Brevet FR3084740A1 — publié le 20200207

Échangeur de chaleur à matériau à changement de phase. La présente invention concerne le domaine des échangeurs thermiques et plus 5 précisément un échangeur thermique au sein d'un circuit de gestion thermique d'un véhicule automobile. Un véhicule automobile est. généralement soumis à un environnement très variable durant le roulage. En effet, il peut passer de zones d'air froid à chaud, recevoir 10 de l'eau de pluie, subir des rafales de vent. Le caractère ponctuel et chaotique de ces phénomènes et variations rend très difficile la gestion thermique du véhicule au moyen d'un circuit de gestion thermique tel que par exemple un circuit de climatisation. Cela peut également engendrer parfois des dégâts mécaniques au niveau du circuit de gestion thermique et notamment des échangeurs de chaleurs. 15 Pour atténuer ces effets néfastes et améliorer les performances thermiques dans de telles conditions, il est connu par exemple d'utiliser un matériau à changement de phase appliqué au niveau des échangeurs thermiques. Il est connu de disposer ce matériau à changement de phase sous forme de sphères encapsulées au niveau des boites à eau d'un échangeur de chaleur. Cependant, 20 cette solution n'est pas satisfaisante car elle engendre de fortes pertes de charge au fluide caloporteur traversant l'échangeur de chaleur. De plus, cette solution nécessite l'installation d'un dispositif de retenue des sphères de matériau à changement de phase afin qu'elles n'obstruent pas les extrémités des tubes de l'échangeur de chaleur, ce qui augmente d'autant les pertes de charges et complique le montage. 25 Un des buts de l'invention est donc de remédier au moins partiellement aux inconvénients de l'art antérieur et de proposer un échangeur de chaleur comportant un matériau à changement. de phase au niveau d'au moins une de ses boites à eau dont les pertes de charges sont limitées et dont le montage est aisé. 30 2 La présente invention concerne un échangeur de chaleur pour circuit de gestion thermique, ledit échangeur de chaleur comportant des tubes d'échange dans lesquels est destiné à circuler un fluide caloporteur entre une première extrémité d'entrée de fluide caloporteur et une deuxième extrémité de sortie de Iluide caloporteur, ledit échangeur de chaleur comportant en outre une première boite à eau reliant les premières extrémités des tubes d'échange et une seconde boite à eau reliant les deuxièmes extrémités desdits tubes d'échange, au moins une boite à eau définissant un récipient comportant en son sein une cartouche de filaments de matériau à changement. de phase encapsulé. Selon un aspect de l'invention, les tubes d'échanges peuvent être disposés parallèles les uns aux autres sur un même plan et le récipient s'étend longitudinalement dans une direction relativement parallèle à l'alignement des extrémités des tubes d'échanges. Selon un autre aspect de l'invention, le récipient peut avoir une forme cylindrique ou conique. Selon un autre aspect de l'invention, le récipient peut comporter une ouverture à une de ses extrémités longitudinales et un couvercle venant fermer hermétiquement 20 ladite ouverture. Selon un autre aspect de l'invention, ledit couvercle peut comporter un embout de connexion de sorte à permettre l'arrivée ou l'évacuation du fluide caloporteur du récipient. 25 Selon un autre aspect de l'invention, récipient et la cartouche peuvent avoir une forme complémentaire. 3 Selon un autre aspect. de l'invention, les filaments de la cartouche peuvent être espacés les uns des autres de sorte à permettre le passage du fluide caloporteur entre lesdits filaments. 5 Selon un autre aspect de l'invention, la cartouche de filaments de matériau à changement de phase encapsulé peut comporter un filament enroulé en spirale de sorte à former une cartouche spiralée. Selon un autre aspect de l'invention, la cartouche spiralée peut comporter un 10 conduit central de circulation du fluide caloporteur, ledit. conduit. central étant. débouchant à l'extrémité de ladite cartouche spiralée destinée à faire face au couvercle. Selon un autre aspect de l'invention, la cartouche de filaments de matériau à changement de phase encapsulé peut comporter un faisceau de filaments disposés 15 parallèlement les uns aux autres. Selon un autre aspect de l'invention, le faisceau de filaments peut comporter à chacune de ses extrémités une plaque de maintien des filaments de matériau à changement. de phase encapsulé. Selon un autre aspect de l'invention, les filaments peuvent être disposés de sorte à former un conduit de circulation du fluide caloporteur, et la plaque de maintien destinée à faire face au couvercle peut comporter une ouverture débouchant dans ledit conduit de circulation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 montre une représentation schématique en perspective semi-éclatée d'un échangeur de chaleur selon l'invention, 4 - la figure 2 montre une représentation schématique en perspective éclatée d'un récipient d'un échangeur de chaleur, - la figure 3 montre une représentation schématique en perspective d'une cartouche de filaments de matériau à changement de phase encapsulé selon un 5 premier mode de réalisation, - la figure 4 montre une représentation schématique en perspective d'un filament de matériau à changement de phase encapsulé de la cartouche de la figure 3, - la figure 5 montre une représentation schématique en perspective de la cartouche de la figure 3 montée au sein d'un récipient d'un échangeur de chaleur, 10 - la figure 6 montre une représentation schématique en perspective d'une cartouche de filaments de matériau à changement de phase encapsulé selon un deuxième mode de réalisation. Les éléments identiques sur les différentes figures, portent les mêmes références. 15 Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents 20 modes de réalisation peuvent également être combinées et/ou interchangées pour fournir d'autres réalisations. Dans la présente description on peut indexer certains éléments ou paramètres, comme par exemple premier élément ou deuxième élément ainsi que premier paramètre 25 et second paramètre ou encore premier critère et deuxième critère etc. Dans ce cas, il s'agit d'un simple indexage pour différencier et dénommer des éléments ou paramètres ou critères proches mais non identiques. Cette indexation n'implique pas une priorité d'un élément, paramètre ou critère par rapport à un autre et on peut aisément interchanger de telles dénominations sans sortir du cadre de la présente description. 5 Cette indexation n'implique pas non plus un ordre dans le temps par exemple pour apprécier tel ou tels critères. La ligure 1 montre un échangeur de chaleur 1 pour circuit de gestion thermique. 5 Cet échangeur de chaleur 1 comporte des tubes d'échange 3 dans lesquels est destiné à circuler un fluide caloporteur entre une première extrémité d'entrée de fluide caloporteur et une deuxième extrémité de sortie de fluide caloporteur. Les tubes d'échange 3 sont de préférence disposés parallèles les uns aux autres sur un même plan de sorte à former un faisceau de tubes. Entre les tubes d'échange 3 est destiné à passer un autre fluide 10 caloporteur, généralement de l'air, afin d'échanger de la chaleur avec le fluide caloporteur circulant dans les tubes d'échanges 3. Des intercalaires ou ailettes peuvent être insérées entre les tubes d'échange 3 afin d'augmenter la surface d'échange. L'échangeur de chaleur 1 comporte en outre une première boite à eau Sa reliant les premières extrémités des tubes d'échange 3 et une seconde boite à eau 5h reliant les 15 deuxièmes extrémités desdits tubes d'échange 3. La première boite à eau 5a permet ainsi l'arrivée et la distribution du fluide caloporteur dans les tubes d'échange 3 et la seconde boite à eau 5b permet la collecte et l'évacuation du fluide caloporteur ayant traversé les tubes d'échange 3. Ces boites à eau 5a, 5b peuvent notamment comporter une plaque collectrice 51 20 traversée de façon étanche par les extrémités des tubes d'échange 3. Cette étanchéité peut être réalisée par brasage lorsque les tubes d'échange 3 et la plaque collectrice 51 sont en métal, ou hien cette étanchéité peut être réalisée au moyen d'un ou plusieurs joints. Cette plaque collectrice 51 est recouverte par un capot 52 de sorte à former la boite à eau 5a, Sb. 25 Comme le montre toujours la figure 1, au moins une boite à eau 5a;5b, plus précisément son capot 52, comporte un récipient 50 à l'intérieur duquel est destiné à circuler le fluide caloporteur. Ce récipient 50 comporte en son sein une cartouche 7;7' de filaments 70;70' (visibles sur les figures 2 à 6) de matériau à changement de phase encapsulé. Le fait que le matériau à changement de phase soit sous forme d'une 6 cartouche 7 ; 7' permet d'avoir un grand volume de matériau à changement de phase au sein de la boite à eau 5a;5b Le récipient 50 est déporté par rapport à la plaque collectrice 51 et donc par rapport aux extrémités des tubes d'échanges. Cela évite ainsi que la cartouche 7;7' 5 n'obstrue les extrémités des tubes d'échange 3 et augmente les pertes de charges. Par filament 70 ; 70' de matériau à changement de phase encapsulé, on entend plus particulièrement un tube, par exemple en matière polymère ou en métal, idéalement en aluminium, pour maximiser les échanges thermiques, fermé hermétiquement à ses extrémités et à l'intérieur duquel est emprisonné un matériau à changement de phase. La 10 fermeture hermétique du tube peut être réalisée par différents moyens connus tels que des bouchons ou un sertissage ou une soudure ou un collage. De préférence, les filaments 70 ; 70' de matériau à changement de phase encapsulé sont espacés les uns des autres de sorte à permettre le passage du fluide caloporteur entre lesdits filaments 70 ; 70' de matériau à changement de phase 15 encapsulé. Cet espacement permet d'augmenter la surface d'échange entre les filaments 70 ; 70' de matériau à changement de phase encapsulé et le fluide caloporteur et permet également de limiter les pertes de charges. Cet espacement peut être réalisé par des entretoises disposées entre les filaments 70 ; 70'. 20 Dans l'exemple illustré à la figure 1, seule une boite à eau 5a comporte un récipient. 50 et une cartouche 7;7'. Il est. cependant. tout. à fait possible d'imaginer un échangeur de chaleur dont les deux boites à eau 5a;5b comportent un récipient 50 et une cartouche 7;7'. 25 Comme le montre plus en détail les figures 1 et 2, le récipient 50 peut s'étendre longitudinalement dans une direction relativement parallèle à l'alignement des extrémités des tubes d'échanges 3, c'est-à-dire relativement perpendiculairement aux tubes d'échanges 3. La cartouche 7;7' peut ainsi s'étendre elle aussi dans une direction relativement parallèle à l'alignement des extrémités des tubes d'échanges 3 sur toute la 30 longueur du récipient 50. 7 Le récipient 50 et la cartouche 7;7' peuvent avoir notamment une forme complémentaire. Dans l'exemple présenté aux figures 1 et 2, le récipient 50 a une forme cylindrique ou légèrement conique. Ainsi la cartouche 7 ; 7' peut également avoir une 5 forme cylindrique ou légèrement conique et s'étendre parallèlement à l'axe de révolution du récipient 50. ll est cependant tout à fait possible d'imaginer des récipients 50 et des cartouches 7 ; 7' de formes différentes afin de s'adapter aux contraintes de places au sein du véhicule automobile. Le récipient 50 peut également comporter une ouverture 53 à une de ses 10 extrémités longitudinales. Un couvercle 60 peut être disposé sur cette ouverture 53 afin de la fermer hermétiquement. Cette ouverture 53 et ce couvercle 60 permettent une insertion aisée de la cartouche 7 ;7' dans le récipient 50. De plus, cela permet un accès à la cartouche 7 pour maintenance sans avoir à démonter complètement la boite à eau Sa, Sb. 15 Le couvercle 60 peut en outre comporter un embout de connexion 61 de sorte à permettre l'arrivée ou l'évacuation du fluide caloporteur du récipient 50. La figure 3 montre une cartouche 7 de filaments 70 de matériau à changement de phase encapsulé selon un premier mode de réalisation. 20 Dans ce premier mode de réalisation, la cartouche 7 de filaments 70 de matériau à changement de phase encapsulé comporte un faisceau de filaments 70 disposés parallèlement les uns aux autres ou rangés de façon régulière pour un récipient conique. Le faisceau de filaments 70 peut également comporter à chacune de ses extrémités une plaque de maintien 73a, 73b des filaments 70 afin de maintenir lesdits 25 filaments 70. Les plaques de maintien 73a, 73h sont de préférence disposées relativement perpendiculairement aux filaments 70. Ces plaques de maintien 73a, 73b permettent de maintenir des filaments 70 pour la cohésion du faisceau de filaments 70, mais également de ménager un espacement régulier entre les filaments 70. Les plaques de maintien 73a ; 73b peuvent notamment être d'une forme 30 complémentaire à la section du récipient 50. Dans l'exemple illustré à la figure 3, les s plaques de maintien 73a ; 73b ont. une forme circulaire. Les plaques de maintien 73a ; 73h peuvent notamment être criblées d'orifices dans lesquels sont insérées les filaments 70. Comme le montre la figure 4, les filaments 70 de la cartouche 7 peuvent 5 notamment comporter un tube rectiligne 71, par exemple en matière polymère, fermé hermétiquement à ses extrémités par des bouchons 72. Les plaques de maintien 73a, 73b sont notamment configurées pour que leurs orifices viennent coopérer avec ces bouchons 72 lorsqu'elles sont disposées aux extrémités du faisceau de filaments 70. Dans l'exemple de la figure 3, le faisceau de filaments 70 comporte une plaque de 10 maintien 73a ; 73b à chacune de ses extrémités. 11 est cependant tout à fait possible d'imaginer que le faisceau de filaments 70 comporte des plaques de maintien intermédiaires entre ses extrémités. Ces plaques de maintien 73a ; 73h servent également d'entretoise afin de maintenir les filaments 70 espacés les uns des autres. 15 Comme le montre toujours la figure 3, les filaments 70 peuvent être disposés de sorte à former un conduit de circulation 74 du fluide caloporteur. Dans ce cas de figure, la plaque de maintien 73a destinée à faire face au couvercle 60 comporte une ouverture débouchant dans ledit conduit 74. Comme le montre la figure 5, ce conduit. de circulation 74 permet, au niveau 20 d'une première boite à eau 5a destinée à l'arrivée et la distribution du fluide caloporteur dans l'échangeur de chaleur 1, une circulation du fluide caloporteur depuis l'embout de connexion 61 vers le conduit de circulation 74. En sortant du conduit de circulation 74 le fluide caloporteur passe dans les espacements entre les filaments 70. Cela permet une bonne circulation du fluide caloporteur dans le récipient 50 ainsi qu'une bonne 25 homogénéité des échanges de chaleurs entre le matériau à changement de phase et ledit fluide caloporteur. Dans le cas d'une seconde boite à eau 5b destinée à la collecte et l'évacuation du fluide caloporteur ayant traversé les tubes d'échange 3, la circulation du fluide caloporteur serait inverse. En effet, le fluide caloporteur arrive alors dans le récipient 50 9 et passe dans le conduit. de circulation 74 en passant dans les espacements entre les filaments 70 pour ensuite être évacué par l'embout de connexion 61. Selon un deuxième mode de réalisation illustré à la ligure 6, la cartouche 7' de 5 filaments 70' de matériau à changement de phase encapsulé comporte un filament 70' enroulé en spirale de sorte à former une cartouche 7' spiralée. Un unique filament 704 peut ainsi être utilisé pour réaliser la cartouche 7'. Dans ce deuxième mode de réalisation, les filaments 70' sont également espacés les uns des autres, par exemple au moyen d'entretoises (non représentées). 10 La cartouche 7' spiralée peut également comporter un conduit central 74' de circulation du fluide caloporteur former au niveau centrale de la spirale. Ce conduit central 74' peut être débouchant à l'extrémité de ladite cartouche 15 spiralée destiné à faire face au couvercle 60. 15 Ainsi, on voit bien que de par la présence d'un récipient 50 accueillant une cartouche 7;7' de filaments 70 de matériau à changement de phase encapsulé, l'échangeur de chaleur 1 permet d'accueillir une grande quantité de matériau à changement de phase tout en limitant les pertes de charges ainsi que les risques d'obturation des tubes d'échanges 3, et ce avec une cartouche qui peut être aisément 20 monté dans le récipient (ou REVENDICATIONS1 Échangeur de chaleur (1) pour circuit de gestion thermique, ledit échangeur dc chaleur (1) comportant des tubes d'échange (3) dans lesquels est destiné à circuler un fluide caloporteur entre une première extrémité d'entrée de fluide caloporteur et une deuxième extrémité de sortie de fluide caloporteur, ledit. échangeur de chaleur (1) comportant en outre une première boite à eau (5a) reliant les premières extrémités des tubes d'échange (3) et une seconde boite à eau (5b) reliant les deuxièmes extrémités desdits tubes d'échange (3), caractérisé en ce qu'au moins une boite à eau (5a;5b) définit un récipient (50) comportant en son sein une cartouche (7 ;7') de filaments (70 ;70') de matériau à changement de phase encapsulé. 2. Échangeur de chaleur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les tubes d'échange (3) sont disposés parallèles les uns aux autres sur un même plan et que le récipient (50) s'étend longitudinalement dans une direction relativement parallèle l'alignement des extrémités des tubes d'échange (3). 3. Échangeur de chaleur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le récipient (50) a une forme cylindrique ou conique. 4. Échangeur dc chaleur (1) selon l'une quelconques des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le récipient (50) comporte une ouverture (53) à une de ses extrémités longitudinales et un couvercle (60) venant fermer hermétiquement ladite ouverture (53). 11 5. Échangeur de chaleur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit couvercle (60) comporte un embout de connexion (61) de sorte à permettre l'arrivée ou l'évacuation du fluide caloporteur du récipient (50). 5 6. Échangeur de chaleur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le récipient (50) et la cartouche (7 ;7') ont une forme complémentaire. 10 7. Échangeur de chaleur (1) selon l'une quelconques des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que les filaments (70;70') de la cartouche (7 ;7') sont espacés les uns des autres de sorte à permettre le passage du fluide caloporteur entre lesdits filaments (70;70'). 15 8. Échangeur de chaleur (1) selon la revendication 7, caractérisé en ce que la cartouche (7') de filaments (70') de matériau à changement de phase encapsulé comporte un filament (70') enroulé en spirale de sorte à former une cartouche (7') spiralée. 20 9. Échangeur de chaleur (1) selon la revendication précédente en combinaison avec la revendication 4, caractérisé en ce que la cartouche (7') spiralée comporte un conduit central (74') de circulation du fluide caloporteur, ledit conduit central (74') étant débouchant à l'extrémité de ladite cartouche (15) spiralée destinée à faire face au couvercle (60). 25 10. Échangeur de chaleur (1) selon l'une quelconques des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la cartouche (7) de filaments (70) de matériau à changement. de phase encapsulé comporte un faisceau de filaments (70) disposés parallèlement les uns aux autres. 12 11. Échangeur de chaleur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le faisceau de filaments (70) comporte à chacune de ses extrémités une plaque de maintien (73a, 73h) des filaments (70) de matériau à changement de phase encapsulé. 5 12. Échangeur de chaleur (1) selon la revendication précédente en combinaison avec la revendication 4, caractérisé en ce que les filaments (70) sont disposés de sorte à former un conduit de circulation (74) du fluide caloporteur, et que la plaque de maintien (73a) destinée à faire face 10 au couvercle (60) comporte une ouverture débouchant. dans ledit conduit. de circulation (74).