Brevet FR3081215A1 — publié le 20191122

Micro-tube pour un faisceau d'échange thermique de stockage 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 stockage sont particulièrement adaptées pour une utilisation dans les véhicules automobile. 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 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 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 automobile, la batterie thermique réchauffe le fluide caloporteur avant son passage à l'intérieur du radiateur de chauffage qui permet de transférer le fluide 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 au sein de l'habitacle sur l'autonomie du véhicule électrique. Notamment le réchauffement du liquide n'est que temporaire, la durée d'utilisation du stockage de chaleur est de l'ordre de quelques minutes. 2 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. 5 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 10 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 15 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 20 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 25 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. L'encapsulation de matériaux à changement de phase (PCM) se doit d'être parfaitement étanche par rapport à l'environnement dans lequel elle sera plongée. 30 Le PCM ne devant absolument pas se mélanger avec l'huile ou le glycol par exemple, sous peine d'endommager le véhicule ou l'appareil équipé. 3 De ce fait quand on utilise des tubes pour réaliser l'encapsulation, ses extrémités sont fermées et parfaitement étanches pour créer un volume clos dans lequel le PCM va changer de phase sans se mélanger avec le fluide caloporteur avec lequel il y a échange thermique. 5 L'encapsulation de PCM dans des tubes plastique se fait sans problème car l'enveloppe est souple et se déforme sous les effets de solidification et fusion du matériau à changement de phase. Dans le cas d'utilisation d'enveloppes rigides, telle que des tubes en aluminium, la rigidité de cette enveloppe engendre une élévation de pression bien 10 au-delà de ce qu'elle est en mesure d'accepter (plusieurs dizaines de bar lors de la dilatation du PCM). L'invention vise à juguler cette pression pour la rendre compatible avec la résistance de l'enveloppe rigide d'encapsulation. 15 L'invention a ainsi pour objet un micro-tube pour un faisceau d'échange thermique de stockage notamment pour batterie thermique de stockage, le micro-tube comprenant une enveloppe d'encapsulation, notamment métallique, enveloppe délimitant un espace intérieur agencé pour 20 recevoir un matériau à changement de phase adapté pour stocker et libérer une quantité de chaleur, l'espace intérieur ayant un volume choisi pour contenir à la fois : le matériau à changement de phase dans la phase la plus dilatée lors d'un fonctionnement normal du micro-tube, et 25 -une réserve de gaz, notamment d'air, au contact du matériau à changement de phase. L'invention permet ainsi de ménager une partie du volume interne du tube comme étant compressible, grâce à cette réserve d'air, et ainsi de limiter la pression 30 interne dans le tube. Selon l'un des aspects de l'invention, la réserve de gaz, notamment d'air, présente un volume Va compris entre 10% et 30%, notamment entre 15% et 20% 4 du volume Vpcmmax occupé par le matériau à changement de phase dans la phase la plus dilatée lors d'un fonctionnement normal du micro-tube. Selon l'un des aspects de l'invention, la réserve de gaz, notamment d'air, présente un volume choisi de sorte que la pression interne du micro-tube, lorsque le 5 matériau à changement de phase est dans la phase la plus dilatée lors d'un fonctionnement normal du micro-tube, est choisi entre 0,2 MPa et 0,5 MPa, notamment entre 0,3 MPa et 0,4 MPa. Selon l'un des aspects de l'invention, l'enveloppe est réalisée en aluminium ou en inox. 10 Selon l'un des aspects de l'invention, le micro-tube présente un diamètre compris entre 3 mm et 5 mm, étant sensiblement égal à 4 mm. Selon l'un des aspects de l'invention, le micro-tube présente une épaisseur comprise entre 0,05 mm et 0,2 mm, étant notamment d'environ 0,1 mm. Selon l'un des aspects de l'invention, le micro-tube étant agencé pour résister 15 à une pression de fluide circulant au contact du micro-tube, à l'extérieur de celui, entre 1,5 bar et 3 bars. Selon l'un des aspects de l'invention, le micro-tube comporte un bouchon pour fermer l'espace intérieur à l'une des extrémités du micro-tube, notamment deux bouchons pour fermer les deux extrémités du tube et ainsi fermer l'espace 20 intérieur. Le ou les bouchons peuvent être mécaniquement sertis sur les extrémités ou, en variante, être soudés à l'aide par exemple de laser, ou de procédés magnétiques tels que le magnéto-soudage. L'invention a encore pour objet un faisceau d'échangeur thermique 25 comportant une pluralité de micro-tubes tel que définis ci-dessus, notamment disposés dans un boitier commun. Selon l'un des aspects de l'invention, les micro-tubes sont disposés les uns parallèles aux autres, notamment le pas d'assemblage des micro-tubes étant assuré par un collecteur. 30 L'invention a encore pour objet une batterie thermique comprenant un faisceau d'échange tel que défini ci-dessus. 5 Selon l'un des aspects de l'invention, le matériau à changement de phase comporte des composés minéraux tels que des sels hydrates. En variante, le matériau à changement de phase comporte des composés organiques, tels que les paraffines, soit synthétiques issus du pétrole, soit 5 biologiques issus de végétaux. 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 : 10 la figure la montre une vue, en coupe, d'un micro tube d'un faisceau d'échange thermique comprenant un élément de fixation à un collecteur, selon un premier mode de réalisation, la figure lb est une vue agrandie du détail 9 de la figure la, avant fixation 15 de l'élément de fixation au collecteur la figure lc est une réalisation avantageuse du premier mode de réalisation la figure 2 montre une vue, en coupe, d'un micro tube d'un faisceau d'échange thermique comprenant un élément de fixation à un collecteur 20 selon un deuxième mode de réalisation, la figure 3a est une représentation d'une vue, en coupe, d'un faisceau de micro tubes, - la figure 3b est une vue agrandie d'une partie du faisceau du la figure 3a, - la figure 4 est une vue d'un micro-tube selon un exemple de l'invention. 25 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 au mode de réalisation particulier et aux exemples présentés ci-après. 30 Les figures la et lb montrent une vue, en coupe, d'un micro tube d'un faisceau d'échange thermique comprenant un élément de fixation à un collecteur 6 selon un premier mode de réalisation de l'invention, l'élément de fixation fermant le micro tube de manière étanche. Le micro tube 1 est un tube cylindrique en matériau synthétique, particulièrement en matériau plastique de forme longitudinale, c'est à dire que sa 5 longueur est bien plus importante que son diamètre. Sa dénomination tient du fait de ses faibles dimensions en comparaison aux dimensions habituellement 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. 10 Le micro tube 1 comprend un matériau à changement de phase (MCP) 2. L'élément de fixation 3 au collecteur 4 comprend deux fonctions non dissociables, la fermeture du micro tube 1 et sa fixation sur un collecteur 4. Ainsi, sur la figure la, l'élément de fixation 3 comporte un rivet 5 aveugle qui obture le micro tube 1 et le fixe au collecteur 4. 15 La figure la est une représentation du micro tube 1, après l'opération de rivetage du rivet 5 sur le collecteur 4. Le rivet 5 aveugle est un corps creux comprenant une collerette 5a cylindrique à base ronde et un tube Sb cylindrique à base ronde, la collerette 5a et le tube Sb étant accolés et centrés selon un même axe. Le rivet 5 comprend un trou 20 cylindrique 5e centré sur l'axe du rivet 5 et qui traverse entièrement la collerette 5a et la majeure partie du tube Sb. Le tube Sb est fermé en son extrémité libre 5d. Il n'est pas percé de bout en bout, c'est en cela que le rivet 5 est qualifié d'aveugle. Le collecteur 4 comprend une face externe 4a et une face interne 4b. Il est percé d'au moins un trou 7 traversant. Un micro tube 1 est inséré dans le trou 7 de 25 manière à ce que l'extrémité la du micro tube 1 soit sensiblement au niveau de la face externe 4a du collecteur. Avantageusement, l'extrémité la du micro tube 1 dépasse très légèrement du collecteur 4 sur sa face externe 4a. Lorsque le rivet 5 est introduit dans le micro tube 1, la collerette 5a du rivet 5 est en prise sur la face externe 4a du collecteur 4. Avantageusement, comme 30 montré sur la figure lc, si l'extrémité la du micro tube 1 dépasse du collecteur 4 sur sa face externe 4a avant introduction du rivet 5, alors, lorsque le rivet 5 est introduit dans le micro tube 1, la collerette 5a écrase la partie saillante de l'extrémité la du 7 micro tube 1, ce qui renforce l'étanchéité entre le rivet 5 et le micro tube 1. L'extrémité la du micro tube 1 se retrouve plaquée par la collerette 5a du rivet 5 contre la face externe 4a du collecteur 4. La fixation du rivet 5 sur le collecteur 4 s'effectue par opération de rivetage. 5 Le rivet 5 avant rivetage comporte un clou dans le trou 5e du rivet 5, la tête de ce clou étant située au fond du trou 5e et solidaire du rivet 5, la tige du clou dépassant du trou 5e. Pendant l'opération de rivetage, une pince à riveter tire sur la tige du clou, la tête du clou pénètre le tube Sb du rivet 5, déformant ainsi fortement la partie Sc du tube Sb située sous le collecteur 4 ainsi que la partie lb du micro tube 1. Sur la 10 figure 1, on constate que la partie Sc du rivet 5 est bombée et en prise sur la face 4b du collecteur 4. La partie du micro tube 1 qui se trouve dans le collecteur 4 se retrouve prise en sandwich entre la collerette 5a du rivet 5 qui est en prise sur la face 4a du collecteur et l'expansion lb du micro tube 1 qui est prise sur la face opposée 4b du collecteur 4. Le rivet maintient donc le micro tube 1 au collecteur par 15 l'expansion lb du micro tube 1 contre la face 4b du collecteur, la collerette 5a étant en prise sur la face opposée 4a du collecteur. Selon un premier mode de réalisation, le diamètre extérieur du micro tube 1 avant expansion du rivet 5 est inférieur d'au moins un dixième de millimètre et de préférence plusieurs dixièmes de millimètre au diamètre du trou 7 dans le 20 collecteur 4. Ce jeu 10, visible sur la figure lb, entre le collecteur 4 et le micro tube 1 permet que la fin d'opération de rivetage expanse également la partie Sb du rivet 5 localisée dans le collecteur 4, la partie du micro tube 1 associée étant expansée également, contre les parois du trou 7 du collecteur 4. Ainsi, par cette opération de rivetage, le rivet 5 plaque au moins une partie du micro tube 1 localisée dans le trou 25 7 du collecteur 4 contre le collecteur 4. Conformément à la représentation sur la figure la, le clou s'arrache totalement, laissant dans le fond du trou 5e une part de matière 8, seule trace restante de la présence du clou dans le rivet S. 30 Selon un deuxième mode de réalisation, visible sur la figure 2, le jeu 10 entre le collecteur 4 et le micro tube 1 avant expansion est inférieur à un dixième de millimètre. Dans ce cas, la fin d'opération du rivetage se passe différemment. La tête 8 du clou se bloque contre la paroi 4b du collecteur 4, la tige du clou se casse automatiquement sous sa tête lorsque le degré maximum de traction de la tige est atteint, laissant la tête du clou 6 à l'intérieur du rivet S. Le jeu 10 reste donc équivalent après l'opération de rivetage. S Le seuil de un dixième de millimètre du jeu 10 est donné à titre indicatif et dépend du type de rivet et de l'opération de rivetage (force de traction). Avantageusement, le rivet 5 est aveugle, ce qui permet d'assurer l'étanchéité 10 du rivet 5 dans le micro tube 1 par rapport au MCP 2 contenu dans ce micro tube 1. Les figures 3a et 3b montrent une vue en perspective d'un faisceau d'échange 11 de micro tubes 1, chaque micro tube 1 comprenant un élément de fixation 3 au collecteur 4 tel que décrit précédemment et illustré en figure la et 2. 15 Dans le faisceau d'échange 11, les micro tubes sont disposés les uns parallèles aux autres à l'intérieur d'une boîte de réception d'une batterie thermique. Les micro tubes 1 sont localisés dans des trous 7 percés dans le collecteur 4. Sur les figures 3a et 3b, les micro tubes sont accolés par leurs éléments de fixation 3, c'est-à-dire les collerettes 5a des rivets S. Ils sont agencés en quinconce 20 les uns par rapport aux autres selon une alternance de lignes Ll 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 micro tubes des lignes Ll 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 25 rapport à l'autre. Cet agencement est défini par la localisation des trous 7 dans le collecteur 4. Sur les figures 3a et 3b, le diamètre maximum du micro tube 1 sur l'expansion lb est sensiblement égal au diamètre extérieur de la collerette 5a du rivet S. Il en résulte que les micro tubes 1 sont accolés à la fois par leur collerette 5a 30 des rivets 5 et aux expansions lb des micro tubes 1. Le diamètre extérieur des micro tubes 1 aux endroits remplis de MCP 2 étant inférieur au diamètre extérieur des micro tubes 1 en l'expansion lb et au diamètre 9 extérieur de la collerette 5a du rivet 5, il en résulte un espace entre les micro tubes 1 qui permet à un fluide 14 de circuler. Sur la figure 3b, cet espace est défini par un espacement 13 entre deux parois externes de micro tubes adjacents, cet espacement étant mesuré transversalement aux axes des micro tubes 1. 5 Sur les figures 3a et 3b, le pas d'assemblage D des micro tubes 1 est défini par la collerette 5a du rivet 5 des micro tubes fermés, cela correspond au diamètre de la collerette 5a du rivet S. Ce pas d'assemblage D est également égal au diamètre maximal de l'expansion lb du micro tube 1. Le pas d'assemblage étant dans tous les cas défini par la localisation des trous 7 du collecteur 4, D correspond également à la 10 distance de centre de perçage entre deux trous 7. Ce mode de réalisation est un exemple. Les micro tubes 1 étant fixé mécaniquement au collecteur 4 par les rivets 5, il n'est pas nécessaire pour la bonne tenue mécanique du faisceau 11 qu'ils soient accolés. Le mode de réalisation présenté est la forme de réalisation la plus compacte du faisceau 11, le but étant de 15 densifier le nombre de micro tubes 1, c'est-à-dire la masse de MCP 2. Cependant, il peut être souhaitable d'espacer les micro tubes 1 d'un plus grand espacement 13 pour des raisons de performances d'échange thermique. De même, il n'est pas nécessaire que le diamètre des expansions lb soit égal au diamètre extérieur des collerettes 5a. Dans ce cas, le mode de réalisation le plus 20 compact correspondra à l'accolement des micro tubes 1 soit par leurs expansions lb, soit par leurs collerettes 5a, selon les diamètres de ces deux éléments. 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 25 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 et un pas d'assemblage D de 4.6 millimètres des micro tubes 1. Un micro tube 1 peut être fermé et fixé au collecteur en sa première 30 extrémité par un élément de fixation 3 tel que décrit dans l'invention et de manière différente ou similaire en sa deuxième extrémité. 10 Il est même envisageable que dans un faisceau d'échange 11, certains micro tubes ne soient pas fixés au collecteur par un élément de fixation 3 tel que décrit dans l'invention. 5 On a représenté sur la figure 4 un autre exemple de mise en oeuvre de l'invention. Dans cet exemple, le micro-tube 1 comprend une enveloppe d'encapsulation métallique 30, enveloppe délimitant un espace intérieur 31 agencé pour recevoir le matériau à changement de phase 2, l'espace intérieur 31 ayant un volume Vt choisi 10 pour contenir à la fois : le matériau à changement de phase 2 dans la phase la plus dilatée lors d'un fonctionnement normal du micro-tube, et -une réserve d'air 35 au contact du matériau à changement de phase 2. La réserve d'air 35 présente un volume Va compris entre 10% et 30%, 15 notamment entre 15% et 20% du volume Vpcmmax occupé par le matériau à changement de phase dans la phase la plus dilatée lors d'un fonctionnement normal du micro-tube. On a le volume Vpcmmax=Vpcmmin+ Vd 20 où Vpcmmin est le volume occupé par le matériau à changement de phase dans la phase la moins dilatée lors d'un fonctionnement normal du micro-tube Vd étant le volume de dilatation. Sur la figure 4, le micro-tube de gauche est dans l'état où le matériau à 25 changement de phase n'est pas dilaté au contraire du micro-tube représenté à droite où le matériau à changement de phase est dilaté. La réserve d'air 35 présente un volume choisi de sorte que la pression interne du micro-tube 1, lorsque le matériau à changement de phase est dans la 30 phase la plus dilatée lors d'un fonctionnement normal du micro-tube, est choisi entre 0,2 MPa et 0,5 MPa, notamment entre 0,3 MPa et 0,4 MPa. L'enveloppe 30 est réalisée en aluminium. 11 Le micro-tube 1 présente un diamètre compris entre 3 mm et 5 mm, étant sensiblement égal à 4 mm. Le micro-tube présente une épaisseur comprise entre 0,05 mm et 0,2 mm, étant notamment d'environ 0,1 mm. 5 Le micro-tube étant agencé pour résister à une pression de fluide circulant au contact du micro-tube, à l'extérieur de celui, entre 1,5 bar et 3 bars. Le micro-tube 1 comporte deux bouchons 37 pour fermer les deux extrémités 38 du micro-tube et ainsi fermer l'espace intérieur 31. Dans l'exemple décrit, le réchauffement du liquide n'est que temporaire, la 10 durée d'utilisation du stockage de chaleur est de l'ordre REVENDICATIONS1. Micro-tube (1) pour un faisceau d'échange thermique de stockage (11) notamment pour batterie thermique de stockage, le micro-tube comprenant une enveloppe d'encapsulation (30) notamment métallique, enveloppe délimitant un espace intérieur (31) agencé pour recevoir un matériau à changement de phase (2) adapté pour stocker et libérer une quantité de chaleur, l'espace intérieur ayant un volume choisi pour contenir à la fois : le matériau à changement de phase (2) dans la phase la plus dilatée lors d'un fonctionnement normal du micro-tube, et -une réserve de gaz (35), notamment d'air, au contact du matériau à changement de phase. 2. Micro-tube selon la revendication précédente, dans lequel la réserve de gaz (35), notamment d'air, présente un volume Va compris entre 10% et 30%, notamment entre 15% et 20% du volume Vpcmmax occupé par le matériau à changement de phase dans la phase la plus dilatée lors d'un fonctionnement normal du micro-tube. 3. Micro-tube selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la réserve de gaz, notamment d'air, présente un volume choisi de sorte que la pression interne du micro-tube, lorsque le matériau à changement de phase est dans la phase la plus dilatée dilatée lors d'un fonctionnement normal du micro-tube, est choisi entre 0,2 MPa et 0,5 MPa, notamment entre 0,3 MPa et 0,4 MPa. 4. Micro-tube selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'enveloppe est réalisée en aluminium ou en inox. 13 5. Micro-tube selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le micro-tube présente un diamètre compris entre 3 mm et 5 mm, étant sensiblement égal à 4 mm. 5 6. Micro-tube selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le micro-tube présente une épaisseur comprise entre 0,05 mm et 0,2 mm, étant notamment d'environ 0,1 mm. 7. Micro-tube selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le 10 micro-tube comporte un bouchon (37) pour fermer l'espace intérieur à l'une des extrémités du micro-tube, notamment deux bouchons pour fermer les deux extrémités du tube et ainsi fermer l'espace intérieur. 8. Faisceau d'échangeur thermique comportant une pluralité de micro- 15 tubes selon l'une des revendications précédentes, notamment disposés dans un boitier commun. 9. Faisceau d'échange thermique de stockage selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les micro tubes (1) sont 20 disposés les uns parallèles aux autres, notamment le pas d'assemblage (D) des micro tubes étant assuré par un collecteur (4). 10. Batterie thermique comprenant un faisceau d'échange (11) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 25