Brevet FR3056718A1 — publié le 20180330

Echangeur thermique comprenant un matériau à changement de phase La présente invention concerne le domaine des échangeurs thermiques et plus particulièrement celui des échangeurs thermiques embarqués dans un véhicule automobile, notamment les radiateurs de refroidissement de liquide de refroidissement 5 de moteur ou encore les refroidisseurs d'air de suralimentation. Les véhicules automobiles sont soumis à un environnement très variable durant le roulage. En effet, le fonctionnement normal du véhicule crée des variations importantes de la température de différents organes comme par exemple le bloc moteur, 10 (notamment lors des montées et descentes de régime qui se produisent aux accélérations et décélérations du véhicule). De plus, le véhicule peut passer de zones d'air froid à des zones d'air chaud, et vice-versa, et être en outre exposé à divers intempéries (recevoir de l'eau de pluie par exemple) qui peuvent accentuer encore les variations de température des organes. 15 Afin de permettre d'atténuer les variations de température de ces organes, les véhicules automobiles sont équipés de circuits de régulation de température comprenant un ou plusieurs échangeurs thermiques. 20 De manière habituelle, les échangeurs thermiques pour véhicules automobiles comprennent des canaux d'échange thermique dans lesquels circule un fluide caloporteur. Lors de sa circulation dans les canaux d'échange thermique, le fluide caloporteur échange de la chaleur avec le milieu entourant les canaux d'échange thermique. Ces échanges de chaleur ont pour but de réchauffer ou de refroidir le fluide 25 caloporteur. Deux boites collectrices respectivement d'entrée et de sortie sont agencées de part et d'autre des canaux d'échange thermique de manière à former un circuit de circulation du fluide caloporteur s'étendant depuis un orifice d'entrée de la boite collectrice d'entrée vers un orifice de sortie de la boite collectrice de sortie. Le fluide caloporteur circule dans ce circuit à travers les différents canaux d'échange 30 thermique. Ce type d'échangeur thermique est dimensionné pour résister aux températures atteintes lors du fonctionnement normal du véhicule et dissiper suffisamment de chaleur dans des plages de températures définies par les constructeurs automobiles. Les 35 températures les plus extrêmes ne sont atteintes que brièvement lors de certaines étapes de fonctionnement de l'échangeur. Ces courtes périodes au cours desquelles 3056718 2 sont atteintes ces températures extrêmes sont nommées pics de température. Ces échangeurs thermiques sont traversés par un fluide caloporteur dont la température varie au cours du temps en fonction de la température des organes à 5 refroidir. La température du fluide caloporteur subit des variations de fréquence assez élevée autour d'une valeur moyenne correspondant à un régime donné de fonctionnement des organes à refroidir. On peut expliquer cela notamment par le fait que le régime du moteur du véhicule varie très souvent lors du roulage, tout particulièrement en agglomération, dans les embouteillages, dans les montées, dans 10 les descentes, etc. La température du fluide en sortie du moteur à refroidir, et donc en entrée de l'échangeur thermique, varie ainsi fréquemment. Les pics de températures peuvent s'avérer difficiles à dissiper par l'échangeur. De ce fait, il peut arriver que les organes du moteur à refroidir montent temporairement à 15 des températures de fonctionnement au-delà de la plage préconisée pour un fonctionnement optimal du moteur. Par exemple, la plage préconisée pour de bonnes conditions de carburations du moteur est comprise entre 80 et 100°C. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients en fournissant un échangeur 20 thermique permettant de réduire les variations de la température du fluide caloporteur le traversant durant le roulage et par conséquent de mieux contrôler la régulation thermique des différents organes. A cet effet, l'invention concerne un échangeur thermique comprenant : 25 - une boite collectrice d'entrée, - une boite collectrice de sortie, et - des canaux d'échange thermique raccordant les deux boites collectrices, les canaux et boites collectrices formant un circuit de circulation d'un fluide caloporteur interne, dans lequel au moins une enveloppe dite à changement de phase, 30 de forme générale tubulaire encapsulant un matériau à changement de phase est logée dans au moins un canal d'échange thermique. Ainsi, l'enveloppe encapsulant le matériau à changement de phase absorbe efficacement la chaleur excédentaire provoquée par des pics de température plus ou 35 moins importants en entrée de l'échangeur thermique, plus précisément dans le canal d'échange thermique. Le matériau à changement de phase permet cette absorption de chaleur via un changement d'état du matériau selon la température du fluide 3056718 3 caloporteur, en l'occurrence par liquéfaction du matériau à changement de phase lorsque le fluide caloporteur atteint une température supérieure ou égale à la température de fusion du matériau à changement de phase. La variation de la température du fluide caloporteur en sortie de l'échangeur thermique est ainsi atténuée. La température du fluide en sortie de l'échangeur est par conséquent plus stable. Le refroidissement des organes recevant le fluide caloporteur est alors plus efficace et la température de ces derniers varie moins brutalement. On comprend ainsi que l'impact des pics de température est diminué voire annulé grâce au lissage des montées en températures obtenues via la présence du matériau à changement de phase au sein d'au moins un canal d'échange thermique de l'échangeur. Ce lissage dans la régulation de température du fluide caloporteur permet de mieux maintenir le moteur dans des conditions optimales de fonctionnement De plus, grâce aux échanges thermiques qu'a un canal avec son environnement, en particulier l'air traversant l'échangeur thermique, l'enveloppe comprenant le matériau à changement de phase placée à l'intérieur d'un canal d'échange thermique permet de régénérer le matériau à changement de phase (par recristallisation ou solidification du matériau à changement de phase). En effet, lorsque la température du fluide caloporteur revient dans une plage prescrite (typiquement entre 80 et 90°C), le matériau à changement de phase va progressivement relâcher la chaleur emmagasinée et changer d'état, par cristallisation. Ainsi régénéré, le matériau à changement de phase recristallisé peut permettre d'absorber un prochain pic de température. A titre d'exemple purement illustratif, lorsque le véhicule est dans une montée, les organes à refroidir sont fortement sollicités ce qui peut entrainer un pic de température du fluide caloporteur en entrée de l'échangeur. Le matériau à changement situé dans l'enveloppe logée dans le canal d'échange thermique va alors changer d'état, i.e. se liquéfier, et ainsi absorber au moins en partie cette brusque élévation de température. Ensuite, lorsque le véhicule est dans une descente, les organes à refroidir sont alors moins sollicités. Le fluide caloporteur en entrée de l'échangeur va revenir dans la plage de température prescrite pour le fonctionnement optimal du moteur, et le matériau à changement de phase va retransmettre au fluide caloporteur la chaleur emmagasinée lors du pic de chaleur de la montée. En relâchant cette chaleur, le matériau à changement de phase va alors se régénérer en se recristallisant. 3056718 4 Au cours des premiers essais, il s'avère que la température maximale mesurée en sortie de l'échangeur a été diminuée de 3°C par rapport à un échangeur thermique classique. 5 Selon d'autres caractéristiques optionnelles correspondant à différents modes de réalisation de l'échangeur thermique : - le matériau à changement de phase a une chaleur latente de fusion supérieure à 280 kJ/m3 ; - le matériau à changement de phase passe de la phase solide à la phase liquide 10 dans une plage de température de fusion comprise entre 20 et 110°C, et plus particulièrement choisi : - entre 45 et 55°C si l'échangeur thermique est destiné au refroidissement de l'air de suralimentation du moteur, - entre 50 et 100°C si l'échangeur thermique est destiné au refroidissement 15 d'une boite de vitesse, - entre 80 et 110°C si l'échangeur thermique est destiné au refroidissement du moteur ; - le matériau à changement de phase est choisi parmi un acide gras, un alcool gras d'origine végétale, une paraffine et un sel hydraté ; 20 - le fluide caloporteur interne est sous forme liquide ; - l'enveloppe a une section circulaire dont le diamètre externe maximal est compris entre 1 mm et 8 mm ; - l'enveloppe a une section ovale ; - l'enveloppe a une section rectangulaire 25 - l'enveloppe a une section transversale comportant deux faces longitudinales opposées, les faces longitudinales étant : - chacune convexe, - respectivement munies d'au moins deux portions concaves séparées par une portion convexe ; 30 - l'enveloppe a un tronçon dont la longueur correspond à plus de 80% de la longueur de l'enveloppe, ce tronçon ayant une section circulaire dont le diamètre est compris entre 1 et 4 mm, et plus particulièrement choisi parmi 4 mm, 2,56 mm, 1,4 mm, 1,7 mm, 1,88 mm et 1,1 mm ; - l'enveloppe a une épaisseur comprise entre 50 et 500 i..tm, de préférence égale à 35 200 i..tm ; - l'échangeur comprend des moyens de positionnement de l'enveloppe dans le canal 3056718 5 d'échange thermique ; - le canal d'échange thermique contenant l'enveloppe présente une section choisie parmi une section de forme générale ronde, ovale, et oblongue ; - l'échangeur étant du type mécanique ou du type brasé. 5 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'une portion d'un échangeur thermique 10 selon un premier mode de réalisation de l'invention, un écorché étant représenté sur une boite collectrice de cet échangeur, cet échangeur thermique formant radiateur ; - la figure 2 est une vue en perspective d'une enveloppe à changement de phase avec une coupe longitudinale d'une portion centrale de cette enveloppe ; - la figure 3 est une section d'un conduit formant canal d'échange thermique de 15 l'échangeur de la figure 1 ; - les figures 4 à 6 sont des illustrations d'autres exemples de sections de canaux d'échange thermique possibles dans lesquels une enveloppe à changement de phase est logée ; et - la figure 7 est un graphique montrant l'évolution en fonction du temps (abscisse) de 20 la température de l'air sortant de l'échangeur thermique formant radiateur (ordonnée de gauche) et de la vitesse d'un véhicule équipé de ce radiateur (ordonnée de droite). La figure 1 représente un échangeur thermique 2 selon un premier mode de réalisation de l'invention, ici un radiateur. Il peut s'agir en l'occurrence d'un radiateur de 25 refroidissement d'un liquide de refroidissement d'un moteur. Un tel échangeur peut être de type mécanique, c'est-à-dire qui comprend des éléments assemblés entre eux par sertissage, ou de type brasé, c'est-à-dire qui comprend des éléments assemblés entre eux par brasage. 30 Cet échangeur comprend une pluralité de conduits formant canaux d'échange thermique 4 parallèles entre eux. Ces conduits peuvent avoir une section 6 (voir figure 3) de forme générale oblongue par exemple. Ils sont sensiblement identiques entre eux. En se référant notamment à la figure 3, on notera que la longueur (grande dimension) de la section des canaux 4 peut varier d'un échangeur à un autre ; elle peut 35 par exemple être de 12,98 mm ou encore de 10,16 mm. Il en est de même pour la largeur (petite dimension) moyenne de la section qui peut par exemple être égale à 1,7 mm (quand la longueur est égale à 12,98 mm) ou encore à 1,79 mm (quand la longueur 3056718 6 est égale à 10,16 mm). La largeur centrale 8 du canal d'échange thermique 4 peut être plus petite que la largeur 10 aux extrémités. Les conduits 4 ont alors deux faces d'échange thermique qui sont les faces supérieure 14 et inférieure 15 sur la figure 3. Chaque extrémité des conduits 4 est fixée à une plaque collectrice 16 (qui peut aussi 5 être appelée « collecteur ») positionnant les conduits 4 entre eux. Une boite collectrice d'entrée ou de sortie 18 est fixée à la plaque collectrice16. Une autre boite collectrice (non représentée), sensiblement identique à la boite collectrice 18, est située à l'autre extrémité de l'échangeur, c'est-à-dire à l'autre extrémité des canaux d'échange thermique, et est fixée à une autre plaque collectrice (non représentée) sensiblement 10 identique à la plaque collectrice 16. Ainsi, les conduits 4 relient les deux boites collectrices entre elles. Lors du fonctionnement de l'échangeur thermique 2, un fluide caloporteur interne entre par un orifice d'entrée ménagé dans la boite collectrice d'entrée, circule à 15 l'intérieur des canaux d'échange thermique 4 jusqu'à la boite collectrice de sortie et quitte l'échangeur thermique 2 par un orifice de sortie ménagé dans la boite collectrice de sortie. Ce fluide est généralement un liquide de refroidissement (par exemple de l'eau glycolée) dans le cas d'un radiateur mais peut aussi être de l'air dans le cadre d'un échangeur thermique de type refroidisseur d'air de suralimentation. Lors de sa 20 circulation à l'intérieur des canaux d'échange thermique 4, le fluide caloporteur interne transmet de la chaleur aux parois de ces canaux d'échange thermique 4. L'échangeur thermique 2 est traversé par un fluide caloporteur externe, qui est de l'air, circulant entre les conduits formant canaux d'échange thermique 4. L'échangeur thermique 2 transmet la chaleur reçue par le fluide caloporteur interne au fluide caloporteur externe. 25 Cette transmission s'effectue par l'intermédiaire d'ailettes de refroidissement (non représentées) s'étendant notamment entre les canaux d'échange thermique 4. Ainsi, la température du fluide caloporteur interne en sortie de l'échangeur thermique 2 est inférieure à la température de ce même fluide en entrée de l'échangeur 30 thermique. Comme illustré à la figure 2, des enveloppes 19, dites à changement de phase, ont une forme générale tubulaire et encapsulent un matériau à changement de phase 20. Ces enveloppes 19 sont logées à l'intérieur des conduits formant canaux d'échange 35 thermique 4. Un matériau à changement de phase est un matériau dont la chaleur latente est 3056718 7 importante et qui est utilisé dans une plage de température comprenant sa température de changement de phase. De cette manière, un matériau à changement de phase est susceptible d'absorber ou de restituer une grande quantité de chaleur lors de son changement de phase. Le matériau à changement de phase peut être un acide gras, 5 un alcool gras d'origine végétal, une paraffine ou encore un sel hydraté. Il a une chaleur latente de fusion supérieure à 280 kJ/m3 ce qui lui permet de stocker une grande quantité d'énergie. La température de fusion du matériau à changement de phase est comprise dans une plage de température comprise entre 20 et 110°C, et qui peut plus particulièrement être choisie entre 50 et 100°C (pour un échangeur basse température 10 destiné au refroidissement d'une boite de vitesse de véhicule par exemple) choisie parmi 45°C à 55°C (pour un échangeur thermique basse température destiné à refroidir l'air de suralimentation du moteur typiquement) et 80°C à 110°C (pour un échangeur thermique haute température destiné à refroidir le moteur). 15 Dans l'exemple illustré (voir notamment figure 3), les enveloppes 19 ont une section circulaire dont le diamètre externe maximal 22 est compris entre 1 mm et 8 mm. Plus particulièrement, les enveloppes 19 ont un tronçon dont la longueur correspond à plus de 80% de la longueur de chaque enveloppe 19 ayant une section circulaire dont le diamètre est compris entre 1 et 4 mm, et peut notamment être choisi parmi 4 mm, 2,56 20 mm, 1,4 mm, 1,7 mm, 1,88 mm et 1,1 mm. Le choix de ce diamètre se fait en fonction de la taille et de la forme de la section du conduit formant canal d'échange thermique 4. Par exemple, le diamètre de la section du tronçon des enveloppes 19 est de 1,7 mm pour un conduit de 12,98 mm de longueur et 1,7 mm de largeur moyenne ou 1,88 mm pour un conduit d'une longueur de 10,16 mm et d'une largeur moyenne de 1,79 mm. Le 25 diamètre de la section des enveloppes 19 détermine en partie la surface d'échange thermique entre le fluide caloporteur interne et le matériau à changement de phase. Le diamètre ainsi que la longueur des enveloppes 19 contribuent à déterminer l'efficacité de l'échange thermique entre chaque enveloppe à changement de phase 19 et le fluide caloporteur interne. D'autres formes de canaux 4 et d'enveloppes 19 seront décrites 30 par la suite. La paroi du corps principal de l'enveloppe a une épaisseur comprise entre 50 lm et 500 i..tm, de préférence égale à 200 i..tm. 35 Les enveloppes à changement de phase 19 illustrées à la figure 2 peuvent être en matériau synthétique, plus particulièrement en matériau plastique. Le corps principal 24 des enveloppes est creux afin d'accueillir le matériau à changement de phase 3056718 8 20.Chaque extrémité d'une enveloppe 19 est fermée par un bouchon 26 comprenant une extrémité interne (non représentée sur les figures) emboîtée dans l'extrémité de l'enveloppe 19 et une extrémité externe 27 munie d'un orifice axial 27A pour la fixation de l'enveloppe dans l'échangeur thermique 2 (voir figures 1 et 2). 5 On se réfère maintenant aux figures 4 à 6 sur lesquelles sont illustrées différentes formes de section de conduits formant canaux d'échange thermique. Dans l'exemple de la figure 4, les conduits formant canaux d'échange thermique 4 ont une section circulaire d'un diamètre 28, qui peut être égal à 8,35 mm par exemple. Ici, une seule 10 enveloppe 19 est présente par conduit 4. Cette enveloppe peut par exemple être d'un diamètre 30 égal à 4 mm. Il est également possible que les conduits formant canaux d'échange thermique aient une section de forme générale oblongue et comprenant trois portions élargies (voir figure 5),. La longueur de la section peut alors être de 12,06 mm et sa largeur moyenne est de 1,69 mm. La section de l'enveloppe à changement de 15 phase est alors de 1,1 mm. Cette section peut aussi être de forme ovale, comme représenté à la figure 6, et présenter une longueur de 12,40 mm et une largeur maximale de 4,82 mm ou encore une longueur de 12,96 mm et une largeur de 3,19 mm par exemple. La section de l'enveloppe à changement de phase peut alors ête respectivement de 2,56 mm et 1,4 mm. 20 Les enveloppes à changement de phase 19 permettent de stabiliser la température du fluide caloporteur interne en sortie de l'échangeur thermique 2, comme illustré à la figure 7. La courbe A représente l'évolution de la température de l'air sortant d'un radiateur comprenant les enveloppes à changement de phase 19. La courbe B 25 représente cette même évolution, et ce dans le cas où le radiateur ne comprend pas d'enveloppes à changement de phase 19. On note une très forte atténuation de l'ensemble des pics de températures sur la courbe A par rapport à la courbe B et ce quelle que soit la vitesse du véhicule (et par conséquent le régime du moteur). La vitesse est représentée par la courbe C. Lors du passage du fluide caloporteur interne 30 dans le canal d'échange thermique 4, il entre en contact avec l'enveloppe à changement de phase 19. Si la température du fluide caloporteur interne est supérieure ou égale à une température comprise dans l'intervalle de changement de phase du matériau à changement de phase 20, ce dernier change de phase (par exemple de la phase solide à la phase liquide) et absorbe la chaleur excédentaire provoquée par des 35 pics de température plus ou moins importants dans le canal d'échange thermique 4. C'est cette absorption qui permet la stabilisation de la température du fluide caloporteur interne en sortie de l'échangeur thermique 2. 3056718 9 Les enveloppes 19 peuvent, dans le premier mode de réalisation illustré aux figures 1, 3, 5 et 6, au nombre de deux par conduit 4 et situées à l'opposée l'une de l'autre en considérant la grande dimension du canal d'échange thermique 4. Elles sont logées 5 parallèles entre elles et parallèles à un axe principal X du canal (voir figure 1). Les enveloppes à changement de phase 19 sont maintenues en position à l'intérieur des canaux d'échange thermique par des moyens de positionnement. Ces moyens de positionnement assurent, d'une part, un positionnement axial des enveloppes à 10 changement de phase 19 dans les canaux d'échange thermique 4 et, d'autre part, un positionnement radial afin de maintenir les enveloppes dans une position telle que le fluide caloporteur interne circule au moins le long d'une portion de l'enveloppe, et de préférence tout autour des enveloppes 19 afin d'augmenter la surface de contact entre ce dernier et les enveloppes à changement de phase 19 et ainsi augmenter l'efficacité 15 de l'échange thermique. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier. 20 Il est notamment possible que l'enveloppe soit de section ovale, rectangulaire, ou avec deux flancs longitudinaux convexes, ou encore deux flancs longitudinaux respectivement munis d'au moins deux portions concaves séparées par une portion convexe. 25 En outre, l'échangeur thermique sur lequel se base les exemples précités est un radiateur destiné au refroidissement d'un moteur. Toutefois, l'invention peut s'appliquer à tout type d'échangeur basse et haute température tels que les refroidisseurs d'air de suralimentation ou autre. REVENDICATIONS1. Echangeur thermique (2) comprenant : - une boite collectrice d'entrée (18), - une boite collectrice de sortie (18), et - des canaux d'échange thermique (4) raccordant les deux boites collectrices (18), les canaux (4) et boites collectrices (18) formant un circuit de circulation d'un fluide caloporteur interne, caractérisé en ce qu'au moins une enveloppe (19), dite à changement de phase, de forme générale tubulaire encapsulant un matériau à changement de phase (20) est logée dans au moins un canal d'échange thermique (4). Echangeur thermique selon la revendication 1, dans lequel le matériau à changement de phase (20) a une chaleur latente de fusion supérieure à 280 kJ/m3. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau à changement de phase (20) passe de la phase solide à la phase liquide dans une plage de température comprise entre 20 et 110°C Echangeur thermique selon la revendication 3, dans lequel, pour le refroidissement d'une boite de vitesse de véhicule, la plage de température à laquelle le matériau à changement de phase (20) passe de la phase solide à la phase liquide est choisie entre 50 et 100 °C. Echangeur thermique selon la revendication 3, dans lequel, pour le refroidissement d'une boite de l'air de suralimentation d'un moteur, la plage de température à laquelle le matériau à changement de phase (20) passe de la phase solide à la phase liquide est choisie entre 45 et 55°C. Echangeur thermique selon la revendication 3, dans lequel, pour le refroidissement d'un moteur de véhicule, la plage de température à laquelle le matériau à changement de phase (20) passe de la phase solide à la phase liquide est choisie entre 80 et 110 °C. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, 10 2. 15 3. 20 4. 25 5. 30 6. 35 7. 3056718 11 8. 59. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. dans lequel le matériau à changement de phase (20) est choisi parmi un acide gras, un alcool gras d'origine végétale, une paraffine et un sel hydraté. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le fluide caloporteur interne est sous forme liquide. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'enveloppe (19) a une section circulaire dont le diamètre externe maximal (22) est compris entre 1 mm et 8 mm. Echangeur thermique selon la revendication précédente, dans lequel l'enveloppe (19) a un tronçon dont la longueur correspond à plus de 80% de la longueur de l'enveloppe, ce tronçon ayant une section circulaire dont le diamètre est compris entre 1 et 4 mm, et de préférence choisi parmi 4 mm, 2,56 mm, 1,4 mm, 1,7 mm, 1,88 mm et 1,1 mm. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel l'enveloppe (19) a une section ovale. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel l'enveloppe (19) a une section rectangulaire. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel l'enveloppe (19) a une section transversale comportant deux faces longitudinales opposées, les faces longitudinales étant chacune convexe, Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel l'enveloppe (19) a une section transversale comportant deux faces longitudinales opposées, les faces longitudinales étant respectivement munies d'au moins deux portions concaves séparées par une portion convexe. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'enveloppe (19) a une épaisseur comprise entre 50 et 500 iim, de préférence égale à 200 iim. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le canal d'échange thermique (4) contenant l'enveloppe présente une 3056718 12 section choisie parmi une section de forme générale ronde, ovale, et oblongue. 17. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'échangeur étant du type mécanique ou du type brasé.