FR2941041A1 - Echangeur de chaleur a accumulateur thermique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une joue (20) de tube (4) d'échange de chaleur réalisée à partir d'une une plaque de tôle métallique définissant une paroi périphérique extérieure (10) et comportant au moins une première cavité (24) et au moins une deuxième cavité (26) respectivement formées dans la plaque de tôle métallique. La première cavité (24) est en contact avec la paroi périphérique extérieure (10) et en ce que la deuxième cavité (26) est disposée à distance de la paroi périphérique extérieure (10). L'invention couvre également un tube (4) d'échange de chaleur pour un échangeur de chaleur (1) comprenant une paire de joues (20) et un échangeur de chaleur (1) comprenant une pluralité de tels tubes (4).

Description

Echangeur de chaleur à accumulateur thermique.

L'invention se rapporte à un échangeur de chaleur, et plus particulièrement à un échangeur de chaleur comprenant un faisceau de tubes de circulation de fluide caloporteur interposés dans un ensemble d'intercalaires d'échange thermique alignés et un faisceau de réservoirs de matériau de stockage thermique interposés dans l'ensemble d'intercalaires d'échange thermique.

Un échangeur de chaleur comprend couramment une ou plusieurs rangées de tubes alignés dans lesquels circule un fluide caloporteur. L'ensemble de ces tubes est généralement désigné par le terme de faisceau. Un tel échangeur de chaleur a pour fonction de permettre un échange thermique entre le fluide caloporteur en circulation dans les tubes, et un fluide traversant extérieurement le dispositif d'échange thermique.

Pour améliorer cet échange thermique, des intercalaires d'échange thermique sont disposés entre les tubes et destinés d'une part à augmenter la surface disponible pour l'échange thermique, et d'autre part de perturber le flux de fluide extérieur afin d'augmenter les performances de l'échange de chaleur.

Un tel échangeur de chaleur peut par exemple être intégré à un système de climatisation de véhicule automobile. Dans ce cas, le fluide extérieur traversant le dispositif est en général de l'air destiné à être soufflé dans l'habitacle du véhicule, et le fluide caloporteur un fluide réfrigérant. L'échange thermique a dans ce cas pour objectif de rafraîchir l'air soufflé.

La circulation du fluide, à l'intérieur du circuit de climatisation, est assurée par un compresseur, en général entraîné directement par le moteur du véhicule automobile.

Par conséquent, lorsque le moteur du véhicule est arrêté, la circulation du fluide cesse, et l'échange de chaleur entre l'air et le fluide caloporteur ne peut pas s'opérer. L'air soufflé dans l'habitacle du véhicule n'est alors plus rafraîchi. Cette situation est d'autant plus problématique que des systèmes récents, destinés à diminuer la consommation de carburant des véhicules automobiles, prévoient l'arrêt automatique du moteur lorsque le véhicule s'immobilise.

Ce faisant, l'habitacle est privé d'air rafraîchi.

Il est connu d'associer à un échangeur de chaleur, des réservoirs de matériau de stockage thermique, le matériau emmagasinant des calories ou des frigories lorsque le fluide caloporteur est en circulation dans le circuit, et les restituant au fluide extérieur lorsque la circulation du fluide caloporteur n'est plus assurée. Dans le cas particulier, exposé ci-dessus, d'un circuit de climatisation, il est connu de pourvoir l'échangeur de chaleur de réservoirs de matériau de stockage de frigories, lequel est capable d'emmagasiner des frigories lorsque le moteur est en marche et de les restituer lorsque le moteur est arrêté mais que de l'air continue à être soufflé dans l'habitacle. De tels échangeurs de chaleur sont notamment connus des documents FR 2 878 613 et FR 2 878 614.

Toutefois, ces échangeurs de chaleur ne sont pas adaptés pour des fluides circulant des tubes à hautes pressions, comme par exemple la pression de fonctionnement du dioxyde de carbone.

L'un des buts de l'invention est donc de surmonter les inconvénients précités.

A cet effet, la présente invention propose une joue de tube pour échangeur de chaleur d'un type nouveau, réalisée à partir d'une plaque de tôle métallique définissant une paroi périphérique extérieure et comportant au moins une première cavité et au moins une deuxième cavité respectivement formées dans la plaque de tôle métallique, dans laquelle la première cavité est en contact avec la paroi périphérique extérieure et en ce que la deuxième cavité est disposée à distance de la paroi périphérique extérieure.

Dans un mode particulier de réalisation, la deuxième cavité est reliée à la paroi périphérique extérieure par une paroi de jonction.

De façon complémentaire, la deuxième cavité est de 20 forme sensiblement semi-cylindrique.

Dans un autre mode de réalisation, la joue comporte, selon une première direction d'extension, une pluralité de premières cavités et une pluralité de deuxièmes 25 cavités, et plus particulièrement, les premières cavités sont agencées en alternances avec les deuxièmes cavités selon la première direction d'extension. La présente invention porte également sur un tube 30 constitué d'une première joue et d'une deuxième joue, agencées, notamment, en symétrie miroir ou en symétrie centrale. Selon une variante de réalisation, la première cavité de la première joue coopère avec la première cavité de 35 la deuxième joue pour définir un premier canal de circulation de fluide.

Complémentairement, la deuxième cavité de la première joue coopère avec la deuxième cavité de la deuxième joue pour définir un deuxième canal de circulation de fluide.

De préférence, une plaque intermédiaire de communication est disposée entre les première et deuxième joues.

Dans ce cas, la première cavité de la première joue et/ou de la deuxième joue coopère avec la plaque intermédiaire de communication pour définir un premier canal de circulation de fluide.

De même, la deuxième cavité de la première joue et/ou de la deuxième joue coopère avec la plaque intermédiaire de communication pour définir un deuxième canal de circulation de fluide.

Selon une alternative, la plaque intermédiaire de communication comporte au moins un passage permettant la communication entre au moins deux premières cavités et/ou au moins deux deuxièmes cavités.

Enfin, la présente invention concerne également un échangeur de chaleur comprenant une pluralité de tels tubes.

30 Un tel échangeur de chaleur est constitué d'un faisceau comportant une pluralité d'intercalaires d'échange de chaleur en alternance avec la pluralité de tubes.

Avantageusement, les premières cavités des tubes 35 constituent des réservoirs pour un matériau de stockage thermique et les deuxièmes cavités des tubes 15 20 25 constituent des canaux de circulation d'un fluide caloporteur.

Dans tous les modes de réalisation, certains au moins des intercalaires d'échange thermique comprennent avantageusement une seconde face de contact avec chaque tube. Dans ce cas, la plupart des tubes sont en contact avec deux intercalaires, augmentant les performances des différents échanges thermiques.

De préférence, les réservoirs de matériau de stockage thermique sont d'allure tubulaire, et en particulier, les réservoirs sont réalisés en tant que tubes plats. Dans cette configuration, les réservoirs sont simples à réaliser.

Dans un mode de réalisation préférentiel, le fluide caloporteur est un fluide de type réfrigérant et le matériau de stockage thermique est un matériau de stockage de frigories Cette configuration est alors particulièrement adaptée à un circuit de climatisation, par exemple pour l'habitacle d'un véhicule automobile.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés qui pourront servir à compléter la compréhension de la présente invention, mais aussi, le cas échéant, contribuer à sa définition sur lesquels: la figure 1 est une vue de face schématique d'un échangeur de chaleur selon la présente invention comprenant une pluralité d'intercalaires d'échange de chaleur et de tubes de circulation de fluide caloporteur associés, - la figure 2 est une vue de face en coupe d'une joue d'un tube de circulation de fluide caloporteur de l'échangeur de chaleur selon la présente invention, - la figure 3 est une en perspective de la joue du tube de circulation de fluide de la figure 2, - La figure 4 une vue de face en coupe d'un tube de circulation de fluide caloporteur de l'échangeur de chaleur selon la présente invention, - la figure 5 est une vue de dessus en coupe selon la direction V-V de l'échangeur de chaleur selon la présente invention, et - la figure 6 est une vue en perspective d'un échangeur de chaleur selon un autre mode de réalisation de la présente invention.

La figure 1 illustre de manière schématique et vu de face un échangeur de chaleur 1 faisant partie d'un dispositif d'échange de chaleur selon l'invention. L'échangeur de chaleur 1 comprend deux boîtes collectrices 2 juxtaposées. Selon un mode particulier de réalisation, les boîtes collectrices 2 sont de forme parallélipédique. Les boîtes collectrices 2 peuvent prendre toutes autres formes géométriques.

L'échangeur de chaleur 1 comprend en outre un faisceau 8 de tubes 4 alignés selon une ou plusieurs rangées. Chacun des tubes 4 est reçu à l'une et l'autre de ses extrémités par l'une des boîtes collectrices 2. Entre deux tubes 4 adjacents d'une même rangée de tubes est disposé à un intercalaire d'échange de chaleur 6.

Le faisceau 8 s'étend sur une épaisseur selon une direction X, définissant une première direction d'extension, sur une largeur du faisceau selon une direction Y laquelle est perpendiculaire à la direction X et définissant une deuxième direction d'extension, et sur une hauteur selon une direction Z, et laquelle est à la fois perpendiculaire aux directions Y et Z et définissant une troisième direction d'extension. Les directions X, Y et Z forment un repère orthonormé.

L'intercalaire d'échange de chaleur 6 est par exemple un intercalaire de forme ondulée réalisé à partir d'une bande de tôle métallique pliée successivement de manière à former une succession de portions sensiblement planes reliées deux à deux par des portions coudées. Les sommets des portions coudées définissent un premier et un second plan parallèles entre eux définissant respectivement une première face de contact 34 et une deuxième face de contact 36. L'ensemble d'un intercalaire d'échange de chaleur 6 est ainsi contenu entre ces premier et second plans.

Les portions coudées de l'intercalaire d'échange de chaleur 6 viennent en contact avec la paroi périphérique extérieure 10 des tubes 4 afin d'assurer une fonction d'échange thermique.

De façon générale, les tubes 4 sont en contact chacun avec deux intercalaires disposés de part et d'autre du tube 4. En particulier, chaque tube 4 présente deux grandes faces latérales parallèles entre elles constituées par des sections planes 30 de chaque joue 20 constituant le tube 4. L'une des grandes faces du tube 4 est en contact sur toute son étendue avec la première face de contact 34 de l'intercalaire. L'autre grande face est en contact avec la seconde face de contact 36 d'un intercalaire adjacent.

La figure 2 illustre une vue de face en coupe d'une joue 20 entrant dans la conception d'un tube 4 de circulation de fluide caloporteur de l'échangeur de chaleur 1 de la figure 1.

Selon la présente invention, un tube 4 est constitué de deux joues 20 entre lesquelles est disposée une plaque intermédiaire de communication 40, tel que présenté en figure 4.

La joue 20 est réalisée à partir d'une plaque de tôle métallique généralement rectangulaire. La joue 20 est délimitée par la paroi périphérique extérieure 10. Dans la plaque de tôle métallique, sont réalisées des premières cavités 24 et des deuxièmes cavités 26. La paroi périphérique extérieure 10 crée une séparation entre le milieu extérieur et les premières et deuxièmes cavités 24 et 26.

Selon l'agencement de la figure 2, les premières cavités 24 sont en contact avec la paroi périphérique extérieure 10. Les deuxièmes cavités 26 sont disposées à distance de la paroi périphérique extérieure 10, de sorte qu'elles ne sont pas directement en contact avec la paroi périphérique extérieure 10.

Plus particulièrement, les deuxièmes cavités 26 sont reliées à la paroi périphérique extérieure 10 par des parois de jonction 28. Les parois de jonction 28 permettent de créer la distance nécessaire pour que les deuxièmes cavités 26 ne soient pas reliées à la paroi périphérique extérieure 10. De façon avantageuse, les parois de jonction 28 créeent une séparation entre deux premières cavités 24 contigües.

Les deuxièmes cavités 26 présentent une forme sensiblement semi-cylindrique. Ainsi, chaque deuxième cavité 26 et la paroi de jonction 28 correspondante sont agencés en forme de `Y'. La paroi périphérique extérieure 10 de la joue 20 se compose d'une section plane 30 et de deux côtés 32. Les35 deux côtés 32 sont disposés aux extrémités de la section plane 30 et ont, de préférence, la forme de quarts de cylindre.

Selon un exemple préférentiel de réalisation, la joue 20 est telle qu'elle présente une alternance de premières et deuxièmes cavités 24 et 26 selon l'épaisseur du dispositif d'échange de chaleur 1, c'est-à-dire la direction X telle définie précédemment.

De plus, les parois de jonction 28, selon la présente invention, ont une épaisseur inférieure à la largeur des deuxièmes cavités 26. Ainsi, les premières cavités 24 présentent une forme sensiblement trapézoïdale, de sorte qu'une partie des premières cavités 24 s'étend sous les deuxièmes cavités 26 dans l'épaisseur du faisceau, c'est-à-dire selon la direction X.

Un tel agencement est particulièrement avantageux. En effet, selon une première section selon un premier plan de section disposé orthogonalement à la direction X, la joue 20 présente une première section occupée uniquement par la première cavité 24 et, selon une deuxième section selon un deuxième plan de section disposé orthogonalement à la direction X et distant du premier plan de section, la joue 20 présente une deuxième section occupée par la première cavité 24 et la deuxième cavité 26, et selon une troisième section selon un troisième plan de section disposé orthogonalement à la direction X et distant des premier et deuxième plans de section, la joue 20 présente une troisième section occupée uniquement par la deuxième cavité 26 De façon particulièrement avantageuse, la joue 20 est réalisée par un procédé d'extrusion.

Comme le montre la figure 3, préférentiellement, les premières et deuxièmes cavités 24 et 26 courent sur la quasi-totalité de la hauteur de la joue 20, c'est-à-dire selon la direction Z, de manière à offrir une grande surface d'échange de chaleur.

La figure 4 présente une vue de face en coupe d'un tube 4 de circulation de fluide caloporteur de l'échangeur de chaleur 1 de la figure 1. Le tube 4 est constitué de deux joues 20 entre lesquelles est disposée une plaque intermédiaire de communication 40, tel que présenté en figure 4.

15 La plaque intermédiaire de communication 40 a les mêmes dimensions dans le sens de la hauteur du faisceau, c'est-à-dire dans la direction Z, et de l'épaisseur du faisceau, c'est-à-dire que la direction X, que chaque joue 20 constituant le tube 4. 20 Ainsi, la plaque intermédiaire de communication 40 est prise en sandwich entre les deux joues 20. Selon le mode de réalisation de la figure 4, la plaque intermédiaire de communication 40 comporte un bord 25 périphérique 42 coopérant avec les cotés 32 des deux joues 20.

Lors de l'assemblage du tube, les joues 20 et la plaque intermédiaire de communication 40 sont assemblées en 30 ensemble de façon à être appariées, notamment par brasage.

Selon le mode de réalisation présenté et de façon particulièrement avantageuse, la plaque intermédiaire 35 de communication 40 comporte une pluralité de passages 44 permettant la mise en communication de deux premières cavités 24 disposées respectivement dans les10 deux jours agencées de part et autre de la plaque intermédiaire de communication 40.

Selon l'exemple de réalisation présenté, les deux joues 20 sont identiques et disposées en symétrie centrale l'une par rapport à l'autre. Une telle disposition permet que les premières cavités 24 d'une joue 20 ne soient pas en vis-à-vis des premières cavités 24 de l'autre joue 20. De même, les deuxièmes cavités 26 d'une joue 20 ne soient pas en vis-à-vis des deuxièmes cavités 26 de l'autre joue 20. En particulier, l'agencement présenté à la figure 4 est tel qu'une première cavité 24 d'une joue 20 fait face à une deuxième cavité 26 de l'autre joue 20 tout en étant séparée de celle-ci de façon étanche par la plaque intermédiaire de communication 40.

Selon un exemple non représenté, il est possible que les deux joues 20 constituant en symétrie miroir l'une par ce mode de réalisation, la communication 40 devient le tube 4 soient agencées rapport à l'autre. Selon plaque intermédiaire de facultative. Afin de rigidifier le tube 4 ainsi obtenu et faciliter les opérations de brasage, il est toutefois possible d'intercaler la plaque intermédiaire de communication 40 entre les deux joues 20.

Selon un mode de réalisation préféré, les premières cavités 24 du tube 4 est propre à faire office de réservoir pour un matériau de stockage de calories ou frigories et les deuxièmes cavités 26 du tube 4 est propre à permettre la circulation d'un fluide caloporteur.

De plus, il est possible que certains premières cavités 24 ne soient pas mises en communication afin d'assurer au moins deux zones distinctes, selon la direction X, de réservoir pour un matériau de stockage de calories ou frigories dans le tube 4.

Dans un mode de réalisation préféré, le fluide caloporteur est un fluide réfrigérant et le matériau de stockage est capable d'emmagasiner des frigories. Le dispositif selon l'invention est alors particulièrement adapté à automobile. des canaux réservoirs adaptés à thermique. un circuit de climatisation pour véhicule Ainsi, les tubes ont pour fonction de créer de circulation de fluide réfrigérant. Les ont pour fonction de créer des canaux la réception de matériau de stockage Le fluide caloporteur peut être réfrigérant ou réchauffant. Le fluide réfrigérant peut être un fluide supercritique, en particulier le dioxyde de carbone, connu également sous la dénomination R744, ou un fluide sous critique, en particulier un composé fluoré, notamment le fluide réfrigérant référencé R134a. De plus, la présente invention peut être utilisée avec d'autres fluides alternatifs. Le matériau de stockage thermique peut être un matériau de stockage de froid ou un matériau de stockage de chaleur. En outre, il peut prendre la forme d'un matériau solide (par exemple sous forme de sel), liquide, à changement de phase, ou encore être du type liquide réfrigérant.

Les réservoirs peuvent être mis en oeuvre dans un dispositif dit à stockage passif, c'est-à-dire dans lequel il n'y a pas de circulation du matériau de stockage thermique à l'intérieur des réservoirs, ou encore dans un dispositif dit à stockage actif, c'est- à-dire un dispositif dans lequel une circulation du matériau de stockage est assurée à l'intérieur des réservoirs, au moyen d'une boucle ou circuit de matériau de stockage thermique mis en mouvement à l'aide d'une pompe.

La figure 5 illustre de manière schématique et vu du 5 dessus un intercalaire 6 et deux tubes 4 de l'échangeur de chaleur 1 de la figure 1.

Dans ce mode de réalisation, la première face de contact 34 de l'intercalaire 6 est en contact avec un 10 tube 4 et la seconde face de contact 36 est en contact avec un tube 4 adjacent. Chaque tube 4 présente deux sections planes 30. La première face de contact 34 et la deuxième face de contact 36 de l'intercalaire 6 sont en contact avec les premières cavités 24 des tubes 4 15 enserrant l'intercalaire 6.

Les deuxièmes cavités 26 sont agencées au coeur des tubes 4 en contact direct avec la plaque intermédiaire de communication 40. Selon la disposition privilégiée, 20 les deuxièmes cavités 26 sont disposées en quinconce dans la direction X.

Les premières cavités 24 sont susceptibles de communiquer avec au moins un collecteur 50 de matériau 25 de stockage. Avantageusement, on prévoit deux collecteurs 50, par exemple de forme cylindrique, comme le montre la figure 6. Les collecteurs 50 sont disposés de part et d'autre du faisceau 8 et reçoivent chacun l'une des extrémités des deuxièmes cavités 26 de chacun 30 des tubes 4. Les collecteurs 50 assurent une mise en communication des deuxièmes cavités 26 de chacun des tubes 4 entre eux.

Avantageusement, l'un des collecteurs 50 est pourvu 35 d'une tubulure de remplissage 52 permettant le remplissage des premières cavités 24 des tubes 4 en matériau de stockage thermique.

Enfin, il a été décrit en particulier sur la figure 1 un échangeur de chaleur muni de deux boîtes collectrices. Il peut être envisagé un échangeur de chaleur muni d'une unique boîte collectrice associée à des tubes de circulation de fluide dits en U. Lorsque plusieurs rangées de tubes sont prévues dans le faisceau, la circulation peut se faire en U, c'est-à-dire que la circulation du fluide entre dans deux tubes en vis-à-vis se fait dans des sens opposés, ou en I, c'est-à-dire que la circulation du fluide dans deux tubes en vis-à-vis se fait dans un même sens.

Bien évidemment, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment et fournis uniquement à titre d'exemple et englobe d'autres variantes que pourra envisager l'homme du métier dans le cadre des revendications et notamment toutes combinaisons des différents modes de réalisation décrits précédemment.

Claims (20)

1. Revendications1. Joue (20) de tube (4) d'échange de chaleur réalisée à partir d'une plaque de tôle métallique définissant une paroi périphérique extérieure (10) et comportant au moins une première cavité (24) et au moins une deuxième cavité (26) respectivement formées dans la plaque de tôle métallique, caractérisée en ce que la première cavité (24) est en contact avec la paroi périphérique extérieure (10) et en ce que la deuxième cavité (26) est disposée à distance de la paroi périphérique extérieure (10).
2. 2. Joue (20) selon la revendication 1, dans laquelle la deuxième cavité (26) est reliée à la paroi périphérique extérieure (10) par une paroi de jonction (28).
3. 3. Joue (20) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la première cavité (24) est de forme sensiblement trapézoïdale.
4. 4. Joue (20) selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle la deuxième cavité (26) est de forme sensiblement semi-cylindrique.
5. 5. Joue (20) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle sont disposées, selon une première direction d'extension, une pluralité de premières cavités (24) et une pluralité de deuxièmes cavités (26). 15
6. 6. Joue (20) selon la revendication 5, dans laquelle les premières cavités (24) sont agencées en alternances avec les deuxièmes cavités (26) selon la première direction d'extension.
7. 7. Tube (4) d'échange de chaleur pour un échangeur de chaleur (1), caractérisé en ce qu'il comprend une première joue (20) et une deuxième joue (20) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
8. 8. Tube (4) selon la revendication 7, dans lequel les première et deuxième joues (20) sont agencés l'une par rapport à l'autre selon une symétrie miroir. 15
9. 9. Tube (4) selon la revendication 8, dans lequel la première cavité (24) de la première joue (20) coopère avec la première cavité (24) de la deuxième joue (20) pour définir un premier canal de circulation de fluide. 20
10. 10. Tube (4) selon la revendication 8 ou 9, dans lequel la deuxième cavité (26) de la première joue (20) coopère avec la deuxième cavité (26) de la deuxième joue (20) pour définir un deuxième canal de 25 circulation de fluide.
11. 11. Tube (4) selon la revendication 7, dans lequel les première et deuxième joues (20) sont agencés l'une par rapport à l'autre selon une symétrie centrale.
12. 12. Tube (4) selon l'une des revendications 7 à 11, dans lequel une plaque intermédiaire de communication (40) est disposée entre les première 10 30et deuxième joues (20).
13. 13. Tube (4) selon la revendication 12, dans lequel la première cavité (24) de la première joue (20) et/ou de la deuxième joue (20) coopère avec la plaque intermédiaire de communication (40) pour définir un premier canal de circulation de fluide.
14. 14. Tube (4) selon la revendication 12 ou 13, dans lequel la deuxième cavité (26) de la première joue (20) et/ou de la deuxième joue (20) coopère avec la plaque intermédiaire de communication (40) pour définir un deuxième canal de circulation de fluide.
15. 15. Tube (4) selon l'une des revendications 12 à 14, dans lequel la plaque intermédiaire de communication (40) comporte au moins un passage (44) permettant la communication entre au moins deux premières cavités (24) et/ou au moins deux deuxièmes cavités (26).
16. 16. Échangeur de chaleur (1) caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de tubes (4) selon l'une des revendications 7 à 15.
17. 17. Échangeur de chaleur selon la revendication 16, dans lequel un faisceau (8) comporte une pluralité d'intercalaires d'échange de chaleur (6) en alternance avec la pluralité de tubes (4).
18. 18. Échangeur de chaleur selon la revendication 16 ou 17, dans lequel les premières cavités (24) des tubes (4) constituent des réservoirs pour un matériau de stockage thermique. 17
19. 19. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 16 à 18, dans lequel les deuxièmes cavités (26) des tubes (4) constituent des canaux de circulation d'un fluide caloporteur.
20. 20. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 16 à 19, caractérisé en ce que le fluide caloporteur est un fluide de type réfrigérant et que le matériau de stockage thermique est un matériau de stockage de frigories.