Brevet FR3131773A1 — publié le 20230714

Echangeur (1) de chaleur comprenant au moins deux passages (2) de fluides en forme d’hélicoïde, dont au moins une portion (3) des passages sont agencés à proximité immédiate les uns des autres, les passages (2) étant aménagés dans un corps (4) unique. FIGURE 5 Echangeur de chaleur monocorps La présente invention concerne un échangeur de chaleur comprenant au moins deux passages de fluides dont au moins une portion des passages sont agencés à proximité immédiate les uns des autres afin de permettre les échanges thermiques entre les deux fluides. Les échangeurs de chaleur sont des dispositifs particulièrement courants utilisés dans d’innombrables applications et dispositifs, en particulier les dispositifs impliquant des moteurs thermiques et des éléments de réfrigération. Classiquement, les échangeurs de chaleur comportent une longue tubulure dans laquelle un fluide circule. La tubulure forme souvent un circuit dans lequel la tubulure inscrit des allers-retours en alternance, agencés côte à côte. Lorsque deux ou plusieurs fluides sont utilisés, les échangeurs sont classiquement en forme de serpentin, avec un double enroulement permettant aux tubulures voisines d’être en contact thermique pouvant favoriser les échanges de calories. Ces agencements sont en général assez volumineux, avec des architectures complexes, et des rendements perfectibles. Pour améliorer ces dispositifs, plusieurs tentatives ont été réalisées avec des agencements visant à délaisser l’utilisation des longs tubes en forme de serpentins. Par exemple, le document US20090101321 décrit un échangeur de chaleur comprenant un corps principal dans lequel sont insérées une pluralité de cellules alignées les unes à côté des autres. Ce type de dispositif est avantageusement compact et efficace, mais complexe à réaliser. Les parcours rectilignes des cellules limitent toutefois les longueurs d’échange thermique. Le document WO2016074048 décrit un échangeur thermique constitué d’une pluralité de plaques superposées dans lesquelles des canaux de circulation fluidique sont agencés. Cette architecture permet de bien adapter l’échangeur en fonction des besoins. Toutefois, ce type de construction avec de multiples éléments constituants est relativement complexe et coûteuse. Ces deux types d’architectures sont complexes à mettre en œuvre, coûteuses, avec des niveaux de performances perfectibles. Pour pallier les différents inconvénients préalablement évoqués, l’invention prévoit différents moyens techniques. Tout d’abord, un premier objectif de l’invention consiste à prévoir un échangeur de chaleur à rendement améliorée. Un autre objectif de l’invention consiste à prévoir un échangeur de chaleur avec surface d’échange optimale. Un autre objectif de l’invention consiste à prévoir un échangeur de chaleur compact, résistant et durable. Encore un autre objectif de l’invention consiste à réaliser une connexion simple entre l’échangeur et le réseau fluidique du système utilisant cet échangeur. Pour ce faire, l’invention prévoit un échangeur de chaleur comprenant au moins deux passages de fluides formant un enroulement en forme d’hélicoïde, dont au moins une portion des passages sont agencés à proximité immédiate les uns des autres, les passages étant aménagés dans un corps unique et le ou les enroulements associés aux différents fluides présentant un décalage angulaire dans le sens de l’enroulement d’au moins un degré. Cette architecture permet de réaliser un échangeur simple, compact, particulièrement efficace. L’agencement monobloc des multiples canaux évite de devoir utiliser les classiques enroulement en forme de serpentins, complexes à réaliser et fragiles à utiliser. Les échangeurs sont avantageusement réalisés à l’aide de fabrication additive, comme par exemple avec une imprimante 3D. Ce mode de réalisation permet de mettre en œuvre une infinité d’agencements monoblocs, pour deux, trois, quatre fluides ou même plus. Les taux d’échanges thermiques entre les différents fluides sont facilement adaptables en modulant les paramètres tels que les longueurs des parcours avec échanges thermiques, les surfaces des passages, le pas des spirales hélicoïdales, les dimensions du corps monobloc, en particulier la longueur du corps monobloc (dans le sens de l’axe longitudinal AL décrit plus loin), les matériaux du corps monobloc, etc. Selon un mode de réalisation avantageux, le décalage angulaire entre les enroulements est égal à 360 degrés divisé par le nombre de fluide circulant dans l’échangeur. Le décalage angulaire entre les passages des différents fluides permet de prévoir des points d’entrée et/ou sortie distincts pour chacun des fluides. Pour un même fluide, plusieurs passages parallèles, alignés angulairement sont avantageusement prévus. Ceci permet d’augmenter les surfaces d’échanges entre les fluides. De manière avantageuse, les passages pour chacun des fluides sont de pas identique. Le pas identique des différents passages permet de conserver un espacement identique sur toute la longueur du corps, avec des échanges thermiques uniformes. Cette disposition permet également d’éviter tout croisement ou intersection entre des passages différents. De manière avantageuse, les passages permettent des échanges de chaleur entre au moins deux fluides séparés. En variante, les passages permettent des échanges de chaleur entre au moins trois fluides séparés. Selon un mode de réalisation avantageux, le corps unique est allongé le long d’un axe longitudinal AL, l’enroulement étant agencé autour de cet axe Selon encore un mode de réalisation avantageux, l’échangeur comprend au moins une chambre de connexion, servant de point d’entrée ou sortie unique pour l’ensemble des passages d’un même fluide. Un tel agencement facilite les connexions entre l’échangeur et le reste du circuit fluidique. Les chambres de connexion sont avantageusement agencées en extrémité du corps unique. Egalement de manière avantageuse, le corps unique est métallique, comme par exemple en cuivre, acier, ou aluminium. Ces métaux et alliages permettent de réaliser des échangeurs hautement efficaces. De manière avantageuse, l’échangeur de chaleur comprend une pluralité de passages assurant le cheminement à travers l’échangeur d’un premier fluide, intercalés entre une pluralité de passages assurant le cheminement à travers l’échangeur d’un second fluide. Ce mode de réalisation permet de multiplier les circuits d’échanges thermiques sans pour autant nécessiter une augmentation du volume de l’échangeur. L’échangeur monobloc permet de prévoir un grand nombre de circuits d’échange, difficilement réalisables à l’aide de serpentins classiques. Tous les détails de réalisation sont donnés dans la description qui suit, complétée par les figures 1 à 10, présentées uniquement à des fins d’exemples non limitatifs, et dans lesquelles: Fig.1 la est une représentation schématique illustrant un exemple de cheminement de passages fluidiques avec deux fluides et un passage par fluide, la figure illustrant des portions creuses dans un corps unitaire solide non montré sur cette représentation schématique; Fig.2 la est une représentation schématique illustrant un exemple de cheminement de passages fluidiques avec deux fluides et un passage pour le premier fluide entouré par deux passages pour le second fluide ; Fig.3 la est une représentation schématique illustrant un exemple de cheminement de passages fluidiques avec trois passages pour le premier fluide et trois passages pour le second fluide, agencés en alternance ; Fig.4 la est une représentation schématique illustrant l’exemple de cheminement de passages fluidiques de la avec une représentation de chambres de connections agencées aux extrémités des passages ; Fig.5 la illustre un exemple d’échangeur monocorps montré en coupe longitudinale, dans lequel des passages en forme d’hélicoïde sont agencés ; Fig.6 la illustre une variante de réalisation de l’échangeur de chaleur de la avec double étage d’enroulement ; Fig.7 la illustre l’échangeur de la en vue de dessus; Fig.8 la est une représentation schématique illustrant le cheminement des passages fluidiques de l’exemple d’échangeur de chaleur de la ; Fig.9 la est une représentation schématique d’un exemple d’intégration d’un échangeur de chaleur pour une application avec un moteur thermique ; Fig.10 la est une représentation schématique d’un exemple d’intégration d’un échangeur de chaleur pour une application avec un moteur à cycle de Stirling. Echangeur (1) de chaleur comprenant au moins deux passages (2) de fluides formant un enroulement en forme d’hélicoïde, dont au moins une portion (3) des passages sont agencés à proximité immédiate les uns des autres, caractérisé en ce que les passages (2) sont aménagés dans un corps (4) unique et en ce que le ou les enroulements associés aux différents fluides présentent un décalage angulaire dans le sens de l’enroulement d’au moins un degré. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, dans lequel le décalage angulaire entre les enroulements est égal à 360 degrés divisé par le nombre de fluide circulant dans l’échangeur. Echangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel les passages (2) pour chacun des fluides sont de pas identique. Echangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les passages permettent des échanges de chaleur entre au moins deux fluides séparés. Echangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le corps (4) unique est allongé le long d’un axe longitudinal AL, l’enroulement étant agencé autour de cet axe. Echangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant au moins une chambre (5) de connexion, servant de point d’entrée ou sortie unique pour l’ensemble des passages (2) d’un même fluide. Echangeur de chaleur selon la revendication 6, dans lequel les chambres de connexion (5) sont agencées en extrémité du corps (4) unique. Echangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le corps (4) unique est métallique. Echangeur de chaleur selon la revendication 8, dans lequel le corps est constitué de cuivre, ou d’acier, ou d’aluminium.