WO2018060645A1 - Heat exchanger comprising a phase change material - Google Patents
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Definitions
- Heat exchanger comprising a phase change material
- the present invention relates to the field of heat exchangers and more particularly that of heat exchangers on board a motor vehicle, in particular engine coolant cooling radiators or charge air coolers.
- Motor vehicles are subject to a highly variable environment during taxiing. Indeed, the normal operation of the vehicle creates significant variations in the temperature of different bodies such as the engine block, (especially during rises and descents of speed that occur at acceleration and deceleration of the vehicle). In addition, the vehicle can move from cold air zones to hot air zones, and vice versa, and be exposed to various weather conditions (rainwater for example) that can further accentuate organ temperature variations.
- heat exchangers for motor vehicles comprise heat exchange channels in which circulates a heat transfer fluid.
- the coolant exchanges heat with the medium surrounding the heat exchange channels.
- These heat exchanges are intended to heat or cool the heat transfer fluid.
- Two collector boxes respectively inlet and outlet are arranged on either side of the heat exchange channels so as to form a coolant circulation circuit extending from an inlet of the collector box of input to an outlet port of the outlet manifold box. The heat transfer fluid circulates in this circuit through the different heat exchange channels.
- This type of heat exchanger is sized to withstand the temperatures reached during normal operation of the vehicle and dissipate enough heat in the temperature ranges defined by the car manufacturers. The most extreme temperatures are reached only briefly during certain operating stages of the exchanger. These short periods during which These extreme temperatures are known as temperature peaks.
- heat exchangers are traversed by a coolant whose temperature varies over time depending on the temperature of the organs to be cooled.
- the temperature of the coolant undergoes relatively high frequency variations around an average value corresponding to a given operating regime of the organs to be cooled. This can be explained in particular by the fact that the engine speed of the vehicle varies very often when driving, especially in urban areas, traffic jams, uphill climbs, descents, etc.
- Peak temperatures can be difficult to dissipate through the exchanger. As a result, it may happen that the engine components to be cooled temporarily rise to operating temperatures beyond the recommended range for optimum engine operation.
- the recommended range for good carburettor conditions of the engine is between 80 and 100 ⁇ .
- the object of the invention is to remedy these drawbacks by providing a heat exchanger making it possible to reduce the variations of the temperature of the heat transfer fluid passing through it during the rolling and consequently to better control the thermal regulation of the various members.
- the invention relates to a heat exchanger comprising:
- heat exchange channels connecting the two collector boxes, the channels and collector boxes forming a circuit for circulating an internal heat-transfer fluid, in which at least one so-called phase-change envelope of generally tubular shape encapsulating a material for phase change is accommodated in at least one heat exchange channel.
- the envelope encapsulating the phase change material effectively absorbs excess heat caused by more or less significant temperature peaks at the input of the heat exchanger, specifically in the heat exchange channel.
- the phase change material allows this absorption of heat via a change of state of the material according to the temperature of the fluid coolant, in this case by liquefaction of the phase change material when the heat transfer fluid reaches a temperature greater than or equal to the melting temperature of the phase change material.
- the variation of the temperature of the coolant at the outlet of the heat exchanger is thus attenuated.
- the temperature of the fluid at the outlet of the exchanger is therefore more stable.
- the cooling of the bodies receiving the coolant is then more efficient and the temperature of the latter varies less brutally.
- the impact of the temperature peaks is reduced or canceled by smoothing the rise in temperatures obtained via the presence of the phase change material within at least one heat exchange channel of the exchanger.
- This smoothing in the temperature regulation of the heat transfer fluid makes it possible to better maintain the engine under optimal operating conditions.
- the envelope comprising the phase change material placed inside a heat exchange channel makes it possible to regenerate the phase change material (by recrystallization or solidification of the phase change material).
- the temperature of the heat transfer fluid returns within a prescribed range (typically between 80 and 90 ⁇ )
- the phase change material will gradually release the stored heat and change state, by crystallization.
- recrystallized phase change material can absorb a next peak temperature.
- the bodies to be cooled are highly stressed which can cause a temperature spike of the coolant at the inlet of the exchanger.
- the change material located in the envelope housed in the heat exchange channel will then change state, ie liquefy, and thus absorb at least in part this sudden rise in temperature.
- the bodies to be cooled are then less stressed.
- the heat transfer fluid entering the exchanger will return to the temperature range prescribed for the optimal operation of the engine, and the phase change material will retranstura heat transfer fluid heat stored during the heat peak rise. By releasing this heat, the phase change material will then regenerate by recrystallizing.
- the maximum temperature measured at the outlet of the exchanger has been reduced by 3 ° compared to a conventional heat exchanger.
- phase change material has a latent heat of fusion greater than 280 kJ / m 3;
- phase-change material passes from the solid phase to the liquid phase in a melting point range of between 20 and 110 °, and more particularly chosen:
- phase-change material is chosen from a fatty acid, a fatty alcohol of vegetable origin, a paraffin and a hydrated salt;
- the internal heat transfer fluid is in liquid form
- the casing has a circular section whose maximum outside diameter is between 1 mm and 8 mm;
- the envelope has a rectangular section
- the envelope has a transverse section comprising two opposite longitudinal faces, the longitudinal faces being:
- the envelope has a section whose length corresponds to more than 80% of the length of the envelope, this section having a circular section whose diameter is between 1 and 4 mm, and more particularly chosen from 4 mm, 2 , 56 mm, 1, 4 mm, 1, 7 mm, 1, 88 mm and 1, 1 mm;
- the envelope has a thickness of between 50 and 500 ⁇ m, preferably equal to 200 ⁇ m;
- the exchanger comprises means for positioning the envelope in the channel heat exchange
- the heat exchange channel containing the envelope has a section chosen from a section of generally round, oval, and oblong shape
- the exchanger being of the mechanical type or of the brazed type
- the heat exchange channels are divided into first and second groups of channels, each heat exchange channel of the first group comprising a phase change envelope, and each heat exchange channel of the second group not including any phase change envelope;
- the first and second groups of heat exchange channels are respectively placed in first and second opposite parts of the heat exchanger, the first part delimiting, for example, a first heat exchange face of the heat exchanger and the second portion delimiting a heat exchanger; second heat exchange face of the exchanger without delimiting the first heat exchange face, or each of the first and second portions delimiting both the first and second heat exchange faces;
- the heat exchange channels being arranged on at least one line, the heat exchange channels of the first group alternate on this line with the heat exchange channels of the second group.
- FIG. 1 is a perspective view of a portion of a heat exchanger according to a first embodiment of the invention, a cutaway being shown on a manifold of this heat exchanger, the heat exchanger forming radiator;
- FIG. 2 is a perspective view of a phase change envelope with a longitudinal section of a central portion of this envelope;
- FIG. 3 is a section of a heat exchange channel duct of the exchanger of FIG. 1;
- FIGS. 4 to 6 are illustrations of other examples of possible heat exchange channel sections in which a phase change envelope is housed.
- FIG. 7 is a graph showing the evolution as a function of time (abscissa) of the temperature of the air leaving the radiator heat exchanger (left-hand ordinate) and the speed of a vehicle equipped with this radiator (right ordinate).
- FIG. 8 is a view from above of a heat exchanger according to another embodiment embodiment of the invention comprising heat exchange channel conduits incorporating phase change envelopes and phase change envelope free channels;
- FIG. 9 is a perspective view of a portion of a heat exchanger according to another embodiment of the invention comprising heat exchange channel ducts incorporating phase change envelopes and ducts without envelopes to phase change; _et
- FIG. 10 is a perspective view of a heat exchanger according to another embodiment of the invention comprising heat exchange channel conduits incorporating phase change envelopes and phase change envelopes without channels.
- FIG. 1 represents a heat exchanger 2 according to a first embodiment of the invention, here a radiator. It may be in this case a radiator for cooling a coolant of an engine.
- a radiator for cooling a coolant of an engine.
- Such an exchanger may be of mechanical type, that is to say which comprises elements assembled together by crimping, or brazed type, that is to say which comprises elements assembled together by brazing.
- This exchanger comprises a plurality of conduits forming heat exchange channels 4 parallel to each other. These ducts may have a section 6 (see FIG. 3) of generally oblong shape, for example. They are substantially identical to each other.
- the length (large dimension) of the section of the channels 4 may vary from one exchanger to another; it may for example be 12.98 mm or 10.16 mm. It is the same for the average width (small dimension) of the section which can for example be equal to 1, 7 mm (when the length is equal to 12.98 mm) or to 1.79 mm (when the length is equal to 10.16 mm).
- the central width 8 of the heat exchange channel 4 may be smaller than the width 10 at the ends.
- the ducts 4 then have two heat exchange faces which are the upper 14 and lower faces 15 in FIG. 3. Each end of the ducts 4 is fixed to a collector plate 16 (which may also be called a "collector") positioning the ducts. 4 between them.
- An inlet or outlet manifold 18 is attached to the header plate16.
- Another manifold (not shown), substantially identical to the manifold 18, is located at the other end of the exchanger, that is to say at the other end of the heat exchange channels, and is attached to another manifold plate (not shown) substantially identical to the manifold plate 16.
- the ducts 4 connect the two boxes collectors between them.
- an internal heat transfer fluid enters through an inlet orifice formed in the inlet manifold, circulates inside the heat exchange channels 4 to the outlet manifold and leaves the heat exchanger 2 through an outlet orifice formed in the outlet manifold.
- This fluid is generally a coolant (for example brine) in the case of a radiator but can also be air in the context of a heat exchanger type charge air cooler.
- the internal heat transfer fluid transmits heat to the walls of these heat exchange channels 4.
- the heat exchanger 2 is traversed by an external heat transfer fluid, which is air circulating between the ducts forming the heat exchange channel 4.
- the heat exchanger 2 transmits the heat received by the internal heat transfer fluid to the external heat transfer fluid. This transmission is effected by means of cooling fins (not shown) extending in particular between the heat exchange channels 4.
- the temperature of the internal heat transfer fluid at the outlet of the heat exchanger 2 is lower than the temperature of this same fluid at the inlet of the heat exchanger.
- envelopes 19 As illustrated in FIG. 2, envelopes 19, called phase-change envelopes, have a generally tubular shape and encapsulate a phase-change material 20. These envelopes 19 are housed inside the channels forming heat-exchange channels 4 .
- a phase change material is a material whose latent heat is important and which is used in a temperature range including its phase change temperature. In this way, a phase change material is capable of absorbing or returning a large amount of heat during its phase change.
- the phase change material may be a fatty acid, a fatty alcohol of plant origin, a paraffin or a hydrated salt. It has a latent heat of fusion greater than 280 kJ / m3 which allows it to store a large amount of energy.
- the melting temperature of the phase-change material is in a temperature range between 20 and 110 °, and which may more particularly be chosen between 50 and 100 ° (for a low-temperature exchanger intended for cooling a gearbox vehicle for example) chosen from 45 ⁇ to 55 ⁇ (for a low temperature heat exchanger for typically cooling the engine charge air) and 80 ⁇ to 110 ⁇ (for a high temperature heat exchanger for cooling the engine).
- the envelopes 19 have a circular section whose maximum outside diameter 22 is between 1 mm and 8 mm.
- the envelopes 19 have a section whose length corresponds to more than 80% of the length of each envelope 19 having a circular section whose diameter is between 1 and 4 mm, and may in particular be chosen from 4 mm, 2 , 56 mm, 1, 4 mm, 1, 7 mm, 1, 88 mm and 1, 1 mm.
- the choice of this diameter is made according to the size and shape of the section of the heat exchange channel duct 4.
- the diameter of the section of the section of the envelopes 19 is 1.7 mm for a 12.98 mm long conduit and 1.7 mm average width or 1.88 mm for a conduit with a length of 10.16 mm and an average width of 1.79 mm.
- the diameter of the section of the envelopes 19 partly determines the heat exchange surface between the internal heat transfer fluid and the phase change material.
- the diameter as well as the length of the envelopes 19 contribute to determining the efficiency of the heat exchange between each phase change envelope 19 and the internal heat transfer fluid.
- Other forms of channels 4 and envelopes 19 will be described later.
- the wall of the main body of the envelope has a thickness of between 50 ⁇ and 500 ⁇ , preferably equal to 200 ⁇ .
- the phase change envelopes 19 illustrated in FIG. 2 may be made of synthetic material, more particularly of plastic material.
- the main body 24 of the envelopes is hollow in order to accommodate the phase-change material 20.
- Each end of an envelope 19 is closed by a plug 26 comprising an inner end (not shown in the figures) nested in the end of the casing 19 and an outer end 27 provided with an axial orifice 27A for fixing the casing in the heat exchanger 2 (see Figures 1 and 2).
- the ducts forming heat exchange ducts 4 have a circular section with a diameter 28, which may be equal to 8.35 mm, for example.
- a single envelope 19 is present by conduit 4.
- This envelope can for example be of a diameter 30 equal to 4 mm.
- the channels forming heat exchange channels have a section of generally oblong shape and comprising three enlarged portions (see Figure 5). The length of the section can then be 12.06 mm and its average width is 1.69 mm. The section of the phase change envelope is then 1.1 mm.
- This section may also be oval shaped, as shown in Figure 6, and have a length of 12.40 mm and a maximum width of 4.82 mm or a length of 12.96 mm and a width of 3.19. mm for example.
- the section of the phase change envelope can then be 2.56 mm and 1.4 mm, respectively.
- the phase change envelopes 19 make it possible to stabilize the temperature of the internal heat transfer fluid at the outlet of the heat exchanger 2, as illustrated in FIG. 7.
- the curve A represents the evolution of the temperature of the air coming out of a radiator comprising the phase change envelopes 19.
- the curve B represents this same evolution, and this in the case where the radiator does not include phase change envelopes 19.
- the speed is represented by the curve C.
- the phase change material e.g. solid phase to liquid phase
- absorb excess heat caused by higher or lower temperature peaks This absorption allows the stabilization of the temperature of the internal heat transfer fluid at the outlet of the heat exchanger 2.
- the envelopes 19 may, in the first embodiment illustrated in Figures 1, 3, 5 and 6, the number of two per duct 4 and located opposite one another considering the large size of the channel d heat exchange 4. They are housed parallel to each other and parallel to a main axis X of the channel (see Figure 1).
- the phase change envelopes 19 are held in position inside the heat exchange channels by positioning means. These positioning means ensure, on the one hand, an axial positioning of the phase change envelopes 19 in the heat exchange channels 4 and, on the other hand, a radial positioning to maintain the envelopes in a position such that the internal heat transfer fluid circulates at least along a portion of the envelope, and preferably all around the envelopes 19 to increase the contact area between the latter and the phase change envelopes 19 and thus increase the efficiency of the heat exchange.
- FIGS. 8 to 10 the elements similar to those of the preceding figures are designated by references comprising numbers of the units and dozens identical.
- the heat exchange channels are divided into first and second groups of channels 348 and 350, each heat exchange channel 304 of the first group 348 comprising an envelope with phase change 319, and each heat exchange channel 305 of the second group 350 does not comprise a phase change envelope.
- the channels of the second group have a section of oblong general shape.
- the channels 304 have a circular section.
- the first and second groups 348 and 350 of heat exchange channels 304 are respectively placed in first and second opposite parts of the exchanger.
- the first part delimits, for example, a first heat exchange face F1 of the heat exchanger 302 and the second portion delimits a second heat exchange face F2 of the heat exchanger 302 without delimiting the first heat exchange face F1.
- the channels 304 of the first group 348 are arranged on a line substantially parallel to a second line composed of the channels 305 of the second group 350.
- the faces F1 and F2 are substantially parallel and opposite.
- An “I” circulation corresponds to a circulation of the internal heat transfer fluid from an inlet manifold towards an outlet manifold through straight ducts.
- a “U” circulation may correspond to:
- a circulation of the internal coolant in a heat exchanger comprising only one common manifold.
- the collector box The common part can then be divided into two parts for example, one part acting as an input collector box and the other part serving as an output collector box, the two parts then being interconnected by a set of exchange channels. thermals in the form of "U” imposing U-shaped paths to the internal heat transfer fluid);
- the common manifold box can be divided into two parts, one part acting as an inlet manifold box and the other part acting as an outlet manifold box. The two parts are connected together by a set of heat exchange channels in the shape of "U” imposing U-shaped paths to the internal heat transfer fluid.
- a first manifold is configured to have an inlet manifold portion and another outlet manifold portion (both collector box portions may be separated by a partition for example).
- the second collector box is itself configured to be connected with all the heat exchange channels. The two parts of the first water box are thus connected to each other by:
- each of the groups of channels 448 and 450 of the first and second opposite parts of the exchanger 402 delimit both the first and second heat exchange faces F1, F2. .
- this heat exchanger configuration 402 is recommended for an "I" circulation of the heat transfer fluid. internal.
- the heat exchange channel ducts of the exchanger 502 are arranged on at least one line 556, the heat exchange channels 504 comprising the change envelopes. phase 519 of the first alternating group on this line with the heat exchange channels 505 of the second group. This embodiment is suitable for circulation in "I" and "U”.
- the outer diameter of the envelopes is adjusted relative to the dimensions of the ducts without casing to meet the iso-thickness condition of the water blade.
- the envelope is not limited to the embodiments presented and other embodiments will become apparent to those skilled in the art.
- the envelope is possible for the envelope to be of oval, rectangular cross-section, or with two convex longitudinal flanks, or two longitudinal flanks respectively provided with at least two concave portions separated by a convex portion.
- the heat exchanger on which the aforementioned examples are based is a radiator for cooling an engine.
- the invention can be applied to any type of low and high temperature exchanger such as charge air coolers or other.
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Abstract
The heat exchanger comprises: an inlet collector box, an outlet collector box, and heat exchange channels connecting the two collector boxes. The channels and the collector boxes form a circuit through which an internal heat-transfer fluid flows. According to the invention, at least one casing, known as a phase change casing, having a generally tubular shape encapsulating a phase change material is housed inside at least one heat exchange channel.
Description
Echanqeur thermique comprenant un matériau à changement de phase Heat exchanger comprising a phase change material
La présente invention concerne le domaine des échangeurs thermiques et plus particulièrement celui des échangeurs thermiques embarqués dans un véhicule automobile, notamment les radiateurs de refroidissement de liquide de refroidissement de moteur ou encore les refroidisseurs d'air de suralimentation. The present invention relates to the field of heat exchangers and more particularly that of heat exchangers on board a motor vehicle, in particular engine coolant cooling radiators or charge air coolers.
Les véhicules automobiles sont soumis à un environnement très variable durant le roulage. En effet, le fonctionnement normal du véhicule crée des variations importantes de la température de différents organes comme par exemple le bloc moteur, (notamment lors des montées et descentes de régime qui se produisent aux accélérations et décélérations du véhicule). De plus, le véhicule peut passer de zones d'air froid à des zones d'air chaud, et vice-versa, et être en outre exposé à divers intempéries (recevoir de l'eau de pluie par exemple) qui peuvent accentuer encore les variations de température des organes. Motor vehicles are subject to a highly variable environment during taxiing. Indeed, the normal operation of the vehicle creates significant variations in the temperature of different bodies such as the engine block, (especially during rises and descents of speed that occur at acceleration and deceleration of the vehicle). In addition, the vehicle can move from cold air zones to hot air zones, and vice versa, and be exposed to various weather conditions (rainwater for example) that can further accentuate organ temperature variations.
Afin de permettre d'atténuer les variations de température de ces organes, les véhicules automobiles sont équipés de circuits de régulation de température comprenant un ou plusieurs échangeurs thermiques. De manière habituelle, les échangeurs thermiques pour véhicules automobiles comprennent des canaux d'échange thermique dans lesquels circule un fluide caloporteur. Lors de sa circulation dans les canaux d'échange thermique, le fluide caloporteur échange de la chaleur avec le milieu entourant les canaux d'échange thermique. Ces échanges de chaleur ont pour but de réchauffer ou de refroidir le fluide caloporteur. Deux boites collectrices respectivement d'entrée et de sortie sont agencées de part et d'autre des canaux d'échange thermique de manière à former un circuit de circulation du fluide caloporteur s'étendant depuis un orifice d'entrée de la boite collectrice d'entrée vers un orifice de sortie de la boite collectrice de sortie. Le fluide caloporteur circule dans ce circuit à travers les différents canaux d'échange thermique. In order to make it possible to mitigate the temperature variations of these members, motor vehicles are equipped with temperature control circuits comprising one or more heat exchangers. Usually, heat exchangers for motor vehicles comprise heat exchange channels in which circulates a heat transfer fluid. During its circulation in the heat exchange channels, the coolant exchanges heat with the medium surrounding the heat exchange channels. These heat exchanges are intended to heat or cool the heat transfer fluid. Two collector boxes respectively inlet and outlet are arranged on either side of the heat exchange channels so as to form a coolant circulation circuit extending from an inlet of the collector box of input to an outlet port of the outlet manifold box. The heat transfer fluid circulates in this circuit through the different heat exchange channels.
Ce type d'échangeur thermique est dimensionné pour résister aux températures atteintes lors du fonctionnement normal du véhicule et dissiper suffisamment de chaleur dans des plages de températures définies par les constructeurs automobiles. Les températures les plus extrêmes ne sont atteintes que brièvement lors de certaines étapes de fonctionnement de l'échangeur. Ces courtes périodes au cours desquelles
sont atteintes ces températures extrêmes sont nommées pics de température. This type of heat exchanger is sized to withstand the temperatures reached during normal operation of the vehicle and dissipate enough heat in the temperature ranges defined by the car manufacturers. The most extreme temperatures are reached only briefly during certain operating stages of the exchanger. These short periods during which These extreme temperatures are known as temperature peaks.
Ces échangeurs thermiques sont traversés par un fluide caloporteur dont la température varie au cours du temps en fonction de la température des organes à refroidir. La température du fluide caloporteur subit des variations de fréquence assez élevée autour d'une valeur moyenne correspondant à un régime donné de fonctionnement des organes à refroidir. On peut expliquer cela notamment par le fait que le régime du moteur du véhicule varie très souvent lors du roulage, tout particulièrement en agglomération, dans les embouteillages, dans les montées, dans les descentes, etc. La température du fluide en sortie du moteur à refroidir, et donc en entrée de l'échangeur thermique, varie ainsi fréquemment. These heat exchangers are traversed by a coolant whose temperature varies over time depending on the temperature of the organs to be cooled. The temperature of the coolant undergoes relatively high frequency variations around an average value corresponding to a given operating regime of the organs to be cooled. This can be explained in particular by the fact that the engine speed of the vehicle varies very often when driving, especially in urban areas, traffic jams, uphill climbs, descents, etc. The temperature of the fluid leaving the engine to be cooled, and therefore at the inlet of the heat exchanger, thus varies frequently.
Les pics de températures peuvent s'avérer difficiles à dissiper par l'échangeur. De ce fait, il peut arriver que les organes du moteur à refroidir montent temporairement à des températures de fonctionnement au-delà de la plage préconisée pour un fonctionnement optimal du moteur. Par exemple, la plage préconisée pour de bonnes conditions de carburations du moteur est comprise entre 80 et 100Ό. Peak temperatures can be difficult to dissipate through the exchanger. As a result, it may happen that the engine components to be cooled temporarily rise to operating temperatures beyond the recommended range for optimum engine operation. For example, the recommended range for good carburettor conditions of the engine is between 80 and 100Ό.
L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients en fournissant un échangeur thermique permettant de réduire les variations de la température du fluide caloporteur le traversant durant le roulage et par conséquent de mieux contrôler la régulation thermique des différents organes. The object of the invention is to remedy these drawbacks by providing a heat exchanger making it possible to reduce the variations of the temperature of the heat transfer fluid passing through it during the rolling and consequently to better control the thermal regulation of the various members.
A cet effet, l'invention concerne un échangeur thermique comprenant : For this purpose, the invention relates to a heat exchanger comprising:
- une boite collectrice d'entrée, - an input manifold box,
- une boite collectrice de sortie, et an outlet manifold, and
- des canaux d'échange thermique raccordant les deux boites collectrices, les canaux et boites collectrices formant un circuit de circulation d'un fluide caloporteur interne, dans lequel au moins une enveloppe dite à changement de phase, de forme générale tubulaire encapsulant un matériau à changement de phase est logée dans au moins un canal d'échange thermique. heat exchange channels connecting the two collector boxes, the channels and collector boxes forming a circuit for circulating an internal heat-transfer fluid, in which at least one so-called phase-change envelope of generally tubular shape encapsulating a material for phase change is accommodated in at least one heat exchange channel.
Ainsi, l'enveloppe encapsulant le matériau à changement de phase absorbe efficacement la chaleur excédentaire provoquée par des pics de température plus ou moins importants en entrée de l'échangeur thermique, plus précisément dans le canal d'échange thermique. Le matériau à changement de phase permet cette absorption de chaleur via un changement d'état du matériau selon la température du fluide
caloporteur, en l'occurrence par liquéfaction du matériau à changement de phase lorsque le fluide caloporteur atteint une température supérieure ou égale à la température de fusion du matériau à changement de phase. La variation de la température du fluide caloporteur en sortie de l'échangeur thermique est ainsi atténuée. La température du fluide en sortie de l'échangeur est par conséquent plus stable. Le refroidissement des organes recevant le fluide caloporteur est alors plus efficace et la température de ces derniers varie moins brutalement. Thus, the envelope encapsulating the phase change material effectively absorbs excess heat caused by more or less significant temperature peaks at the input of the heat exchanger, specifically in the heat exchange channel. The phase change material allows this absorption of heat via a change of state of the material according to the temperature of the fluid coolant, in this case by liquefaction of the phase change material when the heat transfer fluid reaches a temperature greater than or equal to the melting temperature of the phase change material. The variation of the temperature of the coolant at the outlet of the heat exchanger is thus attenuated. The temperature of the fluid at the outlet of the exchanger is therefore more stable. The cooling of the bodies receiving the coolant is then more efficient and the temperature of the latter varies less brutally.
On comprend ainsi que l'impact des pics de température est diminué voire annulé grâce au lissage des montées en températures obtenues via la présence du matériau à changement de phase au sein d'au moins un canal d'échange thermique de l'échangeur. Ce lissage dans la régulation de température du fluide caloporteur permet de mieux maintenir le moteur dans des conditions optimales de fonctionnement De plus, grâce aux échanges thermiques qu'a un canal avec son environnement, en particulier l'air traversant l'échangeur thermique, l'enveloppe comprenant le matériau à changement de phase placée à l'intérieur d'un canal d'échange thermique permet de régénérer le matériau à changement de phase (par recristallisation ou solidification du matériau à changement de phase). En effet, lorsque la température du fluide caloporteur revient dans une plage prescrite (typiquement entre 80 et 90Ό), le matériau à changement de phase va progressivement relâcher la chaleur emmagasinée et changer d'état, par cristallisation. Ainsi régénéré, le matériau à changement de phase recristallisé peut permettre d'absorber un prochain pic de température. It is thus understood that the impact of the temperature peaks is reduced or canceled by smoothing the rise in temperatures obtained via the presence of the phase change material within at least one heat exchange channel of the exchanger. This smoothing in the temperature regulation of the heat transfer fluid makes it possible to better maintain the engine under optimal operating conditions. Moreover, thanks to the heat exchanges that a channel with its environment, in particular the air passing through the heat exchanger, has, the envelope comprising the phase change material placed inside a heat exchange channel makes it possible to regenerate the phase change material (by recrystallization or solidification of the phase change material). Indeed, when the temperature of the heat transfer fluid returns within a prescribed range (typically between 80 and 90Ό), the phase change material will gradually release the stored heat and change state, by crystallization. Thus regenerated, recrystallized phase change material can absorb a next peak temperature.
A titre d'exemple purement illustratif, lorsque le véhicule est dans une montée, les organes à refroidir sont fortement sollicités ce qui peut entraîner un pic de température du fluide caloporteur en entrée de l'échangeur. Le matériau à changement situé dans l'enveloppe logée dans le canal d'échange thermique va alors changer d'état, i.e. se liquéfier, et ainsi absorber au moins en partie cette brusque élévation de température. Ensuite, lorsque le véhicule est dans une descente, les organes à refroidir sont alors moins sollicités. Le fluide caloporteur en entrée de l'échangeur va revenir dans la plage de température prescrite pour le fonctionnement optimal du moteur, et le matériau à changement de phase va retransmettre au fluide caloporteur la chaleur emmagasinée lors du pic de chaleur de la montée. En relâchant cette chaleur, le matériau à changement de phase va alors se régénérer en se recristallisant.
Au cours des premiers essais, il s'avère que la température maximale mesurée en sortie de l'échangeur a été diminuée de 3Ό par rap port à un échangeur thermique classique. Selon d'autres caractéristiques optionnelles correspondant à différents modes de réalisation de l'échangeur thermique : As a purely illustrative example, when the vehicle is in a climb, the bodies to be cooled are highly stressed which can cause a temperature spike of the coolant at the inlet of the exchanger. The change material located in the envelope housed in the heat exchange channel will then change state, ie liquefy, and thus absorb at least in part this sudden rise in temperature. Then, when the vehicle is in a descent, the bodies to be cooled are then less stressed. The heat transfer fluid entering the exchanger will return to the temperature range prescribed for the optimal operation of the engine, and the phase change material will retransmettre heat transfer fluid heat stored during the heat peak rise. By releasing this heat, the phase change material will then regenerate by recrystallizing. During the first tests, it turns out that the maximum temperature measured at the outlet of the exchanger has been reduced by 3 ° compared to a conventional heat exchanger. According to other optional features corresponding to different embodiments of the heat exchanger:
- le matériau à changement de phase a une chaleur latente de fusion supérieure à 280 kJ/m3 ; the phase change material has a latent heat of fusion greater than 280 kJ / m 3;
- le matériau à changement de phase passe de la phase solide à la phase liquide dans une plage de température de fusion comprise entre 20 et 110Ό, et plus particulièrement choisi : the phase-change material passes from the solid phase to the liquid phase in a melting point range of between 20 and 110 °, and more particularly chosen:
• entre 45 et 55Ό si l'échangeur thermique est dest iné au refroidissement de l'air de suralimentation du moteur, • between 45 and 55Ό if the heat exchanger is intended for the cooling of the engine charge air,
• entre 50 et 100Ό si l'échangeur thermique est des tiné au refroidissement d'une boite de vitesse, • between 50 and 100Ό if the heat exchanger is designed for the cooling of a gearbox,
• entre 80 et 110Ό si l'échangeur thermique est des tiné au refroidissement du moteur ; • between 80 and 110Ό if the heat exchanger is for engine cooling;
- le matériau à changement de phase est choisi parmi un acide gras, un alcool gras d'origine végétale, une paraffine et un sel hydraté ; the phase-change material is chosen from a fatty acid, a fatty alcohol of vegetable origin, a paraffin and a hydrated salt;
- le fluide caloporteur interne est sous forme liquide ; the internal heat transfer fluid is in liquid form;
- l'enveloppe a une section circulaire dont le diamètre externe maximal est compris entre 1 mm et 8 mm ; the casing has a circular section whose maximum outside diameter is between 1 mm and 8 mm;
- l'enveloppe a une section ovale ; - the envelope has an oval section;
- l'enveloppe a une section rectangulaire - the envelope has a rectangular section
- l'enveloppe a une section transversale comportant deux faces longitudinales opposées, les faces longitudinales étant : the envelope has a transverse section comprising two opposite longitudinal faces, the longitudinal faces being:
• chacune convexe, • each convex,
• respectivement munies d'au moins deux portions concaves séparées par une portion convexe ; • respectively provided with at least two concave portions separated by a convex portion;
- l'enveloppe a un tronçon dont la longueur correspond à plus de 80% de la longueur de l'enveloppe, ce tronçon ayant une section circulaire dont le diamètre est compris entre 1 et 4 mm, et plus particulièrement choisi parmi 4 mm, 2,56 mm, 1 ,4 mm, 1 ,7 mm, 1 ,88 mm et 1 ,1 mm ; the envelope has a section whose length corresponds to more than 80% of the length of the envelope, this section having a circular section whose diameter is between 1 and 4 mm, and more particularly chosen from 4 mm, 2 , 56 mm, 1, 4 mm, 1, 7 mm, 1, 88 mm and 1, 1 mm;
- l'enveloppe a une épaisseur comprise entre 50 et 500 μηι, de préférence égale à 200 m ; the envelope has a thickness of between 50 and 500 μm, preferably equal to 200 μm;
- l'échangeur comprend des moyens de positionnement de l'enveloppe dans le canal
d'échange thermique ; the exchanger comprises means for positioning the envelope in the channel heat exchange;
- le canal d'échange thermique contenant l'enveloppe présente une section choisie parmi une section de forme générale ronde, ovale, et oblongue ; the heat exchange channel containing the envelope has a section chosen from a section of generally round, oval, and oblong shape;
- l'échangeur étant du type mécanique ou du type brasé ; the exchanger being of the mechanical type or of the brazed type;
- les canaux d'échange thermique se répartissent en des premier et second groupes de canaux, chaque canal d'échange thermique du premier groupe comprenant une enveloppe à changement de phase, et chaque canal d'échange thermique du second groupe ne comprenant pas d'enveloppe à changement de phase ; the heat exchange channels are divided into first and second groups of channels, each heat exchange channel of the first group comprising a phase change envelope, and each heat exchange channel of the second group not including any phase change envelope;
- les premier et second groupes de canaux d'échange thermique sont placés respectivement dans des première et seconde parties opposées de l'échangeur, la première partie délimitant par exemple une première face d'échange thermique de l'échangeur et la seconde partie délimitant une seconde face d'échange thermique de l'échangeur sans délimiter la première face d'échange thermique, ou bien chacune des première et seconde parties délimitant à la fois les première et seconde faces d'échange thermique ; the first and second groups of heat exchange channels are respectively placed in first and second opposite parts of the heat exchanger, the first part delimiting, for example, a first heat exchange face of the heat exchanger and the second portion delimiting a heat exchanger; second heat exchange face of the exchanger without delimiting the first heat exchange face, or each of the first and second portions delimiting both the first and second heat exchange faces;
- les canaux d'échange thermique étant disposés sur au moins une ligne, les canaux d'échange thermique du premier groupe alternent sur cette ligne avec les canaux d'échange thermique du second groupe. the heat exchange channels being arranged on at least one line, the heat exchange channels of the first group alternate on this line with the heat exchange channels of the second group.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : The invention will be better understood on reading the description which follows, given solely by way of example and with reference to the appended drawings, in which:
- la figure 1 est une vue en perspective d'une portion d'un échangeur thermique selon un premier mode de réalisation de l'invention, un écorché étant représenté sur une boite collectrice de cet échangeur, cet échangeur thermique formant radiateur ; - Figure 1 is a perspective view of a portion of a heat exchanger according to a first embodiment of the invention, a cutaway being shown on a manifold of this heat exchanger, the heat exchanger forming radiator;
- la figure 2 est une vue en perspective d'une enveloppe à changement de phase avec une coupe longitudinale d'une portion centrale de cette enveloppe ; FIG. 2 is a perspective view of a phase change envelope with a longitudinal section of a central portion of this envelope;
- la figure 3 est une section d'un conduit formant canal d'échange thermique de l'échangeur de la figure 1 ; FIG. 3 is a section of a heat exchange channel duct of the exchanger of FIG. 1;
- les figures 4 à 6 sont des illustrations d'autres exemples de sections de canaux d'échange thermique possibles dans lesquels une enveloppe à changement de phase est logée ; et FIGS. 4 to 6 are illustrations of other examples of possible heat exchange channel sections in which a phase change envelope is housed; and
- la figure 7 est un graphique montrant l'évolution en fonction du temps (abscisse) de la température de l'air sortant de l'échangeur thermique formant radiateur (ordonnée de gauche) et de la vitesse d'un véhicule équipé de ce radiateur (ordonnée de droite). FIG. 7 is a graph showing the evolution as a function of time (abscissa) of the temperature of the air leaving the radiator heat exchanger (left-hand ordinate) and the speed of a vehicle equipped with this radiator (right ordinate).
- la figure 8 est une vue de dessus d'un échangeur thermique selon un autre mode
de réalisation de l'invention comprenant des conduits formant canaux d'échange thermique incorporant des enveloppes à changement de phase et des canaux sans enveloppes à changement de phase ; FIG. 8 is a view from above of a heat exchanger according to another embodiment embodiment of the invention comprising heat exchange channel conduits incorporating phase change envelopes and phase change envelope free channels;
- la figure 9 est une vue en perspective d'une portion d'un échangeur thermique selon un autre mode de réalisation de l'invention comprenant des conduits formant canaux d'échange thermique incorporant des enveloppes à changement de phase et des conduits sans enveloppes à changement de phase ;_et FIG. 9 is a perspective view of a portion of a heat exchanger according to another embodiment of the invention comprising heat exchange channel ducts incorporating phase change envelopes and ducts without envelopes to phase change; _et
- la figure 10 est une vue en perspective d'un échangeur thermique selon un autre mode de réalisation de l'invention comprenant des conduits formant canaux d'échange thermique incorporant des enveloppes à changement de phase et des canaux sans enveloppes à changement de phase. FIG. 10 is a perspective view of a heat exchanger according to another embodiment of the invention comprising heat exchange channel conduits incorporating phase change envelopes and phase change envelopes without channels.
La figure 1 représente un échangeur thermique 2 selon un premier mode de réalisation de l'invention, ici un radiateur. Il peut s'agir en l'occurrence d'un radiateur de refroidissement d'un liquide de refroidissement d'un moteur. Un tel échangeur peut être de type mécanique, c'est-à-dire qui comprend des éléments assemblés entre eux par sertissage, ou de type brasé, c'est-à-dire qui comprend des éléments assemblés entre eux par brasage. Cet échangeur comprend une pluralité de conduits formant canaux d'échange thermique 4 parallèles entre eux. Ces conduits peuvent avoir une section 6 (voir figure 3) de forme générale oblongue par exemple. Ils sont sensiblement identiques entre eux. En se référant notamment à la figure 3, on notera que la longueur (grande dimension) de la section des canaux 4 peut varier d'un échangeur à un autre ; elle peut par exemple être de 12,98 mm ou encore de 10,16 mm. Il en est de même pour la largeur (petite dimension) moyenne de la section qui peut par exemple être égale à 1 ,7 mm (quand la longueur est égale à 12,98 mm) ou encore à 1 ,79 mm (quand la longueur est égale à 10,16 mm). La largeur centrale 8 du canal d'échange thermique 4 peut être plus petite que la largeur 10 aux extrémités. Les conduits 4 ont alors deux faces d'échange thermique qui sont les faces supérieure 14 et inférieure 15 sur la figure 3. Chaque extrémité des conduits 4 est fixée à une plaque collectrice 16 (qui peut aussi être appelée « collecteur ») positionnant les conduits 4 entre eux. Une boite collectrice d'entrée ou de sortie 18 est fixée à la plaque collectrice16. Une autre boite collectrice (non représentée), sensiblement identique à la boite collectrice 18, est située à l'autre extrémité de l'échangeur, c'est-à-dire à l'autre extrémité des canaux d'échange thermique, et est fixée à une autre plaque collectrice (non représentée) sensiblement identique à la plaque collectrice 16. Ainsi, les conduits 4 relient les deux boites
collectrices entre elles. FIG. 1 represents a heat exchanger 2 according to a first embodiment of the invention, here a radiator. It may be in this case a radiator for cooling a coolant of an engine. Such an exchanger may be of mechanical type, that is to say which comprises elements assembled together by crimping, or brazed type, that is to say which comprises elements assembled together by brazing. This exchanger comprises a plurality of conduits forming heat exchange channels 4 parallel to each other. These ducts may have a section 6 (see FIG. 3) of generally oblong shape, for example. They are substantially identical to each other. With particular reference to Figure 3, it will be noted that the length (large dimension) of the section of the channels 4 may vary from one exchanger to another; it may for example be 12.98 mm or 10.16 mm. It is the same for the average width (small dimension) of the section which can for example be equal to 1, 7 mm (when the length is equal to 12.98 mm) or to 1.79 mm (when the length is equal to 10.16 mm). The central width 8 of the heat exchange channel 4 may be smaller than the width 10 at the ends. The ducts 4 then have two heat exchange faces which are the upper 14 and lower faces 15 in FIG. 3. Each end of the ducts 4 is fixed to a collector plate 16 (which may also be called a "collector") positioning the ducts. 4 between them. An inlet or outlet manifold 18 is attached to the header plate16. Another manifold (not shown), substantially identical to the manifold 18, is located at the other end of the exchanger, that is to say at the other end of the heat exchange channels, and is attached to another manifold plate (not shown) substantially identical to the manifold plate 16. Thus, the ducts 4 connect the two boxes collectors between them.
Lors du fonctionnement de l'échangeur thermique 2, un fluide caloporteur interne entre par un orifice d'entrée ménagé dans la boite collectrice d'entrée, circule à l'intérieur des canaux d'échange thermique 4 jusqu'à la boite collectrice de sortie et quitte l'échangeur thermique 2 par un orifice de sortie ménagé dans la boite collectrice de sortie. Ce fluide est généralement un liquide de refroidissement (par exemple de l'eau glycolée) dans le cas d'un radiateur mais peut aussi être de l'air dans le cadre d'un échangeur thermique de type refroidisseur d'air de suralimentation. Lors de sa circulation à l'intérieur des canaux d'échange thermique 4, le fluide caloporteur interne transmet de la chaleur aux parois de ces canaux d'échange thermique 4. L'échangeur thermique 2 est traversé par un fluide caloporteur externe, qui est de l'air, circulant entre les conduits formant canaux d'échange thermique 4. L'échangeur thermique 2 transmet la chaleur reçue par le fluide caloporteur interne au fluide caloporteur externe. Cette transmission s'effectue par l'intermédiaire d'ailettes de refroidissement (non représentées) s'étendant notamment entre les canaux d'échange thermique 4. During the operation of the heat exchanger 2, an internal heat transfer fluid enters through an inlet orifice formed in the inlet manifold, circulates inside the heat exchange channels 4 to the outlet manifold and leaves the heat exchanger 2 through an outlet orifice formed in the outlet manifold. This fluid is generally a coolant (for example brine) in the case of a radiator but can also be air in the context of a heat exchanger type charge air cooler. During its circulation inside the heat exchange channels 4, the internal heat transfer fluid transmits heat to the walls of these heat exchange channels 4. The heat exchanger 2 is traversed by an external heat transfer fluid, which is air circulating between the ducts forming the heat exchange channel 4. The heat exchanger 2 transmits the heat received by the internal heat transfer fluid to the external heat transfer fluid. This transmission is effected by means of cooling fins (not shown) extending in particular between the heat exchange channels 4.
Ainsi, la température du fluide caloporteur interne en sortie de l'échangeur thermique 2 est inférieure à la température de ce même fluide en entrée de l'échangeur thermique. Thus, the temperature of the internal heat transfer fluid at the outlet of the heat exchanger 2 is lower than the temperature of this same fluid at the inlet of the heat exchanger.
Comme illustré à la figure 2, des enveloppes 19, dites à changement de phase, ont une forme générale tubulaire et encapsulent un matériau à changement de phase 20. Ces enveloppes 19 sont logées à l'intérieur des conduits formant canaux d'échange thermique 4. As illustrated in FIG. 2, envelopes 19, called phase-change envelopes, have a generally tubular shape and encapsulate a phase-change material 20. These envelopes 19 are housed inside the channels forming heat-exchange channels 4 .
Un matériau à changement de phase est un matériau dont la chaleur latente est importante et qui est utilisé dans une plage de température comprenant sa température de changement de phase. De cette manière, un matériau à changement de phase est susceptible d'absorber ou de restituer une grande quantité de chaleur lors de son changement de phase. Le matériau à changement de phase peut être un acide gras, un alcool gras d'origine végétal, une paraffine ou encore un sel hydraté. Il a une chaleur latente de fusion supérieure à 280 kJ/m3 ce qui lui permet de stocker une grande quantité d'énergie. La température de fusion du matériau à changement de phase est comprise dans une plage de température comprise entre 20 et 110Ό, et qui peut plus particulièrement être choisie entre 50 et 100Ό (po ur un échangeur basse température destiné au refroidissement d'une boite de vitesse de véhicule par exemple) choisie
parmi 45Ό à 55Ό (pour un échangeur thermique bass e température destiné à refroidir l'air de suralimentation du moteur typiquement) et 80Ό à 110Ό (pour un échangeur thermique haute température destiné à refroidir le moteur). Dans l'exemple illustré (voir notamment figure 3), les enveloppes 19 ont une section circulaire dont le diamètre externe maximal 22 est compris entre 1 mm et 8 mm. Plus particulièrement, les enveloppes 19 ont un tronçon dont la longueur correspond à plus de 80% de la longueur de chaque enveloppe 19 ayant une section circulaire dont le diamètre est compris entre 1 et 4 mm, et peut notamment être choisi parmi 4 mm, 2,56 mm, 1 ,4 mm, 1 ,7 mm, 1 ,88 mm et 1 ,1 mm. Le choix de ce diamètre se fait en fonction de la taille et de la forme de la section du conduit formant canal d'échange thermique 4. Par exemple, le diamètre de la section du tronçon des enveloppes 19 est de 1 ,7 mm pour un conduit de 12,98 mm de longueur et 1 ,7 mm de largeur moyenne ou 1 ,88 mm pour un conduit d'une longueur de 10,16 mm et d'une largeur moyenne de 1 ,79 mm. Le diamètre de la section des enveloppes 19 détermine en partie la surface d'échange thermique entre le fluide caloporteur interne et le matériau à changement de phase. Le diamètre ainsi que la longueur des enveloppes 19 contribuent à déterminer l'efficacité de l'échange thermique entre chaque enveloppe à changement de phase 19 et le fluide caloporteur interne. D'autres formes de canaux 4 et d'enveloppes 19 seront décrites par la suite. A phase change material is a material whose latent heat is important and which is used in a temperature range including its phase change temperature. In this way, a phase change material is capable of absorbing or returning a large amount of heat during its phase change. The phase change material may be a fatty acid, a fatty alcohol of plant origin, a paraffin or a hydrated salt. It has a latent heat of fusion greater than 280 kJ / m3 which allows it to store a large amount of energy. The melting temperature of the phase-change material is in a temperature range between 20 and 110 °, and which may more particularly be chosen between 50 and 100 ° (for a low-temperature exchanger intended for cooling a gearbox vehicle for example) chosen from 45Ό to 55Ό (for a low temperature heat exchanger for typically cooling the engine charge air) and 80Ό to 110Ό (for a high temperature heat exchanger for cooling the engine). In the illustrated example (see in particular Figure 3), the envelopes 19 have a circular section whose maximum outside diameter 22 is between 1 mm and 8 mm. More particularly, the envelopes 19 have a section whose length corresponds to more than 80% of the length of each envelope 19 having a circular section whose diameter is between 1 and 4 mm, and may in particular be chosen from 4 mm, 2 , 56 mm, 1, 4 mm, 1, 7 mm, 1, 88 mm and 1, 1 mm. The choice of this diameter is made according to the size and shape of the section of the heat exchange channel duct 4. For example, the diameter of the section of the section of the envelopes 19 is 1.7 mm for a 12.98 mm long conduit and 1.7 mm average width or 1.88 mm for a conduit with a length of 10.16 mm and an average width of 1.79 mm. The diameter of the section of the envelopes 19 partly determines the heat exchange surface between the internal heat transfer fluid and the phase change material. The diameter as well as the length of the envelopes 19 contribute to determining the efficiency of the heat exchange between each phase change envelope 19 and the internal heat transfer fluid. Other forms of channels 4 and envelopes 19 will be described later.
La paroi du corps principal de l'enveloppe a une épaisseur comprise entre 50 μηη et 500 μηι, de préférence égale à 200 μηι. Les enveloppes à changement de phase 19 illustrées à la figure 2 peuvent être en matériau synthétique, plus particulièrement en matériau plastique. Le corps principal 24 des enveloppes est creux afin d'accueillir le matériau à changement de phase 20. Chaque extrémité d'une enveloppe 19 est fermée par un bouchon 26 comprenant une extrémité interne (non représentée sur les figures) emboîtée dans l'extrémité de l'enveloppe 19 et une extrémité externe 27 munie d'un orifice axial 27A pour la fixation de l'enveloppe dans l'échangeur thermique 2 (voir figures 1 et 2). The wall of the main body of the envelope has a thickness of between 50 μηη and 500 μηι, preferably equal to 200 μηι. The phase change envelopes 19 illustrated in FIG. 2 may be made of synthetic material, more particularly of plastic material. The main body 24 of the envelopes is hollow in order to accommodate the phase-change material 20. Each end of an envelope 19 is closed by a plug 26 comprising an inner end (not shown in the figures) nested in the end of the casing 19 and an outer end 27 provided with an axial orifice 27A for fixing the casing in the heat exchanger 2 (see Figures 1 and 2).
On se réfère maintenant aux figures 4 à 6 sur lesquelles sont illustrées différentes formes de section de conduits formant canaux d'échange thermique. Dans l'exemple de la figure 4, les conduits formant canaux d'échange thermique 4 ont une section circulaire d'un diamètre 28, qui peut être égal à 8,35 mm par exemple. Ici, une seule enveloppe 19 est présente par conduit 4. Cette enveloppe peut par exemple être d'un
diamètre 30 égal à 4 mm. Il est également possible que les conduits formant canaux d'échange thermique aient une section de forme générale oblongue et comprenant trois portions élargies (voir figure 5),. La longueur de la section peut alors être de 12,06 mm et sa largeur moyenne est de 1 ,69 mm. La section de l'enveloppe à changement de phase est alors de 1 ,1 mm. Cette section peut aussi être de forme ovale, comme représenté à la figure 6, et présenter une longueur de 12,40 mm et une largeur maximale de 4,82 mm ou encore une longueur de 12,96 mm et une largeur de 3,19 mm par exemple. La section de l'enveloppe à changement de phase peut alors ête respectivement de 2,56 mm et 1 ,4 mm. Reference will now be made to FIGS. 4 to 6, in which various section shapes of conduits forming heat exchange channels are illustrated. In the example of FIG. 4, the ducts forming heat exchange ducts 4 have a circular section with a diameter 28, which may be equal to 8.35 mm, for example. Here, a single envelope 19 is present by conduit 4. This envelope can for example be of a diameter 30 equal to 4 mm. It is also possible that the channels forming heat exchange channels have a section of generally oblong shape and comprising three enlarged portions (see Figure 5). The length of the section can then be 12.06 mm and its average width is 1.69 mm. The section of the phase change envelope is then 1.1 mm. This section may also be oval shaped, as shown in Figure 6, and have a length of 12.40 mm and a maximum width of 4.82 mm or a length of 12.96 mm and a width of 3.19. mm for example. The section of the phase change envelope can then be 2.56 mm and 1.4 mm, respectively.
Les enveloppes à changement de phase 19 permettent de stabiliser la température du fluide caloporteur interne en sortie de l'échangeur thermique 2, comme illustré à la figure 7. La courbe A représente l'évolution de la température de l'air sortant d'un radiateur comprenant les enveloppes à changement de phase 19. La courbe B représente cette même évolution, et ce dans le cas où le radiateur ne comprend pas d'enveloppes à changement de phase 19. On note une très forte atténuation de l'ensemble des pics de températures sur la courbe A par rapport à la courbe B et ce quelle que soit la vitesse du véhicule (et par conséquent le régime du moteur). La vitesse est représentée par la courbe C. Lors du passage du fluide caloporteur interne dans le canal d'échange thermique 4, il entre en contact avec l'enveloppe à changement de phase 19. Si la température du fluide caloporteur interne est supérieure ou égale à une température comprise dans l'intervalle de changement de phase du matériau à changement de phase 20, ce dernier change de phase (par exemple de la phase solide à la phase liquide) et absorbe la chaleur excédentaire provoquée par des pics de température plus ou moins importants dans le canal d'échange thermique 4. C'est cette absorption qui permet la stabilisation de la température du fluide caloporteur interne en sortie de l'échangeur thermique 2. The phase change envelopes 19 make it possible to stabilize the temperature of the internal heat transfer fluid at the outlet of the heat exchanger 2, as illustrated in FIG. 7. The curve A represents the evolution of the temperature of the air coming out of a radiator comprising the phase change envelopes 19. The curve B represents this same evolution, and this in the case where the radiator does not include phase change envelopes 19. There is a very strong attenuation of all the peaks temperatures on the curve A with respect to the curve B and this regardless of the speed of the vehicle (and therefore the engine speed). The speed is represented by the curve C. During the passage of the internal heat transfer fluid in the heat exchange channel 4, it comes into contact with the phase change envelope 19. If the temperature of the internal heat transfer fluid is greater than or equal to at a temperature within the phase change range of the phase change material 20, the phase change material (e.g. solid phase to liquid phase) and absorb excess heat caused by higher or lower temperature peaks. This absorption allows the stabilization of the temperature of the internal heat transfer fluid at the outlet of the heat exchanger 2.
Les enveloppes 19 peuvent, dans le premier mode de réalisation illustré aux figures 1 , 3, 5 et 6, au nombre de deux par conduit 4 et situées à l'opposée l'une de l'autre en considérant la grande dimension du canal d'échange thermique 4. Elles sont logées parallèles entre elles et parallèles à un axe principal X du canal (voir figure 1 ). The envelopes 19 may, in the first embodiment illustrated in Figures 1, 3, 5 and 6, the number of two per duct 4 and located opposite one another considering the large size of the channel d heat exchange 4. They are housed parallel to each other and parallel to a main axis X of the channel (see Figure 1).
Les enveloppes à changement de phase 19 sont maintenues en position à l'intérieur des canaux d'échange thermique par des moyens de positionnement. Ces moyens de positionnement assurent, d'une part, un positionnement axial des enveloppes à changement de phase 19 dans les canaux d'échange thermique 4 et, d'autre part, un
positionnement radial afin de maintenir les enveloppes dans une position telle que le fluide caloporteur interne circule au moins le long d'une portion de l'enveloppe, et de préférence tout autour des enveloppes 19 afin d'augmenter la surface de contact entre ce dernier et les enveloppes à changement de phase 19 et ainsi augmenter l'efficacité de l'échange thermique. The phase change envelopes 19 are held in position inside the heat exchange channels by positioning means. These positioning means ensure, on the one hand, an axial positioning of the phase change envelopes 19 in the heat exchange channels 4 and, on the other hand, a radial positioning to maintain the envelopes in a position such that the internal heat transfer fluid circulates at least along a portion of the envelope, and preferably all around the envelopes 19 to increase the contact area between the latter and the phase change envelopes 19 and thus increase the efficiency of the heat exchange.
Dans ce qui va suivre, on décrira d'autres modes de réalisation de l'invention en se référant aux figures 8 à 10. Sur ces figures, les éléments analogues à ceux des figures précédentes sont désignés par des références comportant des chiffres des unités et des dizaines identiques. In what follows, other embodiments of the invention will be described with reference to FIGS. 8 to 10. In these figures, the elements similar to those of the preceding figures are designated by references comprising numbers of the units and dozens identical.
Dans un le mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 8, les canaux d'échange thermique se répartissent en des premier et second groupes de canaux 348 et 350, chaque canal d'échange thermique 304 du premier groupe 348 comprenant une enveloppe à changement de phase 319, et chaque canal d'échange thermique 305 du second groupe 350 ne comprenant pas d'enveloppe à changement de phase. Les canaux du second groupe ont une section de forme générale oblongue. Les canaux 304 ont quant à eux une section circulaire. Plus précisément, les premier et second groupes 348 et 350 de canaux d'échange thermique 304 sont placés respectivement dans des première et seconde parties opposées de l'échangeur. La première partie délimite par exemple une première face d'échange thermique F1 de l'échangeur 302 et la seconde partie délimite une seconde face d'échange thermique F2 de l'échangeur 302 sans délimiter la première face F1 d'échange thermique. Plus précisément, les canaux 304 du premier groupe 348 sont disposés sur une ligne sensiblement parallèle à une seconde ligne composée des canaux 305 du second groupe 350. Les faces F1 et F2 sont sensiblement parallèles et opposées. In one embodiment of the invention shown in FIG. 8, the heat exchange channels are divided into first and second groups of channels 348 and 350, each heat exchange channel 304 of the first group 348 comprising an envelope with phase change 319, and each heat exchange channel 305 of the second group 350 does not comprise a phase change envelope. The channels of the second group have a section of oblong general shape. The channels 304 have a circular section. More specifically, the first and second groups 348 and 350 of heat exchange channels 304 are respectively placed in first and second opposite parts of the exchanger. The first part delimits, for example, a first heat exchange face F1 of the heat exchanger 302 and the second portion delimits a second heat exchange face F2 of the heat exchanger 302 without delimiting the first heat exchange face F1. More specifically, the channels 304 of the first group 348 are arranged on a line substantially parallel to a second line composed of the channels 305 of the second group 350. The faces F1 and F2 are substantially parallel and opposite.
En ajustant le nombre total de conduits 304 et 305 respectivement avec et sans enveloppe à changement de phase 319, il est possible de réaliser une circulation du fluide caloporteur interne en forme de « I » ou alors en forme de « U » du fluide caloporteur interne. By adjusting the total number of conduits 304 and 305 respectively with and without phase change envelope 319, it is possible to produce a circulation of the internal heat transfer fluid in the form of "I" or in the form of "U" of the internal heat transfer fluid .
Une circulation en « I » correspond à une circulation du fluide caloporteur interne à partir d'un collecteur d'entrée en direction d'un collecteur de sortie au travers de conduits rectilignes. Une circulation en « U » peut correspondre à : An "I" circulation corresponds to a circulation of the internal heat transfer fluid from an inlet manifold towards an outlet manifold through straight ducts. A "U" circulation may correspond to:
- une circulation du fluide caloporteur interne dans un échangeur thermique ne comprenant qu'une seule boite collectrice commune. ( la boite collectrice
commune peut alors être divisée n deux parties par exemple, une partie faisant office de boite collectrice d'entrée et l'autre partie faisant office de boite collectrice de sortie, les deux parties étant alors raccordées entre elles par un ensemble de canaux d'échange thermiques selon en forme de « U » imposant des trajets en U au fluide caloporteur interne) ; - A circulation of the internal coolant in a heat exchanger comprising only one common manifold. (the collector box The common part can then be divided into two parts for example, one part acting as an input collector box and the other part serving as an output collector box, the two parts then being interconnected by a set of exchange channels. thermals in the form of "U" imposing U-shaped paths to the internal heat transfer fluid);
- une circulation du fluide caloporteur, via certains canaux d'échange thermique de l'échangeur, dans un premier sens entre les deux boites collectrices et, une circulation dans un second sens, opposés au premier sens, via d'autres canaux. Dans une réalisation de circulation en « U », la boite collectrice commune peut être divisée en deux parties, une partie faisant office de boite collectrice d'entrée et l'autre partie faisant office de boite collectrice de sortie. Les deux parties sont raccordées entre elles par un ensemble de canaux d'échange thermiques en forme de « U » imposant des trajets en U au fluide caloporteur interne. a circulation of the heat transfer fluid, via certain heat exchange channels of the heat exchanger, in a first direction between the two collecting boxes and, a circulation in a second direction, opposed to the first direction, via other channels. In a "U" circulation embodiment, the common manifold box can be divided into two parts, one part acting as an inlet manifold box and the other part acting as an outlet manifold box. The two parts are connected together by a set of heat exchange channels in the shape of "U" imposing U-shaped paths to the internal heat transfer fluid.
Selon une autre réalisation de circulation en « U », une première boite collectrice est configurée de sorte à avoir une partie faisant office de collecteur d'entrée et une autre partie faisant office de collecteur de sortie (les deux parties de la boite collectrice pouvant être séparée par une cloison par exemple). La deuxième boite collectrice est quant à elle configurée pour être connectée avec l'ensemble des canaux d'échange thermique. Les deux parties de la première boite à eau sont ainsi raccordées entre elles par : According to another "U" circulation embodiment, a first manifold is configured to have an inlet manifold portion and another outlet manifold portion (both collector box portions may be separated by a partition for example). The second collector box is itself configured to be connected with all the heat exchange channels. The two parts of the first water box are thus connected to each other by:
- un premier ensemble de canaux d'échange thermique dans lequel le fluide circule vers la seconde boite collectrice, a first set of heat exchange channels in which the fluid flows towards the second collecting box,
- la seconde boite collectrice, - the second collector box,
- un deuxième ensemble de canaux d'échange thermique dans lequel le fluide étant passé par la seconde boite collectrice, circule vers la première boite collectrice. - A second set of heat exchange channels in which the fluid having passed through the second collector box, flows to the first collector box.
Dans le mode de réalisation de l'invention illustré à la figure 9, chacun des groupes de canaux 448 et 450 des première et seconde parties opposées de l'échangeur 402 délimitent à la fois les première et seconde faces F1 , F2 d'échange thermique. In the embodiment of the invention illustrated in FIG. 9, each of the groups of channels 448 and 450 of the first and second opposite parts of the exchanger 402 delimit both the first and second heat exchange faces F1, F2. .
Il est possible de faire varier le ratio entre les canaux des premier et second groupes. La section de passage étant plus élevée pour les conduits 404 contenant les enveloppes à changement de phase 419 que celle des conduits 405 sans enveloppes à changement de phase, cette configuration d'échangeur thermique 402 est recommandée pour une circulation en « I » du fluide caloporteur interne.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention illustré à la figure 10, les conduits formant canaux d'échange thermique de l'échangeur 502 sont disposés sur au moins une ligne 556, les canaux d'échange thermique 504 comprenant les enveloppes à changement de phase 519 du premier groupe alternant sur cette ligne avec les canaux d'échange thermique 505 du second groupe. Ce mode de réalisation est adapté à une circulation en « I » et en « U ». It is possible to vary the ratio between the channels of the first and second groups. Since the passage section is higher for the ducts 404 containing the phase change envelopes 419 than the ducts 405 without phase change envelopes, this heat exchanger configuration 402 is recommended for an "I" circulation of the heat transfer fluid. internal. In another embodiment of the invention illustrated in FIG. 10, the heat exchange channel ducts of the exchanger 502 are arranged on at least one line 556, the heat exchange channels 504 comprising the change envelopes. phase 519 of the first alternating group on this line with the heat exchange channels 505 of the second group. This embodiment is suitable for circulation in "I" and "U".
Concernant les modes de réalisation précités, le diamètre externe des enveloppes est ajusté par rapport aux dimensions des conduits sans enveloppe afin de respecter la condition d'iso-épaisseur de la lame d'eau. Regarding the aforementioned embodiments, the outer diameter of the envelopes is adjusted relative to the dimensions of the ducts without casing to meet the iso-thickness condition of the water blade.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier. Il est notamment possible que l'enveloppe soit de section ovale, rectangulaire, ou avec deux flancs longitudinaux convexes, ou encore deux flancs longitudinaux respectivement munis d'au moins deux portions concaves séparées par une portion convexe. The invention is not limited to the embodiments presented and other embodiments will become apparent to those skilled in the art. In particular, it is possible for the envelope to be of oval, rectangular cross-section, or with two convex longitudinal flanks, or two longitudinal flanks respectively provided with at least two concave portions separated by a convex portion.
En outre, l'échangeur thermique sur lequel se base les exemples précités est un radiateur destiné au refroidissement d'un moteur. Toutefois, l'invention peut s'appliquer à tout type d'échangeur basse et haute température tels que les refroid isseurs d'air de suralimentation ou autre.
In addition, the heat exchanger on which the aforementioned examples are based is a radiator for cooling an engine. However, the invention can be applied to any type of low and high temperature exchanger such as charge air coolers or other.
Claims
REVENDICATIONS
Echangeur thermique (2) comprenant : Heat exchanger (2) comprising:
- une boite collectrice d'entrée (18), an inlet manifold box (18),
- une boite collectrice de sortie (18), et an outlet manifold (18), and
- des canaux d'échange thermique (4) raccordant les deux boites collectrices (18), heat exchange channels (4) connecting the two collector boxes (18),
les canaux (4) et boites collectrices (18) formant un circuit de circulation d'un fluide caloporteur interne, the channels (4) and collecting boxes (18) forming a circulation circuit for an internal heat transfer fluid,
caractérisé en ce qu'au moins une enveloppe (19), dite à changement de phase, de forme générale tubulaire encapsulant un matériau à changement de phase (20) est logée dans au moins un canal d'échange thermique (4). characterized in that at least one casing (19), called phase change, of generally tubular shape encapsulating a phase change material (20) is housed in at least one heat exchange channel (4).
Echangeur thermique selon la revendication 1 , dans lequel le matériau à changement de phase (20) a une chaleur latente de fusion supérieure à 280 kJ/m3. The heat exchanger of claim 1, wherein the phase change material (20) has a latent heat of fusion greater than 280 kJ / m3.
Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau à changement de phase (20) passe de la phase solide à la phase liquide dans une plage de température comprise entre 20 et HO A heat exchanger according to any one of the preceding claims, wherein the phase change material (20) is passed from the solid phase to the liquid phase in a temperature range of from 20 to 0.
Echangeur thermique selon la revendication 3, dans lequel, pour le refroidissement d'une boite de vitesse de véhicule, la plage de température à laquelle le matériau à changement de phase (20) passe de la phase solide à la phase liquide est choisie entre 50 et ^ 00 . A heat exchanger according to claim 3, wherein, for cooling a vehicle gearbox, the temperature range at which the phase change material (20) passes from the solid phase to the liquid phase is selected from 50 and ^ 00.
Echangeur thermique selon la revendication 3, dans lequel, pour le refroidissement d'une boite de l'air de suralimentation d'un moteur, la plage de température à laquelle le matériau à changement de phase (20) passe de la phase solide à la phase liquide est choisie entre 45 et δδ . A heat exchanger according to claim 3, wherein, for cooling a box of charge air of an engine, the temperature range at which the phase change material (20) passes from the solid phase to the liquid phase is chosen between 45 and δδ.
Echangeur thermique selon la revendication 3, dans lequel, pour le refroidissement d'un moteur de véhicule, la plage de température à laquelle le matériau à changement de phase (20) passe de la phase solide à la phase liquide est choisie entre 80 et HO . A heat exchanger according to claim 3, wherein, for cooling a vehicle engine, the temperature range at which the phase change material (20) passes from the solid phase to the liquid phase is selected from 80 to 110 .
7. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes,
dans lequel le matériau à changement de phase (20) est choisi parmi un acide gras, un alcool gras d'origine végétale, une paraffine et un sel hydraté. 7. Heat exchanger according to any one of the preceding claims, wherein the phase change material (20) is selected from a fatty acid, a vegetable fatty alcohol, a paraffin and a hydrated salt.
8. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le fluide caloporteur interne est sous forme liquide. 8. Heat exchanger according to any one of the preceding claims, wherein the internal heat transfer fluid is in liquid form.
9. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'enveloppe (19) a une section circulaire dont le diamètre externe maximal (22) est compris entre 1 mm et 8 mm. 9. Heat exchanger according to any one of the preceding claims, wherein the casing (19) has a circular section whose maximum outside diameter (22) is between 1 mm and 8 mm.
10. Echangeur thermique selon la revendication précédente, dans lequel l'enveloppe (19) a un tronçon dont la longueur correspond à plus de 80% de la longueur de l'enveloppe, ce tronçon ayant une section circulaire dont le diamètre est compris entre 1 et 4 mm, et de préférence choisi parmi 4 mm, 2,56 mm, 1 ,4 mm, 1 ,7 mm, 1 ,88 mm et 1 , 1 mm. 10. Heat exchanger according to the preceding claim, wherein the casing (19) has a section whose length corresponds to more than 80% of the length of the casing, this section having a circular section whose diameter is between 1 and 4 mm, and preferably selected from 4 mm, 2.56 mm, 1, 4 mm, 1, 7 mm, 1, 88 mm and 1, 1 mm.
11. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel l'enveloppe (19) a une section ovale. 12. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel l'enveloppe (19) a une section rectangulaire. 11. Heat exchanger according to any one of claims 1 to 8, wherein the casing (19) has an oval section. 12. Heat exchanger according to any one of claims 1 to 8, wherein the casing (19) has a rectangular section.
13. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel l'enveloppe (19) a une section transversale comportant deux faces longitudinales opposées, les faces longitudinales étant chacune convexe, 13. Heat exchanger according to any one of claims 1 to 8, wherein the casing (19) has a cross section having two opposite longitudinal faces, the longitudinal faces being each convex,
14. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel l'enveloppe (19) a une section transversale comportant deux faces longitudinales opposées, les faces longitudinales étant respectivement munies d'au moins deux portions concaves séparées par une portion convexe. 14. Heat exchanger according to any one of claims 1 to 8, wherein the casing (19) has a cross section having two opposite longitudinal faces, the longitudinal faces being respectively provided with at least two concave portions separated by a portion. convex.
15. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'enveloppe (19) a une épaisseur comprise entre 50 et 500 μιη, de préférence égale à 200 μηι. 15. Heat exchanger according to any one of the preceding claims, wherein the casing (19) has a thickness between 50 and 500 μιη, preferably equal to 200 μηι.
16. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le canal d'échange thermique (4) contenant l'enveloppe présente une
section choisie parmi une section de forme générale ronde, ovale, et oblongue. 16. Heat exchanger according to any one of the preceding claims, wherein the heat exchange channel (4) containing the envelope has a section selected from a section of generally round, oval, and oblong shape.
Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'échangeur étant du type mécanique ou du type brasé. Heat exchanger according to any one of the preceding claims, the exchanger being of the mechanical type or brazed type.
18. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes (302 ; 402 ; 502), dans lequel les canaux d'échange thermique (304 ; 404 ; 504) se répartissent en des premier et second groupes de canaux, chaque canal d'échange thermique (304 ; 404 ; 504) du premier groupe comprenant une enveloppe à changement de phase (319 ; 419 ; 519), et chaque canal d'échange thermique (305 ; 405 ; 505) du second groupe ne comprenant pas d'enveloppe à changement de phase. 18. A heat exchanger according to any one of the preceding claims (302; 402; 502), wherein the heat exchange channels (304; 404; 504) are divided into first and second groups of channels; heat exchange (304; 404; 504) of the first group comprising a phase change envelope (319; 419; 519), and each heat exchange channel (305; 405; 505) of the second group not comprising an envelope phase change.
21. Echangeur thermique (302 ; 402) selon la revendication 20, dans lequel les premier et second groupes de canaux d'échange thermique (304 ; 404) sont placés respectivement dans des première et seconde parties opposées de l'échangeur, The heat exchanger (302; 402) of claim 20, wherein the first and second groups of heat exchange channels (304; 404) are respectively located in first and second opposed portions of the heat exchanger,
la première partie délimitant par exemple une première face d'échange thermique (F1) de l'échangeur et la seconde partie délimitant une seconde face d'échange thermique (F2) de l'échangeur sans délimiter la première face d'échange thermique, the first part delimiting, for example, a first heat exchange face (F1) of the exchanger and the second portion delimiting a second heat exchange face (F2) of the heat exchanger without delimiting the first heat exchange face,
ou bien chacune des première et seconde parties délimitant à la fois les première et seconde faces d'échange thermique (F1 , F2). or each of the first and second portions delimiting both the first and second heat exchange faces (F1, F2).
22. Echangeur thermique (502) selon la revendication 22, dans lequel, les canaux d'échange thermique étant disposés sur au moins une ligne, les canaux d'échange thermique du premier groupe alternent sur cette ligne avec les canaux d'échange thermique du second groupe.
22. Heat exchanger (502) according to claim 22, wherein, the heat exchange channels being arranged on at least one line, the heat exchange channels of the first group alternate on this line with the heat exchange channels of the second group.
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