Domaine technique de l’invention

L’invention concerne un ensemble d’échangeurs de chaleur. En particulier, l’invention concerne un ensemble d’échangeurs de chaleur pouvant être utilisé dans un système de conditionnement d’air pour un aéronef.

Arrière-plan technologique

Les systèmes de conditionnement d’air ou autres systèmes basés sur une pluralité d’échanges thermiques entre différents fluides comprennent une pluralité d’échangeurs de chaleur permettant ces échanges thermiques.

En particulier, dans un système de conditionnement d’air pour un aéronef, plusieurs échangeurs de chaleur peuvent être utilisés pour refroidir des fluides tels que de l’huile, de l’air, etc. par un air dynamique, souvent appelé « RAM air », généralement de l’air ambiant récupéré à l’extérieur de l’aéronef et mis en mouvement par un ventilateur. Le ventilateur est par exemple entraîné par un moteur ou par l’arbre d’une turbomachine, en particulier par l’arbre d’une turbomachine du système de conditionnement d’air.

Cette source d’air dynamique permet un refroidissement efficace des fluides à refroidir.

Dans les architectures actuelles des systèmes de conditionnement d’air, on rencontre soit des échangeurs indépendants, soit des échangeurs regroupés par ensemble d’échangeurs.

Les ensembles d’échangeur permettent une réduction d’encombrement et une maintenance simplifiée, les échangeurs étant tous agencés dans une localisation proche.

Toutefois, ce rapprochement d’échangeurs entraîne des désavantages, notamment thermiques : la présence rapprochée des échangeurs peut entraîner la formation de ponts thermiques c’est-à-dire la transmission de chaleur d’un échangeur à l’autre.

Ces ponts thermiques sont à éviter absolument car ils peuvent entraîner des disfonctionnements dans les échanges thermiques, notamment si un échangeur de chaleur traite un fluide de température bien plus élevé que l’autre échangeur de chaleur.

Objectifs de l’invention

L’invention vise ainsi à fournir un ensemble d’échangeur de chaleur dans lequel les échangeurs de chaleur ont une localisation proche ou environnement proche.

L’invention vise en particulier à fournir un ensemble d’échangeur de chaleur évitant les ponts thermiques entre les échangeurs de chaleur.

L’invention vise également à fournir, un ensemble d’échangeur de chaleur pouvant être utilisé dans un système de conditionnement d’air d’un aéronef.

Exposé de l’invention

Pour ce faire, l’invention concerne un ensemble d’échangeurs de chaleur comprenant un canal de circulation d’air dynamique s’étendant selon une direction longitudinale et caractérisé en ce qu’il comprend :

- au moins deux échangeurs de chaleur disjoints et adjacents selon une direction transversale perpendiculaire à la direction longitudinale, agencés dans le canal de circulation d’air dynamique, et configuré pour que l’air dynamique traversant ledit canal forme une passe froide de chaque échangeur de chaleur en traversant ledit échangeur de chaleur selon ladite direction longitudinale, chaque échangeur de chaleur étant en outre configuré pour être traversé par un fluide à refroidir formant une passe chaude ; et

- un passage d’air ménagé entre les échangeurs de chaleur formant une lame d’air thermiquement isolante entre lesdits échangeurs, et dans lequel circule l’air dynamique, ledit passage d’air s’étendant selon ladite direction longitudinale dudit canal de circulation d’air dynamique.

Un ensemble d’échangeur de chaleur selon l’invention permet ainsi de regrouper au moins deux échangeurs de chaleur ensemble en utilisant l’air dynamique comme une passe froide commune aux échangeurs de chaleur, tout en évitant les ponts thermiques entre les échangeurs de chaleur.

En particulier, la disposition des échangeurs dans la direction longitudinale, qui est la direction de circulation de l’air dynamique dans le canal permet l’alimentation des échangeurs de chaleur par une passe froide composée par l’air dynamique.

Le passage d’air permet une isolation thermique entre les différents échangeurs. La circulation d’air dynamique se faisant selon la direction longitudinale, l’air circulant dans ce passage d’air isolant n’entre pas en contact avec les échangeurs mais forme uniquement la lame d’air isolante dans l’espace formé par l’écartement avec les échangeurs. Ainsi, aucune chaleur n’est transmise d’un échangeur à l’autre et en particulier, aucun air dynamique qui aurait été réchauffé par le passage dans un échangeur de chaleur ne circule ensuite dans un autre échangeur de chaleur.

L’air dynamique assure ainsi une double fonction, de refroidissement par la passe froide dans chaque échangeur, et d’isolation entre les échangeurs de chaleur.

Avantageusement et selon l’invention, au moins deux échangeurs de chaleur parmi les échangeurs de l’ensemble sont fabriqués dans une même matrice.

Selon cette variante, la fabrication de l’ensemble d’échangeurs dans une même matrice permet une simplification du processus de fabrication et une réduction des coûts.

En outre, il permet de créer le passage d’ air directement lors de la fabrication des échangeurs. Ainsi, le passage d’air est préformé entre les échangeurs de chaleur lors de la fabrication, et cela évite que celui-ci doive être formé lors de l’installation des échangeurs de l’ensemble, par exemple dans un système de conditionnement d’air d’un aéronef.

Avantageusement et selon l’invention le fluide formant la passe chaude de chaque échangeur est de l’air.

Selon cette variante de l’invention, les échangeurs de chaleur sont de type air/air et sont particulièrement adaptés pour le refroidissement et le conditionnement d’air, notamment dans un système de conditionnement d’air pour un aéronef. L’air traité par les deux échangeurs est soit différent, soit un air provenant d’une même source mais ayant subi un traitement entre les deux échangeurs de chaleur (par exemple compression, détente, chauffage ou refroidissement, etc., ou une combinaison de plusieurs traitements, par exemple par traversée d’un compresseur ou d’une turbine).

Selon d’autres variantes de l’invention, le fluide formant la passe chaude est un autre type de fluide, par exemple de l’huile, un réfrigérant, etc. Chaque échangeur de chaleur peut traiter un fluide de nature différente de l’autre échangeur de chaleur.

Avantageusement et selon l’invention la distance entre les deux échangeurs, selon la direction transversale, est comprise entre 1 mm et 10 mm, de préférence entre 3 mm et 6 mm.

Ces distances permettent à la fois de garantir un espacement minimal entre les échangeurs de chaleur pour permettre l’isolation thermique entre les deux échangeurs de chaleur, et à la fois d’avoir un espace suffisamment faible pour un encombrement limité de l’ensemble des échangeurs dans le canal de circulation d’air dynamique.

L’invention concerne également un système de conditionnement d’air caractérisé en ce qu’il comprend un ensemble d’échangeurs de chaleur selon l’invention.

Un système de conditionnement d’air selon l’invention permet de réunir deux échangeurs dans une localisation proche sans toutefois entraîner de ponts thermiques qui seraient dommageables à leur efficacité.

Avantageusement et selon l’invention, un premier échangeur de l’ensemble forme un échangeur primaire du système de conditionnement d’air, refroidissant de l’air prélevé et transmettant l’air ainsi refroidi vers une entrée d’un compresseur du système de conditionnement d’air, et en ce qu’un deuxième échangeur de l’ensemble forme un échangeur principal du système de conditionnement d’air, refroidissant l’air sortant dudit compresseur.

Selon cet aspect de l’invention, l’échangeur de chaleur primaire et l’échangeur de chaleur principal peuvent fonctionner sans pont thermique. En particulier, la chaleur dégagée lors du passage par un des échangeurs n’est jamais transmise à l’autre échangeur par l’air dynamique, le fonctionnement des deux échangeurs étant indépendants.

Selon d’autres variantes de l’invention, l’ensemble d’échangeurs peut être utilisé dans d’autres types d’architectures de système de conditionnement d’air, en particulier les échangeurs peuvent servir à refroidir d’autres types d’air en amont ou en aval du compresseur, ou bien d’autres fluides, par exemple de l’huile moteur.

Avantageusement et selon l’invention, le système de conditionnement d’air comprend une turbomachine comprenant un arbre de transmission, ledit arbre de transmission étant entraîné en rotation par la turbomachine et entraînant un ventilateur configuré pour fournir l’air dynamique traversant le canal de circulation d’air dynamique. L’air dynamique est ainsi formé du « RAM air » (en anglais), qui est mis en mouvement par le ventilateur de la turbomachine.

L’invention concerne également un aéronef comprenant un système de conditionnement d’air selon l’invention.

L’invention concerne également un ensemble d’échangeurs de chaleur, un système de conditionnement d’air et un aéronef, caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après.

Liste des figures

D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles :

[Fig. 1] est une vue schématique d’un ensemble d’échangeur de chaleur selon un mode de réalisation de l’invention.

[Fig. 2] est une vue schématique simplifiée d’un système de conditionnement d’air selon un mode de réalisation de l’invention.

Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention

Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d’illustration et de clarté.

En outre, les éléments identiques, similaires ou analogues sont désignés par les mêmes références dans toutes les figures. La figure 1 illustre un ensemble 10 d’échangeurs de chaleur selon un mode de réalisation de l’invention.

L’échangeur de chaleur comprend au moins deux échangeurs de chaleur adjacents, ici un premier échangeur 12a de chaleur et un deuxième échangeur 12b de chaleur, agencés dans un canal 14 de circulation d’air dynamique. Les échangeurs sont avantageusement fabriqués dans une même matrice.

Le canal 14 de circulation d’air dynamique s’étend selon une direction longitudinale, qui correspond à la direction de circulation de l’air dynamique traversant ledit canal 14, telle que schématisée par les flèches 16a à 16f et la flèche 18 représentant la circulation de l’air dynamique à travers le canal 14.

Les échangeurs 12a, 12b de chaleur sont ainsi adjacents selon une direction transversale (non représentée) perpendiculaire à la direction longitudinale.

L’air dynamique forme une passe froide de chacun des échangeurs de chaleur. Sous la forme schématique de la figure 1, une première partie de l’air dynamique représenté par les flèches 16a, 16b, 16c forme la passe froide du premier échangeur 12a de chaleur et une deuxième partie de l’air dynamique représenté par les flèches 16d, 16e, 16f forme la passe froide du deuxième échangeur 12b de chaleur.

Cet air dynamique formant la passe froide des échangeurs 12a, 12b de chaleur permet le refroidissement d’un fluide formant une passe chaude de chaque échangeur : le premier échangeur 12a de chaleur comprend un premier circuit 20a permettant la circulation d’un premier fluide formant une passe chaude dudit premier échangeur 12a de chaleur, et le deuxième échangeur 12b de chaleur comprend un deuxième circuit 20b permettant la circulation d’un deuxième fluide formant une passe chaude dudit deuxième échangeur 12b de chaleur.

L’écartement entre les échangeurs 12a, 12b de chaleur permet la formation d’un passage d’air ménagé entre les échangeurs de chaleur, formant, au passage de l’air dynamique, une lame 18 d’air thermiquement isolante entre lesdits échangeurs. La flèche représentant la lame 18 d’air dynamique est plus épaisse que les flèches 16a à 16f seulement pour des raisons de clarté, et l’épaisseur de ladite flèche ne présume pas de caractéristique particulière de l’air dynamique formant la lame 18 d’air par rapport à l’air dynamique formant une passe froide des échangeurs 12a, 12b de chaleur.

La présence de la lame 18 d’air permet d’éviter les ponts thermiques entre les échangeurs 12a et 12b de chaleur, c’est-à-dire la transmission de chaleur d’un échangeur de chaleur à l’autre. Lorsque les deux fluides formant la passe chaude de l’un et l’autre des échangeurs ont des températures très différentes, les ponts thermiques pourraient engendrer des disfonctionnements des échangeurs, en particulier le fluide le plus froid pourrait être réchauffé par l’air dynamique refroidissant le fluide le plus chaud. Ainsi, la lame 18 d’air thermiquement isolante permet de s’assurer du bon fonctionnement des deux échangeurs 12a, 12b de chaleur.

L’ensemble 10 d’échangeurs de chaleur est particulièrement adapté pour être utilisé dans un système de conditionnement d’air pour aéronef, dont un mode de réalisation est représenté en référence avec la figure 2.

L’ensemble 10 d’échangeurs de chaleur comprend de la même façon que précédemment deux échangeurs 12a et 12b de chaleur agencés dans le canal 14 de circulation d’air dynamique. L’air dynamique forme une première passe 16ac froide du premier échangeur 12a de chaleur (correspondant aux flèches 16a à 16c de la figure 1), une deuxième passe 16df froide du deuxième échangeur 12b de chaleur (correspondant aux flèches 16d à 16f de la figure 1). La lame 18 isolante traverse le canal 14 entre les deux échangeurs 12a, 12b de chaleur, selon la direction longitudinale.

Dans ce mode de réalisation, le premier échangeur 12a est un échangeur primaire de chaleur, souvent appelé PHX pour Primary Heat eXchanger en anglais. Le premier échangeur 12a reçoit de l’air 22 prélevé, par exemple sur les moteurs de l’aéronef ou prélevé à l’extérieur de l’aéronef puis compressé. Cet air 22 prélevé forme la passe chaude du premier échangeur 12a.

L’air 24 refroidi dans le premier échangeur est transmis au compresseur 26 d’une turbomachine 28, pour y être compressé. La turbomachine 28 comprend en outre une turbine 30, et un ventilateur 32, tous deux reliés entre eux et au compresseur par un arbre 34 de transmission. La turbomachine 28 peut aussi comprendre un moteur électrique, non représenté, pour former une turbomachine motorisée.

L’air 36 compressé par le compresseur 26 forme la passe chaude du deuxième échangeur 12b de chaleur. Le deuxième échangeur 12b de chaleur forme ainsi un échangeur principal de chaleur, souvent appelé MHX pour Main Heat eXchanger en anglais.

L’air 38 refroidi par le deuxième échangeur 12b de chaleur est transmis au groupe 40 de conditionnement d’air traitant cet air pour son conditionnement avant d’être transmis à une cabine 100 de l’aéronef. En particulier, ce traitement par le groupe 40 de conditionnement d’air peut comprendre un passage par la turbine 30 pour détente et refroidissement d’air, fournissant ainsi de l’énergie à la turbomachine 28 pour la rotation de celle-ci.

La rotation de l’arbre 34 de transmission de la turbomachine, du fait de la récupération d’énergie par la turbine 30, par un moteur électrique ou par tout autre moyen, entraîne le fonctionnement du ventilateur 32 qui permet la formation de l’air dynamique formant à la fois les passes 16ac, 16df froide des échangeurs 12a, 12b de chaleur, et à la fois la lame 18 d’air thermiquement isolante. Cet air dynamique généré par le système de conditionnement d’air est généralement appelé RAM air en anglais.