FR3105821A1 - Dispositif thermique de chauffage et de refroidissement. - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un dispositif thermique de chauffage et de refroidissement de fluides comprenant un ensemble d’échangeurs thermiques à une passe, ce dispositif comprenant : - un premier et un deuxième échangeurs thermiques, - au moins un premier élément Peltier disposé entre le premier et le deuxième échangeurs thermiques, - un troisième échangeur thermique disposé en dessous du deuxième échangeur thermique, - au moins un deuxième élément Peltier disposé entre le deuxième et le troisième échangeurs thermiques, le premier et le deuxième éléments Peltier sont configurés, soit pour transmettre de la chaleur respectivement au premier et au troisième échangeurs thermiques et refroidir le deuxième échangeur thermique; soit pour transmettre de la chaleur au deuxième échangeur thermique et refroidir respectivement le premier et le troisième échangeurs thermiques. Figure pour l’abrégé : Fig. 2
Description
La présente invention se rapporte à un dispositif thermique de chauffage et de refroidissement de fluides. Elle trouve une application particulièrement intéressante dans le contexte d’économie d’énergie dans le secteur automobile. L’invention peut avantageusement s’appliquer dans un système de refroidissement de véhicules, plus particulièrement pour les véhicules comprenant une motorisation électrique, c’est-à-dire véhicule électrique, hybride, hybride rechargeable...
Mais la présente invention est d’un cadre plus large puisqu’elle peut s’appliquer également au domaine du panneau solaire où il est important d’assurer le bon fonctionnement des composants dans des périodes de forte chaleur.
On connait le document FR3058506 décrivant un dispositif comprenant deux échangeurs prenant en sandwich un élément Peltier. Cette solution permet d’avoir une source chaude par l’un des deux échangeurs pour pouvoir alimenter un désorbeur d’une climatisation par absorption dans un véhicule électrique. L’autre échangeur fournit une source froide pour refroidir la batterie.
La présente invention a pour but un nouveau dispositif améliorant l’efficacité thermique d’un dispositif à base d’échangeurs et d’éléments Peltier.
L’invention a encore pour but un nouveau dispositif apte à proposer plusieurs sources chaudes et plusieurs sources froides.
On atteint au moins l’un des objectifs précités avec dispositif thermique de chauffage et de refroidissement de fluides comprenant un ensemble d’échangeurs thermiques à une passe, ce dispositif comprenant:
- un premier échangeur thermique dans lequel un premier fluide peut transiter,
- un deuxième échangeur thermique dans lequel un deuxième fluide peut transiter, ce deuxième échangeur thermique étant disposé en dessous du premier échangeur thermique,
- au moins un premier élément Peltier disposé entre le premier et le deuxième échangeurs thermiques,
- un troisième échangeur thermique dans lequel un troisième fluide peut transiter, ce troisième échangeur thermique étant disposé en dessous du deuxième échangeur thermique, et
- au moins un deuxième élément Peltier disposé entre le deuxième et le troisième échangeurs thermiques,
le premier et le deuxième éléments Peltier sont configurés, soit pour transmettre de la chaleur respectivement au premier et au troisième échangeurs thermiques et refroidir le deuxième échangeur thermique; soit pour transmettre de la chaleur au deuxième échangeur thermique et refroidir respectivement le premier et le troisième échangeurs thermiques.
Par un échangeur thermique à une passe, on entend un échangeur thermique faisant circuler un même fluide à chauffer ou à refroidir dans l’ensemble de ces canalisations.
Avec le dispositif selon l’invention, on réalise par exemple des économies d’énergie sur le circuit de refroidissement d’un groupe motopropulseur hybride et potentiellement au niveau de l’habitacle en apportant un soutien en matière de refroidissement au système de climatisation classique. En effet, l’invention offre une source à la fois chaude et froide que l’on peut avantageusement mettre à profit dans tout milieu ayant besoin de chauffer un fluide et d’en refroidir un autre.
Selon l’invention, le premier et le deuxième fluides peuvent être des fluides différents ou bien un même fluide disposé dans un circuit comme par exemple celui décrit dans le document FR3058506.
Par rapport aux systèmes de l’art antérieur, comme celui décrit dans le document FR3058506, la disposition des échangeurs dans la présente invention permet d’améliorer considérablement les puissances thermiques chaude et froide. Une disposition de l’invention peut être de réserver l’échangeur du milieu pour refroidir, et les deux échangeurs externes pour réchauffer. Dans ce cas, les éléments Peltier sont alimentés pour refroidir le deuxième échangeur. Une autre disposition peut être d’utiliser l’échangeur du milieu pour réchauffer et les deux externes pour refroidir. Dans ce cas, on inverse l’alimentation des éléments Peltier.
La première disposition assure une meilleure puissance thermique froide dans un seul échangeur, celui du milieu, car ses faces supérieure et inférieure sont en contact avec une source froide. De la même manière, la puissance thermique chaude est multipliée par deux.
Dans le cas d’un véhicule hybride par exemple, le dispositif selon l’invention permet d’éviter un emballement thermique d’un des composants en cas de fonctionnement le plus défavorable, en cas de surchauffe. La puissance thermique froide est suffisante pour éviter cet emballement.
L’invention peut donc fournir deux sources chaudes et une source froide ou bien deux sources froides et une source chaude, suivant le besoin de refroidissement et le besoin de chauffage.
Les échangeurs peuvent être en aluminium, en acier inoxydable ou en matériau synthétique.
Selon un mode de réalisation de l’invention, chaque échangeur thermique peut être un échangeur à plaques ou à ailettes.
Selon un mode de mise en œuvre de l’invention, le dispositif peut comprendre deux éléments Peltier disposés entre le premier et le deuxième échangeurs thermiques, et/ou deux éléments Peltier disposés entre le deuxième et le troisième échangeurs thermiques. On peut insérer plusieurs éléments Peltier de façon à optimiser la puissance nécessaire à transmettre aux échangeurs.
Idéalement, au moins quatre cellules Peltier sont nécessaires pour avoir une puissance froide acceptable. En-dessous de ce nombre, la puissance froide fournie peut être trop faible pour avoir un gain de température convenable pour des applications réclamant beaucoup de puissance dans des délais brefs.
Selon une caractéristique avantageuse de l’invention, la surface de contact des échangeurs thermiques est rainurée. Un tel arrangement permet d’augmenter la surface effective de contact entre les échangeurs et les éléments Peltier. Le transfert thermique se fait de manière optimisée. On peut réduire ainsi la taille des échangeurs thermiques utilisés ou bien opter pour des puissances supérieures à celles obtenues dans les systèmes existants. On peut ainsi chauffer ou refroidir efficacement un fluide caloporteur.
En d’autres termes, le dispositif selon l’invention offre la possibilité de réduire le volume fonctionnel des échangeurs thermiques grâce à une surface de contact rainurée.
Selon un mode de mise en œuvre de l’invention, le dispositif peut comprendre une couche de matériau à changement de phase au moins disposée entre un échangeur thermique et un élément Peltier. Ce matériau à changement de phase peut être disposée directement, c’est-à-dire en contact direct, avec l’élément Peltier et l’échangeur. On peut aussi envisager d’insérer d’autres composants entre l’élément Peltier et l’échangeur. Le matériau à changement de phase peut être du Nonacosane ou d’autres matériaux de la famille des alcanes par exemple.
Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif peut comprendre une couche de matériau thermiquement conducteur au moins disposée entre un échangeur thermique et un élément Peltier. Ce matériau thermiquement conducteur peut être disposée directement, c’est-à-dire en contact direct, avec l’élément Peltier et l’échangeur. On peut aussi envisager d’insérer d’autres composants entre l’élément Peltier et l’échangeur. Le matériau thermiquement conducteur peut aussi servir de pâte permettant de maintenir l’élément Peltier collé à l’échangeur.
Avantageusement, on peut superposer les échangeurs thermiques les uns sur les autres suivant une configuration précise, les éléments Peltier et le matériau thermiquement conducteur étant intercalés entre deux échangeurs consécutifs. Ce matériau thermiquement conducteur assure un contact optimal entre les échangeurs thermiques et les éléments Peltier sans altérer l’échange thermique.
Selon l’invention, la surface de contact disponible pour un échangeur thermique peut être supérieure à la surface de contact disponible pour un élément Peltier. Dans ce cas, le dispositif peut comprendre une couche d’isolant disposée entre deux échangeurs thermiques successifs sans superposition avec les éléments Peltier. En d’autres termes, on dispose un isolant autour de l’élément Peltier mais pas sur l’élément Peltier quoi est en contact direct avec l’échangeur ou via un matériau thermiquement conducteur et/ou un matériau à changement de phase.
Selon un mode de réalisation de l’invention, au moins l’un des deux éléments Peltier peut être pris en sandwich entre deux couches de matériaux thermiquement conducteur; les deux couches de matériaux thermiquement conducteurs étant prises en sandwich entre deux couches de matériau à changement de phase; et les deux couches de matériau à changement de phase étant prises en sandwich entre deux des trois échangeurs thermiques.
Dans cette configuration, il existe deux couches de matériau entre l’élément Peltier et un échangeur.
Selon un mode de mise en œuvre de l’invention, le deuxième échangeur thermique peut comprendre une entrée et une sortie disposées sur les côtés latéraux, dans l’épaisseur de l’échangeur thermique.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée d’un mode de mise en œuvre nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels:
Les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs; on pourra notamment mettre en œuvre des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieur. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieur.
En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont prévus pour être combinés entre eux dans toutes les combinaison où rien ne s’y oppose sur le plan technique.
Sur les figures, les différents éléments communs aux diverses variantes ou formes de réalisation portent les mêmes références.
Sur la figure 1, on distingue trois échangeurs 1, 2, 3 en vue de coupe. Il s’agit de trois échangeurs à plaques empilés les uns sur les autres. Selon l’invention, un premier élément Peltier 4 est disposé entre le premier échangeur 1 et le deuxième échangeur 2. Un deuxième élément Peltier est disposé entre le deuxième échangeur 2 et le troisième échangeur 3.
Chaque échangeur comporte plusieurs plaques fines qui sont assemblées entre elles par soudage, par brasure ou comprimées et maintenues à l’aide de joints. Ces plaques sont de faible épaisseur, entre 0,1 mm et 0,8 mm, et séparées par de très faibles espaces, entre 5 et 10mm. Ces espaces permettent la circulation de fluide.
Sur la figure 2, est illustré un dispositif selon l’invention dans lequel on retrouve les trois échangeurs 1, 2, 3. Le premier échangeur 1 est doté d’une entrée 6 et d’une sortie 7 permettant à un fluide de traverser les différentes plaques de l’échangeur entre l’entrée et la sortie. Ces entrée et sortie sont disposées sur la surface supérieure de l’échangeur 1, mais elles peuvent se situer, indépendamment l’une de l’autre, sur cette surface ou bien sur un côté de l’échangeur qui est en forme parallélépipède.
Le deuxième échangeur 2 comporte une entrée 8 et une sortie 9 disposées sur deux côtés parallèles. Cette entrée 8 et cette sortie 9 peuvent être disposées sur un même côté ou sur deux côtés non parallèles.
Le troisième échangeur 3 comporte également une entrée 10 et une sortie 11 disposées sur la surface inférieure. Cette entrée et cette sortie peuvent autrement se situer, indépendamment l’une de l’autre, sur cette surface ou bien sur un côté de l’échangeur 3.
Entre l’échangeur 1 et l’échangeur 2 se trouve une couche 12 de matériau à changement de phase contenu par exemple dans une matrice de graphite qui a une excellente conductivité thermique. Le matériau à changement de phase est choisi en fonction de l’application envisagée et plus particulièrement en fonction des températures minimum et maximum à atteindre. Il permet d’améliorer l’inertie thermique car il sert de réservoir d’énergie. On diminue ainsi la consommation énergétique. La couche 12 se superpose exactement avec les deux échangeurs 1 et 2.
Deux éléments Peltier 13 et 14 sont disposés à l’intérieur de la couche 12. Chaque élément Peltier comporte deux faces, une face chauffante et une face refroidissante. Pour les éléments 13 et 14, la face chauffante et celle faisant face à l’échangeur 1, et la face refroidissante et celle faisant face à l’échangeur 2. Une alimentation de 6 ou 12 volts est prévue pour alimenter chaque élément Peltier. Sur la figure 2, l’alimentation est adaptée pour que les éléments Peltier chauffent l’échangeur 1 et refroidissent l’échangeur 2 sur sa face supérieure. Ainsi, l’échangeur 1 a pour fonction de transmettre de la chaleur vers un fluide entrant par l’entrée 6, circulant dans l’échangeur 1 et sortant par la sortie 7. L’échangeur 2 a pour fonction de refroidir un fluide entrant par l’entrée 8, traversant l’échangeur 2 et sortant par la sortie 9.
Entre l’échangeur 2 et l’échangeur 3 se trouve également une couche 15 de matériau à changement de phase contenu par exemple dans une matrice de graphite. La couche 15 se superpose exactement avec les deux échangeurs 2 et 3.
Deux autres éléments Peltier 16 et 17 sont disposés à l’intérieur de la couche 15. Chaque élément Peltier comporte deux faces, une face chauffante et une face refroidissante. Pour les éléments 16 et 17, la face chauffante et celle faisant face à l’échangeur 3, et la face refroidissante et celle faisant face à l’échangeur 2. Une alimentation de 6 ou 12 volts est prévue pour alimenter chaque élément Peltier. Sur la figure 2, l’alimentation est adaptée pour que les éléments Peltier chauffent l’échangeur 3 et refroidissent l’échangeur 2 sur sa face inférieure. Cet échangeur subit ainsi deux sources froides sur respectivement les deux faces en regard avec les éléments Peltier. Ainsi, l’échangeur 3 a pour fonction de transmettre de la chaleur vers un fluide entrant par l’entrée 10, circulant dans l’échangeur 3 et sortant par la sortie 11.
En inversant l’alimentation des éléments Peltier 13, 14, 16, 17, on obtient alors un réchauffement de l’échangeur 2 sur deux faces et un refroidissement des échangeurs 1 et 3.
La figure 3 est une vue en coupe du dispositif de la figure 2 au niveau des éléments Peltier 14 et 17 par exemple. On voit clairement la superposition des échangeurs et des couches de matériaux à changement de phase.
Sur la figure 4, le dispositif de la figure 2 selon l’invention est illustré en vue éclatée. On distingue en particulier les éléments Peltier qui sont au nombre de quatre et disposés à l’intérieur des couches des matériaux à changement de phase. En fonction de la dimension des échangeurs, il est possible de n’utiliser qu’un élément Peltier par couche, cet élément Peltier pouvant recouvrir ou non toute la surface disponible, c’est-à-dire être en superposition totale avec les échangeurs comme sur la figure 1.
Sur la figure 5 est illustré un autre dispositif selon l’invention dans lequel les échangeurs 1, 2 et 3 sont identiques, ainsi que les éléments Peltier 13, 14, 16 et 17. En revanche, il n’y a plus de matériau à changement de phase.
Les échangeurs 1 et 3 sont toujours utilisés pour transmettre la température chaude et l’échangeur 2 est utilisé pour transmettre la température froide. Un matériau e thermiquement conducteur type pâte thermique est appliqué sur la face supérieure et inférieure de chaque élément Peltier. Ce matériau thermiquement conducteur présente une résistance thermique quasiment proche de 0. L’élément Peltier 13 est pris en sandwich entre deux couches de matériau e thermiquement conducteur 13a et 13b, chaque couche se superposant exactement avec l’élément Peltier.
L’élément Peltier 14 est pris en sandwich entre deux couches de matériau e thermiquement conducteur 14a et 14b, chaque couche se superposant exactement avec l’élément Peltier.
L’élément Peltier 16 est pris en sandwich entre deux couches de matériau e thermiquement conducteur 16a et 16b, chaque couche se superposant exactement avec l’élément Peltier.
L’élément Peltier 17 est pris en sandwich entre deux couches de matériau e thermiquement conducteur 17a et 17b, chaque couche se superposant exactement avec l’élément Peltier.
Lorsque les éléments Peltier présentent une dimension inférieure à celle des échangeurs, on remplit l’espace libre entre deux échangeurs par un composant isolant.
L’isolant 18 est disposé entre les échangeurs 1 et 2, mais uniquement autour des empilements constitués d’une part par l’élément Peltier 13 avec les couches de matériau thermiquement conducteur 13a et 13b, et d’une autre part par l’élément Peltier 14 avec les couches de matériau thermiquement conducteur 14a et 14b. Les échangeurs 1 et 2 sont donc en contact direct avec les couches de matériau thermiquement conducteur 13a, 13b, 14a et 14b.
L’isolant 19 est disposé entre les échangeurs 2 et 3, mais uniquement autour des empilements constitués d’une part par l’élément Peltier 16 avec les couches de matériau thermiquement conducteur 16a et 16b, et d’une autre part par l’élément Peltier 17 avec les couches de matériau thermiquement conducteur 17a et 17b. Les échangeurs 2 et 3 sont donc en contact direct avec les couches de matériau thermiquement conducteur 16a, 16b, 17a et 17b.
La figure 6 est une vue en coupe de la figure 5 au niveau des éléments Peltier 14 et 17 par exemple. On voit clairement la superposition des éléments Peltier et des couches de matériau thermiquement conducteur.
Comme précédemment, l’alimentation électrique des quatre éléments Peltier est telle que, les côtés froids sont ceux en contact avec l’échangeur 2 et les côtés chauds sont ceux en contact avec les échangeurs 1 et 3. Cette configuration peut être changée en inversant le sens du courant d’alimentation.
Un tel dispositif peut avantageusement être utilisé dans des circuits de refroidissement d’un véhicule afin d’apporter une ou plusieurs sources de puissance, pour aider les composants thermiques classiques à assurer un refroidissement optimal.
Le dispositif de la figure 7 reprend la même configuration que sur la figure 6 mais avec en plus, sur chaque surface de contact des échangeurs 1, 2 et 3, une couche de matériau à changement de phase.
Ainsi, la surface inférieure de l’échangeur 1 est recouverte entièrement d’une couche de matériau à changement de phase 12a.
Les surfaces inférieure et supérieure de l’échangeur 2 sont respectivement recouvertes entièrement d’une couche de matériau à changement de phase 12b et d’une couche de matériau à changement de phase 15a.
La surface supérieure de l’échangeur 3 est recouverte entièrement d’une couche de matériau à changement de phase 15b.
Avec une telle disposition, les matériaux thermiquement conducteurs ne sont plus en contact direct avec les échangeurs mais avec les matériaux à changement de phase. Un tel dispositif assure un bon transfert thermique entre les éléments Peltier et les échangeurs et propose une inertie thermique permettant de limiter la consommation énergétique.
Ainsi, le dispositif selon l’invention peut avantageusement être utilisé dans des circuits de refroidissement d’un véhicule afin d’apporter une ou plusieurs sources de puissance, pour aider les composants thermiques classiques à assurer un refroidissement optimal. Il permet de disposer de plusieurs sources thermiques, froides et chaudes, utilisables dans une gamme de puissance limitée.
Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention.
Claims (10)
- Dispositif thermique de chauffage et de refroidissement de fluides comprenant un ensemble d’échangeurs thermiques à une passe, ce dispositif comprenant:
- un premier échangeur thermique dans lequel un premier fluide peut transiter,
- un deuxième échangeur thermique dans lequel un deuxième fluide peut transiter, ce deuxième échangeur thermique étant disposé en dessous du premier échangeur thermique,
- au moins un premier élément Peltier disposé entre le premier et le deuxième échangeurs thermiques,
- un troisième échangeur thermique dans lequel un troisième fluide peut transiter, ce troisième échangeur thermique étant disposé en dessous du deuxième échangeur thermique, et
- au moins un deuxième élément Peltier disposé entre le deuxième et le troisième échangeurs thermiques,
le premier et le deuxième éléments Peltier sont configurés, soit pour transmettre de la chaleur respectivement au premier et au troisième échangeurs thermiques et refroidir le deuxième échangeur thermique; soit pour transmettre de la chaleur au deuxième échangeur thermique et refroidir respectivement le premier et le troisième échangeurs thermiques. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque échangeur thermique est un échangeur à plaques ou à ailettes.
- Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu’il comprend deux éléments Peltier disposés entre le premier et le deuxième échangeurs thermiques, et/ou deux éléments Peltier disposés entre le deuxième et le troisième échangeurs thermiques.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface de contact des échangeurs thermiques est rainurée.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une couche de matériau à changement de phase au moins disposée entre un échangeur thermique et un élément Peltier.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une couche de matériau thermiquement conducteur au moins disposée entre un échangeur thermique et un élément Peltier.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface de contact disponible pour un échangeur thermique est supérieure à la surface de contact disponible pour un élément Peltier.
- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu’il comprend une couche d’isolant disposée entre deux échangeurs thermiques successifs sans superposition avec les éléments Peltier.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’au moins l’un des deux éléments Peltier est pris en sandwich entre deux couches de matériaux thermiquement conducteur; les deux couches de matériaux thermiquement conducteurs sont prises en sandwich entre deux couches de matériau à changement de phase; les deux couches de matériau à changement de phase sont prises en sandwich entre deux des trois échangeurs thermiques.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième échangeur thermique comprend une entrée et une sortie disposées sur les côtés latéraux, dans l’épaisseur de l’échangeur thermique.
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