Brevet FR3155055A1 — publié le 20250509

L'invention concerne un agencement d'au moins deux tubes vortex (12) en cascade, dans lequel chaque tube vortex (12) comporte un générateur (14) coaxial à un axe principal A, un tube principal (16) et une valve conique (20) située à une extrémité axiale libre (22) du tube principal (16), dans lequel un écoulement tourbillonnaire primaire (28) s'écoule axialement par rapport à l'axe principal A dans une partie périphérique du tube principal (16) et dans lequel un écoulement tourbillonnaire secondaire (30) s'écoule axialement par rapport à l'axe principal A dans une partie radialement centrale du tube principal (16), caractérisé en ce que les tubes vortex (12) sont mis en communication pour mélanger directement l'écoulement tourbillonnaire primaire (28) d'un tube vortex (12) avec l'écoulement tourbillonnaire primaire (28) de l'autre tube vortex (12) ou pour mélanger directement l'écoulement tourbillonnaire secondaire (30) d'un tube vortex (12) avec l'écoulement tourbillonnaire secondaire (30) de l'autre tube vortex (12). Figure pour abrégé : Fig. 3 agencement de tubes vortex en cascade L'invention concerne un agencement pour la production de flux d'air à températures différentes à partir d'un seul flux d'air, par l'utilisation de plusieurs tubes vortex aussi connus sous la dénomination tubes de Ranque-Hilsch. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les tubes vortex permettent de séparer un écoulement entrant à une pression fixée, en deux écoulements de plus basse pression, l’un plus chaud et l’autre plus froid que l’écoulement initial. Ce phénomène est nommé effet de séparation de température. Ces tubes sont utilisés dans différentes applications comme par exemple le refroidissement de pièces ou d’outils de coupe dans des ateliers, refroidissement d’armoires électriques, la déshumidification d’échantillons gazeux ou la séparation chimique dans des écoulements gazeux. Un tube vortex se compose d’un tube, d’un générateur comportant un ensemble de buses tangentielles au tube, d’une valve conique à l’orifice de sortie chaud, et d’un orifice de sortie froid. Cette valve de contrôle permet de modifier la proportion de l’écoulement d’entrée sortant côté chaud et côté froid. Les performances des tubes vortex sont généralement données en fonction du CMF (Cold Mass Fraction), qui est le ratio du débit massique sortant côté froid par rapport au débit massique d’entrée. Il a été proposé de disposer des tubes vortex en série ou en parallèle pour améliorer les performances et/ou les effets de l'installation, que ce soit dans la production d'air froid ou de la production d'air chaud. L'invention a pour but de proposer un agencement de tubes vortex innovant (résultant d’un mix entre les configurations série et parallèle) permettant d'améliorer encore l'efficacité du couplage des tubes vortex. L'invention propose un agencement d'au moins deux tubes vortex en cascade, dans lequel chaque tube vortex comporte un générateur coaxial à un axe principal A, un tube principal et une valve conique située à une extrémité axiale libre du tube principal, dans lequel un écoulement tourbillonnaire primaire s'écoule axialement par rapport à l'axe principal A dans une partie périphérique du tube principal et dans lequel un écoulement tourbillonnaire secondaire s'écoule axialement par rapport à l'axe principal A dans une partie radialement centrale du tube principal, caractérisé en ce que les tubes vortex sont mis en communication pour mélanger directement l'écoulement tourbillonnaire primaire d'un tube vortex avec l'écoulement tourbillonnaire primaire de l'autre tube vortex ou pour mélanger directement l'écoulement tourbillonnaire secondaire d'un tube vortex avec l'écoulement tourbillonnaire secondaire de l'autre tube vortex. Selon un tel agencement, les tubes vortex sont couplés directement l'un à l'autre. Il y a donc minimisation des pertes de charge pouvant nuire à son efficacité. De préférence, au moins un tube vortex comporte un tube secondaire par lequel l'écoulement secondaire dudit au moins un tube vortex est évacué dudit a moins un tube vortex, et le tube secondaire d'un tube vortex est débouchant dans le tube principal de l'autre tube vortex, pour mélanger directement l'écoulement tourbillonnaire secondaire dudit au moins un tube vortex avec l'écoulement tourbillonnaire secondaire de l'autre tube vortex. De préférence, ledit tube secondaire dudit au moins un tube vortex débouche dans le tube principal de l'autre tube vortex à proximité du générateur dudit autre tube vortex. De préférence, l'extrémité libre du tube principal d'un tube vortex est débouchante dans le tube principal de l'autre tube vortex par l'intermédiaire du générateur dudit autre tube vortex pour mélanger directement l'écoulement tourbillonnaire primaire dudit un tube vortex avec l'écoulement tourbillonnaire primaire dudit autre tube vortex. De préférence, ledit autre tube vortex est un tube vortex à écoulements parallèles. De préférence, la valve conique d'un tube vortex est annulaire et la valve conique d'un autre tube vortex est pleine radialement. De préférence, la valve conique annulaire est traversée par le tube secondaire dudit au moins un tube vortex qui débouche dans le tube principal de l'autre tube vortex De préférence, la valve conique pleine est débouchante dans le générateur de l'autre tube vortex. De préférence, l'agencement comporte des moyens de positionnement des tubes vortex coaxialement à l'axe principal A. De préférence, la valve conique annulaire participe au positionnement des tubes vortex coaxialement à l'axe principal A. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux figures annexées parmi lesquelles : FIG. 1 est une représentation schématique en perspective d'un tube vortex unitaire selon le savoir-faire antérieur, qui est du type à écoulements croisés ; FIG. 2 est une section axiale d'un tube vortex unitaire selon le savoir-faire antérieur, qui est du type à écoulements parallèles ; FIG. 3 est une vue en section axiale d'un agencement selon un premier mode de réalisation de l'invention ; FIG. 4 est une représentation schématique en perspective d'un agencement tel que représenté à la FIG. 3 ; FIG. 5 est un détail à plus grande échelle montrant un exemple de liaison entre un tube principal et un tube secondaire des tubes vortex assemblés selon le premier mode de réalisation; FIG. 6 est une vue similaire à celle de la FIG. 3 , montrant un agencement selon un autre mode de réalisation de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On a représenté à la FIG. 1 un premier type de tube vortex 12 élémentaire, communément désigné à "écoulements croisés". Ce tube vortex 12 comporte un générateur 14 possédant un axe principal A, un tube principal 16 et un tube secondaire 18 coaxiaux à l'axe principal A qui sont disposés axialement de part et d'autre du générateur 14. Le tube vortex12 comporte en outre une valve conique 20 située à une extrémité axiale libre 22 du tube principal 16. Le diamètre du tube secondaire 18 est inférieur au diamètre du tube principal 16. Le générateur 14 comporte une pluralité de buses d'injection 24 qui sont orientées tangentiellement par rapport à l'axe principal A et par lesquelles de l'air alimente le tube vortex 12 par l'intermédiaire du générateur 14. L'air comprimé pénètre dans le générateur 14 tangentiellement à l'axe principal A, produisant un écoulement tourbillonnaire primaire 28 (visible aux figures 2 et 3). Cet écoulement tourbillonnaire primaire 28 s'écoule axialement le long du tube principal 16, qui est le tube de diamètre le plus important, depuis son extrémité 26 par laquelle le tube principal 16 est relié au générateur 14 en direction de l'extrémité axiale libre 22 du tube principal 16 qui porte la valve conique 20. En rencontrant la valve conique 20, l'écoulement tourbillonnaire primaire 28 se divise en un flux d'air chaud qui sort du tube principal 16 au niveau de la valve conique 20 et un écoulement tourbillonnaire secondaire 30 froid qui s'écoule à contresens de l'écoulement tourbillonnaire primaire 28, c’est-à-dire depuis l'extrémité libre 22 du tube principal 16 jusqu'à une extrémité libre 21 du tube secondaire 18 et radialement à l'intérieur de celui-ci. L'écoulement tourbillonnaire secondaire 30 traverse axialement le générateur 14 puis est évacué par le tube secondaire 18. On a représenté à la FIG. 2 un deuxième type de tube vortex 12 élémentaire qui est du type communément désigné à "écoulements parallèles". Ce tube vortex 12 comporte un générateur 14, un tube principal 16 et une valve conique 20 située à une extrémité axiale libre 22 du tube principal 16, qui est opposée au générateur 14. Selon ce deuxième type de tube vortex 12, l'air comprimé pénètre dans le générateur 14 tangentiellement à l'axe principal A, produisant un écoulement tourbillonnaire primaire 28 chaud s'écoulant axialement par rapport à l'axe principal A dans une partie périphérique du tube principal 16 et un écoulement secondaire 30 froid s'écoulant axialement par rapport à l'axe principal A dans une partie radialement centrale du tube principal 16. Selon ce deuxième type de tube vortex 12, les deux écoulements tourbillonnaires 28, 30 sont coaxiaux l'un à l'autre et à l'axe principal A et traversent le tube principal 16 dans le même sens, c’est-à-dire depuis le générateur 14 vers la valve conique 20, au niveau de laquelle ils sont évacués séparément. A cet effet, la valve conique 20 est annulaire, comme on le décrira par la suite. On a représenté aux figures 3 et 4 un agencement de deux tubes vortex 12 élémentaires en cascade selon un premier mode de réalisation de l'invention. Il sera compris que l'invention n'est pas limitée à un agencement comportant seulement deux tubes vortex 12 élémentaires et que l'agencement peut comporter un plus grand nombre de tubes vortex 12 élémentaires disposés en cascade. Les deux tubes vortex 12 sont des tubes vortex du premier type, à écoulement croisé. Ils sont coaxiaux à un même axe principal A commun et sont décalés axialement l'un par rapport à l'autre. Le raccordement des tubes vortex 12 s'effectue par un raccordement du tube principal 16 d'un premier tube vortex avec le tube secondaire 18 du deuxième tube vortex 12. De plus, ce raccordement consiste en ce que le tube secondaire 18 du deuxième tube vortex 12 s'étend au moins en partie à l'intérieur du tube principal 16 du premier tube vortex 12. Grace à cet agencement, l'écoulement tourbillonnaire secondaire 30 qui est issu du second tube vortex 12 se mélange directement à l'écoulement tourbillonnaire secondaire produit dans le premier tube vortex 12. Le raccordement des tubes vortex 12 est donc direct, il n'y a aucun composant ne générant de perte de charge entre eux, ce qui augmente l'efficacité globale de l'agencement. Selon un mode de réalisation préféré, le tube secondaire 18 du deuxième tube vortex 12 a une extrémité libre par laquelle il est débouchant axialement, qui est située dans le tube principal 16 du premier tube vortex 12 à proximité du générateur 14. Comme on peut le voir plus en détails à la FIG. 5 , la valve conique 20 associée au tube principal 16 du premier tube vortex 12, qui est celle traversée par le tube secondaire 18 du deuxième tube vortex 12, est de forme annulaire pour pouvoir évacuer le flux d'air chaud notamment. La valve conique 20 délimite un logement cylindrique coaxial à l'axe principal A qui est de préférence complémentaire du tube secondaire 18 du deuxième tube vortex 12. La valve conique 20 permet, grâce à cela, de participer à un positionnement du deuxième tube vortex 12 coaxialement au premier tube vortex 12 et à l'axe principal A. La valve conique 20 associée au tube principal 16 du deuxième tube vortex 12 est quant à elle pleine, c’est-à-dire qu'elle s'étend radialement jusqu'à l'axe principal A puisqu'elle n'a pas besoin d'être traversée physiquement par un autre composant. Selon un mode de réalisation préféré, chaque tube vortex 12 est produit en tant que composant indépendant, c’est-à-dire que le générateur 14, le tube principal 16, le tube secondaire 18 et la valve conique 20 sont fixés les uns aux autres de manière connue, par exemple par soudage, brasage ou par impression en trois dimensions. Les tubes vortex 12 sont alors assemblés l'un à l'autre pour obtenir une configuration voulue, à deux ou plus tubes vortex 12. Une telle solution est particulièrement avantageuse du fait que seules deux références de tubes vortex 12 sont nécessaires, à savoir un tube vortex 12 correspondant au premier tube vortex 12 de l'assemblage qui vient d'être décrit, et comportant une valve 20 annulaire telle que représentée à la FIG. 5 et qui est destinée à être traversée par le tube secondaire 18 d'un autre tube vortex 12, et un tube vortex 12 correspondant au deuxième tube vortex 12 de l'assemblage qui vient d'être décrit comportant une valve 20 pleine, comme on l'a défini précédemment. Comme on l'a indiqué précédemment, les tubes vortex 12 sont disposés coaxialement l'un à l'autre et à l'axe principal A et ils sont décalés l'un par rapport à l'autre le long de l'axe principal A. L'agencement comporte des moyens pour maintenir les tubes vortex 12 coaxialement à l'axe principal A. Selon un premier mode de réalisation, ces moyens de maintien comportent le logement central de la valve conique 20 associée au tube principal 16 du premier tube vortex 12. Cette valve conique 20 étant annulaire, le logement qu'elle délimite est complémentaire du tube secondaire 18 du deuxième tube vortex 12. On a représenté à la FIG. 6 un autre mode de réalisation de l'invention comprenant deux tubes vortex 12 associés en série, dont chacun est de l'un des deux types. Selon cet autre mode de réalisation, ce sont les tubes principaux 16 des deux tubes vortex 12 qui sont mis en communication l'un avec l'autre. L'écoulement tourbillonnaire primaire 28 d'un tube vortex se mélange avec l'écoulement primaire 28 de l'autre tube vortex 12, tandis que l'écoulement tourbillonnaire secondaire 30 de chacun des deux tubes vortex 12 est débouchant à l'une des extrémités axiale de l'ensemble correspondant au tube vortex 12 associé. Selon ce mode de réalisation, la valve conique 20 d'un premier tube vortex 12, qui est celui à écoulement croisé, (celui de gauche à la FIG. 6 ) débouche dans le générateur du deuxième tube vortex 12 qui est à écoulements parallèles (celui de droite à la FIG. 6 ). Le flux d'air chaud provenant du premier tube vortex 12 se mélange alors avec l'écoulement tourbillonnaire primaire 28 du deuxième tube vortex 12. L'air chaud résultant sort par la valve conique 20 du deuxième tube vortex 12. Ici, dans le premier tube vortex 12, l'écoulement tourbillonnaire secondaire 30 circule à contre courant par rapport à l'écoulement tourbillonnaire primaire 28 et dans le deuxième tube vortex 12, l'écoulement tourbillonnaire secondaire 30 circule dans le même sens que l'écoulement tourbillonnaire primaire 28. Ainsi, chaque écoulement tourbillonnaire secondaire 30 est évacué vers une extrémité axiale de l'agencement. Pour cela, la valve conique 20 du premier tube vortex 12 est pleine, c’est-à-dire qu'elle s'étend radialement jusqu'à l'axe principal A et la valve conique 20 du deuxième tube vortex 12 est annulaire, pour que l'écoulement tourbillonnaire secondaire 30 puisse s'évacuer au niveau de l'extrémité axiale libre 22 du tube principal 16. Quel que soit le mode de réalisation, le tube principal 16 d'un premier tube vortex 12 est mis en communication avec le tube principal 16 d'un deuxième tube vortex ou le tube secondaire 18 d'un premier tube vortex 12 est mis en communication avec le tube secondaire 18 d'un deuxième tube vortex 12. Cette mise en communication est réalisée au niveau de l'extrémité libre 22 du tube principal 16 d'un tube vortex 12, ou au niveau de l'extrémité libre 21 du tube secondaire 18 d’un tube vortex 12, ce qui permet d'avoir un raccordement direct et donc une optimisation de la production de chaleur ou de froid. Agencement d'au moins deux tubes vortex (12) en cascade, dans lequel chaque tube vortex (12) comporte un générateur (14) coaxial à un axe principal A, un tube principal (16) et une valve conique (20) située à une extrémité axiale libre (22) du tube principal (16), dans lequel un écoulement tourbillonnaire primaire (28) s'écoule axialement par rapport à l'axe principal A dans une partie périphérique du tube principal (16) et dans lequel un écoulement tourbillonnaire secondaire (30) s'écoule axialement par rapport à l'axe principal A dans une partie radialement centrale du tube principal (16), caractérisé en ce que les tubes vortex (12) sont mis en communication pour mélanger directement l'écoulement tourbillonnaire primaire (28) d'un tube vortex (12) avec l'écoulement tourbillonnaire primaire (28) de l'autre tube vortex (12) ou pour mélanger directement l'écoulement tourbillonnaire secondaire (30) d'un tube vortex (12) avec l'écoulement tourbillonnaire secondaire (30) de l'autre tube vortex (12). Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que au moins un tube vortex (12) comporte un tube secondaire (18) par lequel l'écoulement secondaire (30) dudit au moins un tube vortex (12) est évacué dudit a moins un tube vortex (12), et en ce que le tube secondaire (18) d'un tube vortex (12) est débouchant dans le tube principal (16) de l'autre tube vortex (12), pour mélanger directement l'écoulement tourbillonnaire secondaire (30) dudit au moins un tube vortex (12) avec l'écoulement tourbillonnaire secondaire (30) de l'autre tube vortex (12). Agencement selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit tube secondaire (18) dudit au moins un tube vortex (12) débouche dans le tube principal (16) de l'autre tube vortex (12) à proximité du générateur (14) dudit autre tube vortex (12). Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité libre du tube principal (16) d'un tube vortex (12) est débouchante dans le tube principal (16) de l'autre tube vortex (12) par l'intermédiaire du générateur (14) dudit autre tube vortex (12) pour mélanger directement l'écoulement tourbillonnaire primaire (28) dudit un tube vortex (12) avec l'écoulement tourbillonnaire primaire (28) dudit autre tube vortex (12). Agencement selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit autre tube vortex (12) est un tube vortex à écoulements parallèles. Agencement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la valve conique (20) d'un tube vortex (12) est annulaire et la valve conique (20) d'un autre tube vortex (12) est pleine radialement. Agencement selon la revendication 6, en combinaison avec la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la valve conique (20) annulaire est traversée par le tube secondaire (18) dudit au moins un tube vortex (12) qui débouche dans le tube principal (16) de l'autre tube vortex (12) Agencement selon la revendication 6, en combinaison avec la revendication 4, caractérisé en ce que la valve conique (20) pleine est débouchante dans le générateur (14) de l'autre tube vortex (12). Agencement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de positionnement des tubes vortex coaxialement à l'axe principal A. Agencement selon la revendication 9, en combinaison avec la revendication 7, caractérisé en ce que la valve conique (20) annulaire participe au positionnement des tubes vortex coaxialement à l'axe principal A.