Brevet FR3084988A1 — publié le 20200214

Description Titre de l'invention : ECHANGEUR DE CHALEUR AVIONIQUE [0001] RENVOI A DES DEMANDES ANTERIEURES [0002] La présente demande revendique la priorité au titre de la demande de brevet américaine provisoire n° 62/717 021 déposée le 10 août 2018, qui est intégrée ici par renvoi dans son intégralité. Domaine technique [0003] La divulgation se rapporte à un échangeur de chaleur destiné à contrôler la tem- pérature dans un dispositif électronique ou un ensemble de commande avionique comportant un échangeur de chaleur. [0004] ARRIERE-PLAN [0005] Les moteurs d'avion nécessitent des systèmes de commande très fiables pour assurer un fonctionnement sûr et efficace. La commande fiable des moteurs à turbine à gaz plus sophistiqués, et même de certains moteurs à pistons, est assurée par exemple par un système FADEC (full authority digital enginc control - régulation numérique à pleine autorité du moteur) qui contrôle le fonctionnement du moteur. Un FADEC reçoit les commandes du poste de pilotage sous la forme d'un signal indiquant un niveau de performance exigé d'un moteur. Le FADEC reçoit également des signaux de divers capteurs et d'autres systèmes en relation avec le moteur et l'avion. Le FADEC applique un ensemble de règles de contrôle aux signaux reçus et détermine les signaux de commande à envoyer aux effecteurs sur et autour du moteur. Les signaux de commande envoyés par le FADEC dirigent les effecteurs de manière à produire le niveau de performance requis du moteur. Le FADEC exécute cette fonction de commande plusieurs fois par seconde. [0006] BREVE DESCRIPTION [0007] Un aspect de la présente divulgation concerne un ensemble de commande avionique qui comprend un dispositif de commande de moteur doté d'un boîtier avionique définissant un extérieur et un intérieur, avec au moins un connecteur, s'étendant depuis l'extérieur du boîtier avionique, et au moins un capteur, situé à l'intérieur, et un échangeur de chaleur comprenant un conduit définissant une voie de circulation de fluide comportant au moins un passage de fluide menant d'un orifice d'admission de l'échangeur de chaleur à un orifice de sortie de l'échangeur de chaleur, le conduit définissant une longueur avec une face arrière, et dans lequel, lorsque le conduit est couplé sur le plan fonctionnel à l'extérieur du boîtier avionique, au moins une première partie de la face arrière est espacée de l'extérieur du boîtier avionique, et au moins une deuxième partie de la face arrière est en contact avec l'extérieur du boîtier avionique, et la chaleur du liquide s'écoulant dans la voie de circulation de fluide est transmise au 2 boîtier avionique. [0008] D'autres aspects de l'invention sont indiqués par l'objet des dispositions suivantes : [0009] Ensemble de commande avionique, comprenant un dispositif de commande de moteur doté d'un boîtier avionique définissant un extérieur et un intérieur, avec au moins un connecteur, s'étendant depuis l'extérieur du boîtier avionique, et au moins un capteur, situé à l'intérieur, et un échangeur de chaleur comprenant un conduit définissant une voie de circulation de fluide comportant au moins un passage de fluide menant d'un orifice d'admission de l'échangeur de chaleur à un orifice de sortie de l'échangeur de chaleur, le conduit définissant une longueur avec une face arrière, et dans lequel, lorsque le conduit est couplé sur le plan fonctionnel à l'extérieur du boîtier avionique, au moins une première partie de la face arrière est espacée de l'extérieur du boîtier avionique, et au moins une deuxième partie de la face arrière est en contact avec l'extérieur du boîtier avionique, et la chaleur du liquide s'écoulant dans la voie de circulation de fluide est transmise au boîtier avionique. [0010] Par exemple, la deuxième partie, au nombre d'au moins une, est formée d'une saillie dépassant du conduit. [0011] Par exemple, l'extérieur du boîtier avionique comporte un élément de surface, et la face la plus en arrière de la deuxième partie, au nombre d'au moins une, présente un profil complémentaire de l'élément de surface. [0012] Par exemple, la première partie, au nombre d'au moins une, comprend plusieurs premières parties formant plusieurs espaces entre le conduit et le boîtier avionique. [0013] Par exemple, le passage de fluide ne s'étend pas dans la saillie. [0014] Par exemple, le conduit présente une section transversale non constante entre la première partie, au nombre d'au moins une, et la deuxième partie, au nombre d'au moins une. [0015] Par exemple, le passage de fluide du conduit s'étend vers la face arrière au niveau de la deuxième partie, au nombre d'au moins une. [0016] Par exemple, un creux correspondant est situé dans une face supérieure ou une paroi latérale du conduit, au niveau d'au moins une deuxième partie. [0017] Par exemple, l'ensemble de commande avionique comprend en outre au moins une saillie supplémentaire dépassant de la surface arrière du conduit, sachant que le passage de fluide ne s'étend pas dans la saillie supplémentaire, et la saillie supplémentaire, au nombre d'au moins une, est configurée pour former une voie thermique supplémentaire afin de transmettre par conduction la chaleur de l'échangeur thermique vers l'extérieur du boîtier avionique. [0018] Par exemple, le conduit comprend une face supérieure, opposée à la face arrière, et la face supérieure est retenue par un ensemble de connecteurs couplés sur le plan fonctionnel au boîtier avionique. 3 100191 Par exemple, l'ensemble de connecteurs comprend plusieurs crochets enroulés autour d'au moins une partie de la face supérieure. [0020] Par exemple, l'ensemble de commande avionique comprend en outre au moins un support de montage reliant le conduit sur le plan fonctionnel au boîtier avionique et couvrant l'espace entre au moins une première partie de la face arrière et l'extérieur du boîtier avionique. [0021] Par exemple, le jeu de connecteurs comprend au moins un support de montage placé contre la face supérieure. [0022] Par exemple, l'ensemble de commande avionique comprend en outre une structure de montage secondaire dotée d'un corps s'étendant entre le support de montage, au nombre d'au moins un, et l'extérieur du boîtier avionique. [0023] Par exemple, l'ensemble de commande avionique comprend en outre un fluide ca- loporteur dans l'échangeur de chaleur. [0024] Par exemple, le fluide caloporteur comprend de l'huile. [0025] Par exemple, le dispositif de commande de moteur est un système de régulation de moteur numérique à pleine autorité ou un système de commande de moteur à sous-système de pression. [0026] Par exemple, le conduit n'est pas linéaire sur une longueur du conduit, et la deuxième partie, au nombre d'au moins une, comprend plusieurs deuxièmes parties sur la longueur. [0027] Par exemple, le conduit présente un profil qui est incurvé autour du connecteur, au nombre d'au moins un. [0028] Par exemple, le connecteur, au nombre d'au moins un, comprend un connecteur multiple, et le conduit s'étend sous forme de serpentin autour du connecteur multiple. Brève description des dessins [0029] Sur les dessins, [0030] [fig.1] est une vue schématique, partiellement en coupe, d'un ensemble de moteur à turbine, [0031] [fig.2] est une vue en perspective d'un exemple dc PSS doté d'un échangeur dc chaleur selon des aspects de la présente invention, [0032] [fig.3] est une vue arrière en perspective de l'échangeur de chaleur de la figure 2, [0033] [fig.4] est une vue en coupe transversale d'une partie du PSS et de l'échangeur de chaleur de la figure 2, [0034] [fig.5] est une vue de face d'un échangeur de chaleur qui peut être utilisé conformément à un aspect de la présente invention, [0035] [fig.6] est une vue de côté de l'échangeur de chaleur de la figure 5, [0036] [fig.7] est une vue de face de l'échangeur de chaleur de la figure 5, monté sur l'exemple de PSS de la figure 2, et [0037] [fig.8] est une vue en coupe transversale d'une partie du PSS et de l'échangeur de chaleur de la figure 7. Description des modes de réalisation [0038] Les aspects divulgués ici concernent un échangeur de chaleur destiné à des dis- positifs de commande de moteur tels que le système FADEC (full authority digital engine control - régulation numérique à pleine autorité du moteur) ou le PSS (dispositif de commande de moteur à sous-système de pression), qui peut être inclus ou non dans le FADEC. Par le passé, aussi bien le FADEC que le PSS ont toujours été montés sur le carter du moteur afin de réduire à un minimum la longueur d'acheminement du câblage des capteurs et des actionneurs. Lc FADEC et d'autres composants connus, tels que le PSS, peuvent poser des problèmes lors du fonctionnement, lorsque l'eau évaporée dans les composants se condense, s'accumule, puis gèle. Au cours du fonctionnement, l'eau évaporée et condensée ne pose pas ou pas autant de problèmes que l'eau gelée. Dans le cas du PSS, qui comprend des membranes mesurant les différences de pression dans l'air provenant des compresseurs du moteur, l'air peut être bloqué, la membrane peut être endommagée ou la grandeur de sortie du capteur peut être en partielle faussée par l'eau gelée. Selon certains aspects, la présente invention utilise un échangeur de chaleur pour fournir de la chaleur par convection et par conduction afin d'éliminer l'eau gelée dans ces dispositifs de commande de moteur. [0039] L'échangeur de chaleur pour des dispositifs de commande de moteur est décrit ici dans l'environnement d'un moteur à turbine ; il s'agit en particulier d'un échangeur de chaleur destiné à une unité FADEC ou PSS. Il est toutefois entendu que les aspects de l'invention décrits dans le présent document ne sont pas aussi limités et peuvent s'appliquer de façon générale à tout élément ou système avionique, ainsi qu'aux applications non aéronautiques, telles que d'autres applications mobiles et des applications industrielles, commerciales et domestiques non mobiles. [0040] Tel qu'il est utilisé dans le présent document, le terme « en amont » désigne une direction qui est opposée au sens d'écoulement du fluide, et le terme « en aval » désigne une direction orientée dans le sens de l'écoulement du fluide. Les termes « avant » ou Par ailleurs, la figure 6 montre plus clairement que des saillies supplémentaires 194 peuvent être formées le long de certaines portions du conduit 164, afin de créer des points de conduction supplémentaires. Les saillies 172 et les saillies supplémentaires 194 peuvent être configurées pour constituer un point direct de transfert de chaleur par conduction à partir de l'échangeur thermique 152. Bien que la face arrière 174 soit généralement représentée comme étant plate, cela n'est pas nécessairement le cas. Les saillies 172 et les saillies supplémentaires 194 peuvent généralement avoir la même forme, le même profil ou la même configuration que les éléments de surface sur la face avant 58 (fig. 7). [0059] La figure 7 illustre mieux que la configuration du conduit 164 est telle qu'il est enroulé autour de l'entrée de pression 54 et des connecteurs 60 montés sur la face avant 58 du PSS 50. De cette manière, le conduit 164 s'adapte au PSS 50 et à sa configuration, de telle sorte que l'échangeur de chaleur 52 peut être installé ultérieurement sur un PSS 50 existant. Le conduit 164 peut être enroulé, profilé, façonné ou adapté de manière appropriée pour pouvoir assurer le transfert de chaleur souhaité sur la face avant 58. Des structures de montage secondaires 185 peuvent être utilisées pour fixer le premier support de montage 176 et le deuxième support de montage 182 sur la face avant. Le premier support de montage 176 et le deuxième support de montage 182 peuvent être placés contre la surface supérieure sensiblement plate 192 du conduit 164 et montés sur les structures de montage secondaires 185 par des éléments de fixation 195. Les structures de montage secondaires 185 couvrent la différence de hauteur entre la face avant 58 et le premier support de montage 176 et le deuxième support de montage 182. En variante, le premier support de montage 176 et le deuxième support de montage 182 peuvent être formés d'une autre manière, avec des pattes ou d'autres éléments appropriés pour fixer une partie du conduit 164 sur la face avant 58. [0060] La vue de la figure 8 illustre également de façon plus claire la forme non circulaire de l'intérieur 166 du conduit 164 aux endroits où le conduit 164 est en contact avec la face avant 58. On notera que le conduit 164 peut avoir n'importe quelle forme, profil ou section appropriée et que l'illustration n'est fournie qu'à titre d'exemple. Il est envisagé d'utiliser l'hydroformage pour modifier la section transversale uniquement lorsque cela est nécessaire, par exemple aux endroits où le conduit 164 sera utilisé pour être en contact avec la face avant 58. [0061] En se référant maintenant à la figure 8, le fonctionnement de l'échangeur de chaleur 152 est très similaire à celui de l'échangeur de chaleur 52. Plus précisément, lors du fonctionnement, le PSS 50 détecte la pression en utilisant un ou plusieurs capteurs. L'échangeur de chaleur 152 peut être utilisé pour fournir de la chaleur pour faire fondre l'eau de condensation gelée ou empêcher qu'elle ne gèle autour du ou des capteurs 62. L'échangeur de chaleur 152 peut également contribuer à l'évaporation de l'eau se 11 trouvant dans le PSS 50. L'huile moteur chaude introduite dans l'orifice d'entrée 168 s'écoule dans l'espace intérieur 166 et sort par l'orifice de sortie 170 où elle est renvoyée à l'ensemble de moteur à turbine 10. L'échangeur de chaleur 152 est configuré pour fournir de la chaleur aussi bien par convection que par conduction à la face avant 58. L'échangeur de chaleur 152 a plus de surfaces et plus de surface en contact avec la face avant, ce qui donne une plus grande conduction que l'échangeur de chaleur précédent. Compte tenu du fait que les saillies 172 et les saillies supplémentaires 194 sont en contact direct avec la face avant 58, elles constituent la source la plus probable de conduction thermique. Le contact entre les saillies 172 et les saillies supplémentaires 194 et la face avant 58 est le mieux visible dans la figure 8. Il est prévu que ces saillies 172 et les saillies supplémentaires 194 puissent être placées de façon stratégique le long du conduit 164 pour assurer le transfert thermique aux endroits où une chaleur supplémentaire peut être nécessaire, y compris près des emplacements du ou des capteurs 62. Et enfin, les supports de montage 176 et 182 peuvent également être utilisés pour acheminer la chaleur vers la face avant 158, par l'intermédiaire des structures de fixation secondaires 185. [0062] Il est également envisagé pour tous les échangeurs de chaleur évoqués ci-dessus qu'une pâte thermoconductrice puisse être utilisée pour faciliter davantage le transfert de chaleur de l'échangeur de chaleur à la face avant. Il est prévu qu'une ou plusieurs vannes, capteurs thermiques et éléments analogues puissent être placés à d'autres endroits entre l'ensemble de moteur à turbine et l'échangeur de chaleur. De tels ensembles de vannes peuvent assurer la régulation du débit de l'huile moteur chaude qui passe à l'intérieur de l'échangeur de chaleur. Une telle vanne peut être installée en amont de l'échangeur de chaleur. Il convient de noter qu'il est possible d'utiliser tout type de vanne approprié. [0063] Les moteurs à turbine d'avion sont commandés par des dispositifs électroniques complexes, tels que le FADEC et les unités PSS. Ces dispositifs peuvent être endommagés par l'environnement du moteur, par exemple de l'eau gelée ou du condensat qui gèle. Par conséquent, il peut être nécessaire de chauffer ces dispositifs pour qu'ils fonctionnent correctement. Les aspects de la présente divulgation englobent des échangeurs de chaleur conformes uniques pour contrôler la température de ces appareils électroniques afin d'assurer leur bon fonctionnement. Un exemple d'effet technique des systèmes et procédés décrits dans le présent document comprend au moins l'apport de chaleur, au moins par convection ou par conduction, dans les régions nécessitant de la chaleur. Un autre avantage réside dans le fait que les échangeurs de chaleur à conduits peuvent être ajoutés aux systèmes existants sur place, puisque les échangeurs de chaleur sont conçus pour fonctionner en s'adaptant à la configuration existante du dispositif électronique. Un autre avantage est que les échangeurs 12 thermiques fonctionnent en fournissant de la chaleur au moins par voie de convection ou par voie de conduction aux zones nécessitant de la chaleur. De plus, les échangeurs de chaleur à conduits hydroformés, tels qu'ils sont présentés ici, sont dotés d'un corps monolithique intégral qui élimine la plupart des processus d'assemblage d'un échangeur de chaleur traditionnel. D'autre part, les sections transversales tubulaires de ces échangeurs de chaleur sont plus à même de retenir la pression et peuvent être plus minces. De ce fait, le poids de ces échangeurs de chaleur à conduits représente environ la moitié de celui des modèles classiques en tôle, et le coût de fabrication est également inférieur. [0064] Dans la mesure où cela n'a pas déjà été décrit, les différentes caractéristiques et structures des différents modes de réalisation peuvent être utilisées en combinaison les unes avec les autres, de la manière souhaitée. Le fait qu'une caractéristique n'est éventuellement pas illustrée dans tous les modes de réalisation ne signifie pas qu'elle n'est pas présente, mais cela provient d'un souci de brièveté de la description. Ainsi, les différentes caractéristiques des différents modes de réalisation peuvent être mélangées et associées à volonté pour obtenir de nouveaux modes de réalisation, qu'ils soient ou non expressément décrits. Toutes les combinaisons ou permutations de caractéristiques décrites ici sont couvertes par la présente divulgation. Par exemple, bien que l'échangeur de chaleur ait été représenté et décrit comme étant monté sur le PSS ou installé ultérieurement, il convient de noter que certains aspects de l'invention peuvent être appliqués au FADEC ainsi qu'à d'autres dispositifs pour lesquels les températures doivent être modérées. 13