La présente invention concerne le domaine des batteries thermiques de stockage utilisant pour éléments d'échange de chaleur, un faisceau de tubes pour stocker et libérer une quantité déterminée de chaleur, les tubes contenant un matériau adapté pour stocker et libérer une quantité déterminée de chaleur, notamment un matériau à changement de phase (MCP). Ces batteries de stockage sont particulièrement adaptées pour une utilisation dans les véhicules automobile.

En particulier, l'invention concerne un faisceau d'échange thermique de stockage.

Une batterie thermique de stockage est, par exemple, utilisée pour diffuser de la chaleur, via le système de chauffage, dans l'habitacle d'un véhicule automobile hybride, c'est-à-dire combinant un moteur fonctionnant grâce à l'énergie thermique et à l'énergie électrique. Par ailleurs, ce type de batterie thermique peut servir à préchauffer un fluide caloporteur, l'huile du moteur ou l'huile de la boîte de vitesse automatique, et ce lors du démarrage à froid dudit véhicule automobile.

Lors de l'utilisation d'une batterie thermique de stockage avec un véhicule électrique, le chargement de ladite batterie thermique est, en principe, réalisé lors du chargement de la batterie électrique. La batterie électrique sert au déplacement dudit véhicule électrique. Lors de l'utilisation dudit véhicule électrique, l'énergie thermique stockée dans la batterie thermique peut être utilisée lors de la mise en marche du système de chauffage pour diffuser de la chaleur dans l'habitacle du véhicule automobile. Le système de chauffage pour chauffer l'air de l'habitacle d'un véhicule automobile fonctionne à l'aide d'un fluide tel qu'un fluide caloporteur. Afin de chauffer l'air de l'habitacle, la batterie thermique réchauffe le fluide caloporteur avant son passage à l'intérieur du radiateur de chauffage, le radiateur chauffant l'air destiné à être diffusé dans l'habitacle. L'énergie fournie par la batterie thermique permet donc d'économiser l'énergie correspondante stockée par la batterie électrique qui aurait été utilisée en l'absence d'une batterie thermique de stockage. En d'autres termes, on supprime l'impact du fonctionnement du chauffage de l'air destiné à l'habitacle sur l'autonomie du véhicule électrique. L'utilisation d'une batterie thermique de stockage dans un véhicule hybride permet de stocker de l'énergie thermique lors du chargement de la batterie électrique. Cette batterie thermique peut être rechargée via le fluide caloporteur, lorsque le moteur du véhicule hybride est en mode de fonctionnement thermique, c'est-à-dire fonctionnant avec le moteur thermique.

Lors de l'utilisation d'une batterie thermique avec un véhicule muni d'un moteur à combustion interne, l'énergie thermique stockée à l'intérieur de la batterie thermique provient de l'énergie produite lors d'un précédent roulage dudit véhicule. Les fluides utilisés pour refroidir le moteur ou la boîte de vitesse automatique par exemple, peuvent être utilisés pour charger la batterie thermique. En effet, l'huile de la boîte de vitesse automatique rejette, dans un usage classique, une quantité déterminée de chaleur. Ladite quantité déterminée de chaleur peut être stockée dans une batterie thermique et ensuite utilisée lors du démarrage du véhicule automobile pour permettre l'augmentation rapide de la température de le chauffage de l'air de l'habitacle et / ou de l'huile de moteur et/ou de l'huile de la boîte de vitesse automatique, réduisant ainsi les frottements dus à la viscosité de ladite huile. En effet, la viscosité de l'huile est d'autant plus élevée que la température est basse. Si la température de l'huile n'augmente pas rapidement, notamment concernant l'huile de la boîte de vitesse automatique, les frottements entraînent une surconsommation de carburant et d'émissions de C02 lors des premières minutes de l'utilisation du véhicule. La batterie thermique peut être chargée par l'énergie thermique des circuits d'huile de boîte de vitesse automatique, de fluide caloporteur ou d'huile de moteur. Dans la conception des batteries thermiques, il est déjà connu d'utiliser des micro tubes en matériau synthétique pour encapsuler un matériau à changement de phase (MCP ou PCM en terminologie anglo-saxonne « Phase Change Material ») afin de pouvoir stocker et libérer une quantité déterminée de chaleur. Il est nécessaire de fermer les extrémités des micro-tubes de manière étanche et durable pour garantir qu'il n'y ait pas de mélange du matériau à changement de phase avec le fluide caloporteur d'échange.

Chaque extrémité du micro tube est fermé par soudage, collage ou par un bouchon mécanique.

Pour la plupart de ces solutions, les micro-tubes sont organisés en faisceau avant leur fermeture étanche.. L'organisation en faisceau est réalisée par des collecteurs, des grilles, des entretoises, ... permettant le maintien des micro-tubes. Le problème engendré par ces solutions est que l'on vérifie l'étanchéité une fois le faisceau d'échange thermique terminé. En d'autres termes, c'est en fin de fabrication du faisceau d'échange thermique que l'on vérifie son étanchéité. Si une fuite de matériau à changement de phase est détectée, le faisceau d'échange thermique complet est rejeté.

Dans certains cas, les micro-tubes déjà remplis de matériau à changement de phase et fermés de manière étanche sont rangés directement dans un boîtier, sans collecteur. Les micro-tubes ayant une structure peu rigide, ont tendance à se courber et la mise en place organisée dans le boîtier n'est pas simple. Il en résulte une perte de compacité du faisceau d'échange thermique.

Un des buts de la présente invention est donc de remédier au moins partiellement aux inconvénients de l'état de la technique en proposant un faisceau d'échange thermique de stockage dans lequel des tubes peuvent être remplis de matériau adapté pour stocker et libérer une quantité déterminée de chaleur et fermés de manière étanche avant d'être rangés de manière très compacte et très simple en faisceau.

La présente invention concerne donc un faisceau d'échange thermique de stockage pour batterie thermique de stockage comprenant une pluralité de tubes contenant un matériau adapté pour stocker et libérer une quantité déterminée de chaleur, les tubes étant assemblés sur au moins un collecteur, au moins une extrémité de chaque tube étant dotée d'un premier moyen de connexion, le collecteur 4 étant doté d'une pluralité de seconds moyens de connexion, le premier moyen de connexion des tubes étant apte à coopérer avec un desdits seconds moyens de connexion du collecteur pour permettre l'assemblage des tubes sur le collecteur.

Selon un aspect de l'invention, chaque tube comporte en outre un moyen de fermeture apte à fermer une extrémité dudit tube.

Selon une caractéristique particulière, le premier moyen de connexion est disposé sur le moyen de fermeture du tube. Selon un autre aspect de l'invention, le moyen de fermeture du tube est un bouchon apte à être inséré dans une extrémité du tube.

Selon un autre aspect de l'invention, le premier moyen de connexion est un plot.

Selon un autre aspect de l'invention, le second moyen de connexion est un trou réalisé dans le collecteur apte à recevoir un premier moyen de connexion.

Selon un autre aspect de l'invention, le premier moyen de connexion comprend un trou apte à recevoir un second moyen de connexion.

Selon un autre aspect de l'invention, le second moyen de connexion est un plot. Selon un autre aspect de l'invention, le collecteur comprend une pluralité de seconds moyens de connexion disposés en quinconce.

Cette disposition en quinconce permet de densifier le faisceau de tubes PCM. Selon un autre aspect de l'invention, les tubes sont assemblés sur le collecteur parallèlement les uns aux autres, les seconds moyens de connexion étant à distance les uns des autres, la distance étant au moins égale au diamètre d'un tube.

Cela permet de limiter la perte de charge interne du faisceau d'échange.

L'invention concerne également une batterie thermique comprenant un faisceau d'échange thermique de stockage. L'invention concerne également un tube contenant un matériau adapté pour stocker et libérer une quantité déterminée de chaleur, caractérisé en ce que le tube est doté sur au moins une de ses extrémités d'un premier moyen de connexion.

Les but, objet et caractéristiques de la présente invention ainsi que ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-dessous, des modes de réalisation préférés faisant référence aux dessins dans lesquels : la figure la montre une vue, en perspective, d'un faisceau d'échange thermique de stockage selon un premier mode de réalisation de l'invention dans lequel trois tubes sont représentés,

la figure lb montre une autre vue, en perspective, d'un faisceau d'échange thermique de stockage selon une réalisation particulière du premier mode de réalisation de l'invention dans lequel trois autres tubes sont représentés,

- la figure 2 montre une vue agrandie d'une extrémité latérale du faisceau d'échange thermique de stockage de la figure la,

la figure 3 montre une vue éclatée et agrandie d'une extrémité latérale du faisceau d'échange thermique de stockage de la figure lb,

la figure 4 est une vue éclatée de l'extrémité d'un tube selon la réalisation particulière du premier mode de réalisation, la figure 5 est une vue éclatée et agrandie d'une extrémité latérale du faisceau d'échange thermique de stockage selon un deuxième mode de réalisation de l'invention,

la figure 6 est une vue, en perspective d'un faisceau d'échange thermique de stockage comprenant trois entretoises.

La description détaillée ci-après a pour but d'exposer l'invention de manière suffisamment claire et complète, notamment à l'aide d'exemples, mais ne doit en aucun cas être regardée comme limitant l'étendue de la protection aux modes de réalisation particuliers et aux exemples présentés ci-après.

Un faisceau d'échange thermique de stockage pour batterie thermique de stockage conformément à l'invention comprend une pluralité de tubes. Les tubes sont des tubes, par exemple cylindriques, en matériau synthétique, particulièrement en matériau plastique de forme longitudinale, c'est à dire que leur longueur est bien plus importante que leur diamètre. Toutefois, selon d'autres modes de réalisation, non illustrées, les tubes sont de section carrée ou ovale.

Ces tubes sont notamment des micro-tubes du fait de leurs faibles dimensions en comparaison aux dimensions habituellement rencontrées dans le domaine des véhicules automobiles. En effet, un tel micro tube a un diamètre de l'ordre de 3 à 6 millimètres et en particulier 4 millimètres et une longueur comprise entre 100 et 300 millimètres. Chacun des tubes contient un matériau adapté pour stocker et libérer une quantité déterminée de chaleur, par exemple un matériau à changement de phase (MCP).

Conformément à l'invention, le tube est doté sur au moins une de ses extrémité d'un premier moyen de connexion.

Les tubes sont assemblés sur un collecteur. Conformément à l'invention, au moins une extrémité de chaque tube est dotée d'un premier moyen de connexion et le collecteur est doté d'une pluralité de seconds moyens de connexion. Le premier moyen de connexion des tubes est apte à coopérer avec un desdits seconds moyens de connexion du collecteur pour permettre l'assemblage des tubes sur le collecteur.

Sur la figure la, un faisceau d'échange thermique de stockage 9, conformément à l'invention, est représenté selon un premier mode de réalisation.

Selon ce mode de réalisation, le faisceau d'échange thermique de stockage 9 comprend deux collecteurs 4 et des tubes 1.

A chaque extrémité 3 du tube 1 se trouve un premier moyen de connexion 10. Selon l'exemple illustré en figure la, le premier moyen de connexion 10 est un trou, en particulier un trou cylindrique, apte à recevoir un second moyen de connexion.

Chaque tube 1 comporte en outre un moyen de fermeture apte à fermer une extrémité, ce moyen de fermeture permettant au matériau à changement de phase de ne pas fuir.

Selon un mode de réalisation particulier, le premier moyen de connexion 10 est disposé sur le moyen de fermeture du tube. Ainsi, le premier moyen de connexion 10, par exemple le trou 10, peut être positionné sur le moyen de fermeture distinct du tube 1 ou faire partie intégrante du tube 1. C'est le cas par exemple du tube 1 en sortie de fabrication qui ne comporte qu'une seule extrémité ouverte, l'extrémité fermée quant à elle peut comporter un moyen de connexion sous forme d'un trou.

Les collecteurs 4 sont des plaques qui peuvent être par exemple réalisées en matériau plastique ou métallique. Chaque collecteur 4 est doté d'une pluralité de seconds moyens de connexion 11. Selon l'exemple illustré en figure la, les seconds moyens de connexion sont des plots 11, en particulier des plots cylindriques.

Selon un mode de réalisation avantageux, le nombre de seconds moyens de connexion 11 est égal au nombre de tubes 1 que doit composer le faisceau d'échange thermique de stockage 9. Sur la figure la, seuls trois tubes 1 sont représentés.

Les premiers moyens de connexion des tubes et les seconds moyens de connexions du collecteur, respectivement les trous 10 et les plots 11 selon le mode de réalisation particulier de la figure la, sont aptes à coopérer pour permettre l'assemblage des tubes 1 sur le collecteur 4. Ainsi, tel qu'illustré en figure la, les plots 11 sont aptes à être insérés dans les trous 10 localisés sur les extrémités des tubes 1.

Pour ce faire, le diamètre des trous 10 doit donc être légèrement supérieur au diamètre des plots 11 afin que les plots 11 puissent être insérés dans les trous 10. Le diamètre des trous 10 ne doit pas être trop supérieur à celui des plots 11 sinon les tubes 1 ne seraient plus maintenus sur le collecteur 4, particulièrement lors de vibrations dues au roulage du véhicule dans des conditions extrêmes.

Les diamètres des trous 10 et des plots 11 dépendent du diamètre du tube 1. Par exemple, pour un tube 1 de diamètre extérieur 4 mm, le diamètre des trous 10 est de 2.6 mm avec une tolérance de ±0.1 mm, le diamètre des plots 11 est de 2.3 mm avec une tolérance de ±0.1 mm.

Pour un tube 1 de diamètre 2 mm, le diamètre des trous 10 est par exemple de 1.3 mm avec une tolérance de ±0.1 mm, le diamètre des plots 11 est de 1 mm avec une tolérance de ±0.1 mm.

La forme géométrique cylindrique à base ronde des trous 10 et des plots 11 décrite ci-dessus et représentée sur les figures est un exemple de réalisation. Un plot 11 peut être en forme de prisme à base quelconque (rectangulaire, carrée, étoile, triangulaire), ou même en forme de cône tronqué ou de pyramide tronquée, l'essentiel étant que la forme du trou 10 qui lui est associé soit apte à coopérer avec le plot 11. Par exemple, un plot 11 de forme conique associé à un trou 10 est un mode de réalisation possible. De manière avantageuse, la forme du trou 10 est complémentaire de la forme du plot 11.

De même, la forme des collecteurs 4 représentés sur la figure la est un exemple de réalisation. On adaptera la forme des collecteurs à l'application souhaitée, la forme du faisceau d'échange thermique de stockage 9 étant directement liée à la forme des collecteurs 4. Les collecteurs 4 peuvent être identiques ou de forme distincte. Il est par exemple possible de prévoir sur un des collecteurs un système de connectique à un élément extérieur au faisceau 9 que l'autre n'aura pas.

La figure lb est une réalisation particulière du premier mode de réalisation. Les tubes 1 sont fermés de manière étanche par des moyens de fermeture particuliers, par exemple par des bouchons 5 aptes à être insérés dans une extrémité des tubes.

Selon ce mode de réalisation, le premier moyen de connexion, notamment un trou 10 est localisé sur l'extrémité extérieure du moyen de fermeture, notamment de chaque bouchon 5. Il est représenté sur cette figure, trois tubes 1, toutefois, afin de former le faisceau d'échange thermique de stockage 9, d'autres tubes seront ajoutés.

La figure 2 est une vue agrandie de la figure la. L'organisation des seconds moyens de connexion 11 par exemple des plots 11 selon ce mode de réalisation, sur le collecteur n'est pas arbitraire. Les seconds moyens de connexion 11 sont agencés en quinconce les uns par rapport aux autres. Selon un mode de réalisation particulier, l'agencement des seconds moyens de connexion est réalisé selon une alternance de lignes Ll et L2 parallèles entre elles de sorte que chaque second moyen de connexion 11 (à l'exception des moyens de connexion localisés en bordure de collecteur 4) est équidistant de ses six moyens de connexion les plus proches d'une distance D dans toutes les directions. La distance D est mesurée entre les moyens de connexion 11 de centre à centre. Les moyens de connexion des lignes Ll sont disposés selon un premier quadrillage, les moyens de connexion des lignes L2 selon un deuxième quadrillage, les deux quadrillages étant identiques mais décalés l'un par rapport à l'autre. Cet agencement définit une disposition des tubes 1 en quinconce dans le faisceau d'échange thermique de stockage 9. Les deux collecteurs sont positionnés de manière à créer un faisceau de forme générale d'un prisme droit. Les tubes 1 sont ainsi parallèles les uns aux autres.

La compacité du faisceau d'échange thermique de stockage est directement liée à la distance D, cette distance D définissant le pas des tubes 1 sur le collecteur 4 et indirectement l'espace entre deux tubes 1.

La figure 3 est une vue éclatée, sous un autre angle et agrandie de la figure lb. Cette figure permet d'illustrer les moyens de fermeture, à savoir des bouchons 5 selon ce mode de réalisation, des trois tubes représentés sur le faisceau d'échange thermique de stockage. Selon ce mode de réalisation particulier, ces moyens de fermeture sont percés d'un trou 10 sur leur extrémité extérieure et sont aptes à être assemblés sur les plots 11 du collecteur 4.

Sur la figure 3, les tubes sont accolés les uns aux autres, notamment au niveau de leur bouchon 5. C'est le mode de réalisation le plus compact du faisceau d'échange thermique de stockage 9. Le diamètre des bouchons est alors sensiblement égal à la distance D entre deux moyens de connexion 11 sur le collecteur 4.

La figure 4 est une vue éclatée d'un tube 1 fermé par un bouchon 5. Le tube 1 contient un matériau à changement de phase 2. Il comporte un fil interne 6 intrinsèque à la fabrication du tube 1. Le bouchon 5 comprend une extrémité 7 de diamètre inférieur à celui du tube 1, apte à être introduite dans le tube 1. Son autre extrémité 8, encore appelée extrémité externe, comporte un moyen de connexion, par exemple un trou 10 apte à coopérer avec un deuxième moyen de connexion, par exemple un plot 11 du collecteur 4. La figure 5 correspond à un deuxième mode de réalisation de l'invention. Le principe d'assemblage des tubes 1 sur le collecteur 4 est l'opposé de celui du premier mode de réalisation. Le collecteur 4 comprend des seconds moyens de connexion en forme de trous 111 disposés, par exemple en quinconce, à la manière des plots 11 de la figure 2. Les seconds moyens de connexion 111 sont équidistants des 6 moyens de connexion les plus proches, par exemple des trous, d'une distance D (mesurée de centre à centre). Les tubes 1 comprennent chacun un moyen de fermeture 5, par exemple un bouchon, surmonté d'un premier moyen de connexion, notamment un plot 110 apte à coopérer avec les seconds moyens de connexion, à savoir les trous 111 du collecteur 4.

De manière similaire au premier mode de réalisation, les plots 110 et les trous 111 sont des moyens de connexion qui doivent coopérer ensemble afin de s'assembler. Ainsi, selon le mode de réalisation de la figure 5, les tubes 1 peuvent s'assembler sur le collecteur 4, les plots 110 localisés sur les extrémités des tubes 1 étant aptes à s'insérer dans les trous 111 du collecteur 4. Le diamètre des trous 111 doit donc être légèrement supérieur à celui des plots 110 afin que les plots 110 puissent être insérés dans les trous 111.

Les diamètres des trous 111 et des plots 110 dépendent de diamètre du tube 1. Par exemple, pour un tube 1 de diamètre extérieur 4 mm, le diamètre des trous 111 est de 2.6 mm avec une tolérance de ±0.1 mm, le diamètre des plots 110 est de 2.3 mm avec une tolérance de ±0.1 mm. Pour un tube 1 de diamètre 2 mm, le diamètre des trous 10 est par exemple de 1.3 mm avec une tolérance de ±0.1 mm, le diamètre des plots 11 est de 1 mm avec une tolérance de ±0.1 mm. Si les collecteurs sont positionnés de manière à former un prisme droit, les tubes 1 sont disposés en quinconce, les uns parallèles aux autres. Dans sa version la plus compacte, les bouchons 5 des tubes 1 sont accolés. Les trous 111 selon le mode de réalisation de la figure 5 sont réalisés par perçage dans le collecteur 4. Cependant, la définition d'un trou doit être considérée de manière plus large. Il s'agit d'une cavité apte à recevoir un plot 110.

Par exemple, une pièce issue de moulage peur comporter des trous 111 réalisés directement d'après les formes du moule, ces trous formant des seconds moyens de connexion, qui sont aptes à recevoir des plots 110.

,Un treillis en saillie sur le collecteur permet également de créer des cavités, ces cavités formant des seconds moyens de connexion, qui sont aptes à recevoir des plots 110.

De manière alternative, à l'image des jeux de construction de briques, un ensemble de plots espacés de manière ordonnée sur une plaque (ici un collecteur 4) crée des cavités aptes à recevoir des plots 110, ces cavités formant des seconds moyens de connexion au sens de la présente invention.

Que ce soit dans le premier ou dans le deuxième mode de réalisation, l'espace dont dispose le fluide caloporteur pour circuler entre les tubes 1 est lié au choix de la distance D mesurée de centre à centre entre les seconds moyens de connexion (11, 111) du collecteur 4. Cet espace de circulation de fluide doit être optimisé selon les applications pour répondre aux exigences de performance de la batterie thermique tout en proposant un dispositif compact.

La distance D entre les tubes 1 doit être au moins égale au diamètre d'un tube 1. L'optimisation de cette distance D permet d'obtenir un bon compromis en termes de compacité et de performances ainsi qu'un compromis entre la densité de matériau MPC et la perte de charge interne du liquide caloporteur. L'espacement entre deux parois externes de tubes 1 adjacents est par exemple de l'ordre de 0.6 millimètre pour permettre une bonne circulation du fluide entre les tubes 1 et bénéficier d'une solution de faisceau d'échange thermique de stockage compacte. Cette valeur est valable notamment pour un tube 1 de diamètre 4 millimètres et une distance D de 4.6 millimètres des tubes 1.

Cette distance D peut par exemple être obtenue pour une configuration de faisceau dans laquelle les tubes 1 de diamètre 4 millimètres sont accolés par leur bouchon 5 de diamètre 4.6 millimètres.

La fermeture des tubes 1 peut se faire en amont de l'assemblage des batteries thermiques, leur étanchéité peut être vérifiée avant montage du faisceau d'échange thermique de stockage 9. Cela permet au cours de la fabrication de ne rejeter que les tubes 1 présentant des défauts d' étanchéité et non pas le faisceau d'échange thermique de stockage 9 complet. Cela simplifie également l'assemblage des tubes 1 dans le faisceau 9, et donc la chaîne d'assemblage complète de fabrication de la batterie thermique. De manière avantageuse, comme illustré sur la figure 6, il est possible de maintenir les colleteurs 4 du faisceau 9 par des entretoises, par exemple de même diamètre que les tubes 1. Cela permet de rigidifier le faisceau 9.

Les entretoises peuvent être assemblées sur les collecteurs 4 en amont de l'assemblage des tubes 1 sur ce même collecteur 4. En effet, les tubes 1 sont flexibles et peuvent être courbés.

A la fin de l'assemblage, les entretoises 15 peuvent être laissées sur le faisceau 9. Ainsi, la structure du faisceau sera rigide sans y ajouter de pièce de rigidification complémentaire.

Cependant, pour des raisons d'optimisation du volume total de PCM dans le faisceau, les entretoises 15 peuvent être remplacées en fin d'assemblage du faisceau 9 par des tubes 1. Avantageusement, les entretoises 15 peuvent être réutilisées pour la fabrication d'un autre faisceau de tubes. Tous les modes de réalisation de l'invention apportent de nombreux avantages, tels que par exemple la simplicité d'assemblage, la réduction du temps d'assemblage, l'absence de nécessité d'utiliser des pièces de maintien additionnelle pour maintenir les tubes 1 sur le collecteur 4, un faible coût de fabrication.

Enfin, il est envisageable de produire en grande série des tubes 1 fermés standards quelques soient les applications. C'est la géométrie du collecteur 4 qui sera propre à chaque application, permettant des ajustements sur le nombre de tubes 1, la forme du faisceau d'échange thermique de stockage 9 et l'espacement entre chaque tube 1. Cela permet une certaine standardisation, ce qui contribue également à un gain de coût et de temps de fabrication.

A l'inverse, la standardisation des collecteurs 4 présente également un avantage, notamment en termes de réduction des coûts. Dans ce cas, c'est la longueur des tubes 1 qui est adaptée à l'application.

Si le premier moyen de connexion (11, 111) disposé sur le moyen de fermeture du tube (1) est un standard, alors quelque soit la géométrie, le format de la batterie, les extrémités des tubes sont standard, la partie variable du tube est sa longueur.