis utilisée pour fabriquer l'enveloppe tubulaire externe 31, par exemple par extrusion, dans ce cas, il est possible de coextruder en même temps l'enveloppe tubulaire externe 31 et le PCM 35 10 sous forme solide en se servant de l'enveloppe tubulaire interne 32 comme support pour tirer l'extrusion. Le dispositif thermique 1 peut être un échangeur de chaleur ou une batterie thermique. Dans le cas d'un échangeur de chaleur, le conduit de circulation de fluide 2 peut être un tube d'échangeur de chaleur ou un assemblage de plaques pour échangeur 15 de chaleur. Dans le cas d'une batterie thermique, le conduit de circulation de fluide 2 peut être l'enceinte (boitier ou carter) de la batterie thermique. Plus particulièrement, le dispositif thermique 1 peut être un échangeur de chaleur comprenant en outre un faisceau d'échange composé d'une superposition de conduits de circulation tels que définis ci-dessus, et dans lequel un ou plusieurs EET 3 sont disposés 20 à l'intérieur des conduits de circulation du fluide 2 du faisceau d'échange de manière à ce que la direction longitudinale des EET 3 et celle des conduits de circulation de fluide 2 sont colinéaires et de manière à permettre le passage d'un premier fluide caloporteur autour des EET 3 et celui d'un deuxième fluide caloporteur dans l'espace de circulation de fluide 33. En outre, le premier fluide caloporteur et le deuxième fluide caloporteur 25 peuvent être des fluides identiques ou différents. En outre ou alternativement, l'échangeur de chaleur est celui d'un radiateur à basse température. En variante, l'échangeur de chaleur peut être celui d'un radiateur à haute température. Le dispositif thermique 1 peut comprendre en outre un carter de faisceau pour loger le faisceau d'échange et un collecteur pour coupler le carter de faisceau avec un autre 30 élément du dispositif thermique, le collecteur présentant une grille de maintien des EET 3. 3060104 9 Alternativement, le dispositif thermique 1 peut être une batterie thermique comprenant une enceinte avec une entrée et une sortie de fluide caloporteur, et un faisceau d'échange logé dans l'enceinte et comportant des nappes formées par les EET 3, les EET 3 formant une nappe étant parallèles entre eux et séparés sans contact les uns 5 avec les autres. REVENDICATIONS1. Dispositif thermique (1) pour véhicule automobile comprenant un conduit de circulation de fluide (2) et un élément d'échange thermique (3) au sein du conduit de circulation de fluide (2), l'élément d'échange thermique (3) comprenant : - une enveloppe tubulaire externe (31) ; - une enveloppe tubulaire interne (32) ; l'enveloppe tubulaire interne (32) délimitant à l'intérieur un espace de circulation de fluide (33), l'enveloppe tubulaire externe (31) et l'enveloppe tubulaire interne (32) délimitant entre elles un espace de réception (34), l'élément d'échange thermique (3) comprenant en outre un matériau à changement de phase (35) remplissant l'espace de réception (34). 2. Dispositif thermique (1) selon la revendication 1, dans lequel l'enveloppe tubulaire externe (31) et l'enveloppe tubulaire interne (32) sont en polymère, de préférence en polycarbonate, polyester ou polyamide. 3. Dispositif thermique (1) selon la revendication 1, dans lequel l'enveloppe tubulaire externe (31) et l'enveloppe tubulaire interne (32) sont en métal, notamment en aluminium. 4. Dispositif thermique (1) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'enveloppe tubulaire externe (31) présente un diamètre extérieur compris entre 1 et 25 20 mm. 5. Dispositif thermique (1) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'enveloppe tubulaire externe (31) et l'enveloppe tubulaire interne (32) sont séparées d'une distance comprise entre 50 p.m et 20 mm. 30 6. Dispositif thermique (1) selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le matériau à changement de phase (35) est choisi parmi le groupe constitué d'un acide 3060104 11 gras d'origine végétale, un alcool gras d'origine végétale, une paraffine, un sel hydraté et leurs mélanges. 7. Dispositif thermique (1) selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le 5 matériau à changement de phase (35) présente une température de changement de phase comprise entre 45 et 110°C. 8. Dispositif thermique (1) selon la revendication 7, dans lequel la température de changement de phase (35) est comprise entre 45 et 55°C. 10 9. Dispositif thermique (1) selon la revendication 7, dans lequel la température de changement de phase (35) est comprise entre 80 et 110°C. 10. Dispositif thermique (1) selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel les 15 extrémités des enveloppes tubulaires externe et interne (31, 32) sont scellées par le même matériau que celui formant les enveloppes tubulaires externe et interne (31, 32), par un rivet ou par sertissage, laissant une ouverture vers l'espace de passage de même diamètre que celui-ci. 20 11. Dispositif thermique (1) selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel le dispositif thermique (1) est un échangeur de chaleur ou une batterie thermique. 12. Dispositif thermique (1) selon la revendication 11, dans lequel le dispositif thermique (1) est un échangeur de chaleur comprenant en outre un faisceau d'échange composé d'une superposition de conduits de circulation de fluide (2) tels que définis dans la revendication 1, et dans lequel un ou plusieurs éléments d'échange thermique (3) sont disposés à l'intérieur des conduits de circulation de fluide (2) du faisceau d'échange de manière à ce que la direction longitudinale des éléments d'échange thermique (3) et celle des conduits de circulation de fluide (2) sont colinéaires et de manière à permettre le passage d'un premier fluide caloporteur autour des éléments d'échange thermique (3) et celui d'un deuxième fluide caloporteur dans l'espace de circulation de fluide (33). 3060104 12 13. Dispositif thermique (1) selon la revendication 12, dans lequel le premier fluide caloporteur et le deuxième fluide caloporteur sont des fluides identiques ou différents. 5 14. Dispositif thermique (1) selon la revendication 12 ou la revendication 13 en combinaison avec la revendication 8, dans lequel l'échangeur de chaleur est celui d'un radiateur à basse température. 15. Dispositif thermique (1) selon la revendication 12 ou la revendication 13 en 10 combinaison avec la revendication 9, dans lequel l'échangeur de chaleur est celui d'un radiateur à haute température. 16. Dispositif thermique (1) selon l'une des revendications 12 à 15, comprenant en outre un carter de faisceau pour loger le faisceau d'échange et un collecteur pour 15 coupler le carter de faisceau avec un autre élément de l'échangeur de chaleur, le collecteur présentant une grille de maintien des éléments d'échange thermique. 17. Dispositif thermique (1) selon la revendication 11, dans lequel le dispositif thermique est une batterie thermique comprenant une enceinte avec une entrée et une 20 sortie de fluide caloporteur, et un faisceau d'échange logé dans l'enceinte et comportant des nappes formées par les éléments d'échange thermique, les éléments d'échange thermique formant une nappe et étant parallèles entre eux et séparés sans contact les uns avec les autres.