DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION

[0001] La présente invention concerne un échangeur de chaleur comprenant au moins deux passages de fluides dont au moins une portion des passages sont agencés à proximité immédiate les uns des autres afin de permettre les échanges thermiques entre les deux fluides.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE

[0002] Les échangeurs de chaleur sont des dispositifs particulièrement courants utilisés dans d’innombrables applications et dispositifs, en particulier les dispositifs impliquant des moteurs thermiques et des éléments de réfrigération. Classiquement, les échangeurs de chaleur comportent une longue tubulure dans laquelle un fluide circule. La tubulure forme souvent un circuit dans lequel la tubulure inscrit des allers-retours en alternance, agencés côte à côte. Lorsque deux ou plusieurs fluides sont utilisés, les échangeurs sont classiquement en forme de serpentin, avec un double enroulement permettant aux tubulures voisines d’être en contact thermique pouvant favoriser les échanges de calories. Ces agencements sont en général assez volumineux, avec des architectures complexes, et des rendements perfectibles. Pour améliorer ces dispositifs, plusieurs tentatives ont été réalisées avec des agencements visant à délaisser l’utilisation des longs tubes en forme de serpentins.

[0003] Par exemple, le document US20090101321 décrit un échangeur de chaleur comprenant un corps principal dans lequel sont insérées une pluralité de cellules alignées les unes à côté des autres. Ce type de dispositif est avantageusement compact et efficace, mais complexe à réaliser. Les parcours rectilignes des cellules limitent toutefois les longueurs d’échange thermique.

[0004] Le document WO2016074048 décrit un échangeur thermique constitué d’une pluralité de plaques superposées dans lesquelles des canaux de circulation fluidique sont agencés. Cette architecture permet de bien adapter l’échangeur en fonction des besoins. Toutefois, ce type de construction avec de multiples éléments constituants est relativement complexe et coûteuse. [0005] Ces deux types d’architectures sont complexes à mettre en œuvre, coûteuses, avec des niveaux de performances perfectibles.

[0006] Le document US10094621 concerne un échangeur thermique en spirale à flux opposés, construit à l’aide de deux tunnels rectangulaires élaborés avec des tôles métalliques d’une part séparés entre eux par un espaceur permettant d’éviter les contacts entre les tunnels, et d’autre part enroulés pour former une spirale.

[0007] Le document US2015/300745 concerne un échangeur thermique en spirale comportant un noyau central autour duquel sont enroulés deux hélices logées dans un tube formant une paroi interne.

[0008] Ces deux derniers échangeurs sont complexes à fabriquer et assembler, (notamment car ils nécessitent l’assemblage de plusieurs éléments entre eux, par exemple des tôles par soudage ou brasage), procurent un rendement limité, et du fait des enroulements, sont difficiles à mettre en œuvre et impliquent des dimensions importantes.

[0009] Le document US2021270535 décrit un dispositif destiné à être utilisé dans la production d'un faisceau de tubes d'un échangeur de chaleur enroulé, dans lequel des tubes sont enroulés en plusieurs couches de tubes sur un tube central s'étendant dans une direction axiale, des nervures s'étendant dans la direction axiale étant disposées entre les couches tubulaires. L'invention concerne en outre un procédé de fabrication d'un faisceau de tubes à l'aide dudit dispositif.

[0010] Le document US2021199390 décrit un procédé de contrôle de la récupération d'énergie calorifique d'un écoulement d'eaux usées présentes dans une conduite en spirale vers un fluide caloporteur circulant dans un premier espace caloporteur à l'intérieur d'un conteneur avec une différence de température entre les eaux usées et le fluide caloporteur.

[0011] Le document US2018187980 décrit un appareil de récupération de chaleur d'eaux comportant des premier et second passages agencés dans une orientation à contre- courant. Il a un côté chaud et un côté froid pour l'eau douce fournie sous pression. Il extrait la chaleur des canalisations d'eaux d'un bâtiment. [0012] Ces trois derniers documents concernent tous des échangeurs de chaleur « classiques », c’est-à-dire utilisant une pluralité de tubes distincts pour assurer les flux des différents fluides, ces tubes étant réunis dans un boîtier. Ces constructions avec plusieurs composants sont complexes, coûteuses, présentent d’importantes pertes de rendement, et imposent des dimensions importantes.

[0013] Pour pallier les différents inconvénients préalablement évoqués, l’invention prévoit différents moyens techniques.

EXPOSE DE L'INVENTION

[0014] Tout d’abord, un premier objectif de l’invention consiste à prévoir un échangeur de chaleur à rendement améliorée.

[0015] Un autre objectif de l’invention consiste à prévoir un échangeur de chaleur avec surface d’échange optimale.

[0016] Un autre objectif de l’invention consiste à prévoir un échangeur de chaleur compact, résistant et durable.

[0017] Encore un autre objectif de l’invention consiste à réaliser une connexion simple entre l’échangeur et le réseau fluidique du système utilisant cet échangeur.

[0018] Pour ce faire, l’invention prévoit un échangeur de chaleur comprenant au moins deux passages de fluides formant un enroulement en forme d’hélicoïde, dont au moins une portion des passages sont agencés à proximité immédiate les uns des autres, les passages étant aménagés dans un corps monobloc réalisé par fabrication additive et le ou les enroulements associés aux différents fluides présentant un décalage angulaire dans le sens de l’enroulement d’au moins un degré le décalage angulaire entre les passages des différents fluides permettant de prévoir des points d’entrée et/ou sortie distincts pour chacun des fluides.

[0019] Cette architecture permet de réaliser un échangeur simple, compact, particulièrement efficace. L’agencement monobloc des multiples canaux évite de devoir utiliser les classiques enroulement en forme de serpentins, complexes à réaliser et fragiles à utiliser. Les échangeurs sont avantageusement réalisés à l’aide de fabrication additive, comme par exemple avec une imprimante 3D. Ce mode de réalisation permet de mettre en œuvre une infinité d’agencements monoblocs, pour deux, trois, quatre fluides ou même plus. Les taux d’échanges thermiques entre les différents fluides sont facilement adaptables en modulant les paramètres tels que les longueurs des parcours avec échanges thermiques, les surfaces des passages, le pas des spirales hélicoïdales, les dimensions du corps monobloc, en particulier la longueur du corps monobloc (dans le sens de l’axe longitudinal AL décrit plus loin), les matériaux du corps monobloc, etc.

[0020] Selon un mode de réalisation avantageux, le décalage angulaire entre les enroulements est égal à 360 degrés divisé par le nombre de fluide circulant dans l’échangeur.

[0021] Le décalage angulaire entre les passages des différents fluides permet de prévoir des points d’entrée et/ou sortie distincts pour chacun des fluides.

[0022] Pour un même fluide, plusieurs passages parallèles, alignés angulairement sont avantageusement prévus. Ceci permet d’augmenter les surfaces d’échanges entre les fluides.

[0023] De manière avantageuse, les passages pour chacun des fluides sont de pas identique.

[0024] Le pas identique des différents passages permet de conserver un espacement identique sur toute la longueur du corps, avec des échanges thermiques uniformes. Cette disposition permet également d’éviter tout croisement ou intersection entre des passages différents.

[0025] De manière avantageuse, les passages permettent des échanges de chaleur entre au moins deux fluides séparés.

[0026] En variante, les passages permettent des échanges de chaleur entre au moins trois fluides séparés.

[0027] Selon un mode de réalisation avantageux, le corps unique est allongé le long d’un axe longitudinal AL, l’enroulement étant agencé autour de cet axe [0028] Selon encore un mode de réalisation avantageux, l’échangeur comprend au moins une chambre de connexion, servant de point d’entrée ou sortie unique pour l’ensemble des passages d’un même fluide.

[0029] Un tel agencement facilite les connexions entre l’échangeur et le reste du circuit fluidique.

[0030] Les chambres de connexion sont avantageusement agencées en extrémité du corps unique.

[0031] Egalement de manière avantageuse, le corps unique est métallique, comme par exemple en cuivre, acier, ou aluminium.

[0032] Ces métaux et alliages permettent de réaliser des échangeurs hautement efficaces.

[0033] De manière avantageuse, l’échangeur de chaleur comprend une pluralité de passages assurant le cheminement à travers l’échangeur d’un premier fluide, intercalés entre une pluralité de passages assurant le cheminement à travers l’échangeur d’un second fluide.

[0034] Ce mode de réalisation permet de multiplier les circuits d’échanges thermiques sans pour autant nécessiter une augmentation du volume de l’échangeur. L’échangeur monobloc permet de prévoir un grand nombre de circuits d’échange, difficilement réalisables à l’aide de serpentins classiques.

DESCRIPTION DES FIGURES

[0035] Tous les détails de réalisation sont donnés dans la description qui suit, complétée par les figures 1 à 10, présentées uniquement à des fins d’exemples non limitatifs, et dans lesquelles :

-la figure 1 est une représentation schématique illustrant un exemple de cheminement de passages fluidiques avec deux fluides et un passage par fluide, la figure illustrant des portions creuses dans un corps unitaire solide non montré sur cette représentation schématique ; -la figure 2 est une représentation schématique illustrant un exemple de cheminement de passages fluidiques avec deux fluides et un passage pour le premier fluide entouré par deux passages pour le second fluide ;

-la figure 3 est une représentation schématique illustrant un exemple de cheminement de passages fluidiques avec trois passages pour le premier fluide et trois passages pour le second fluide, agencés en alternance ;

-la figure 4 est une représentation schématique illustrant l’exemple de cheminement de passages fluidiques de la figure 3 avec une représentation de chambres de connections agencées aux extrémités des passages ;

-la figure 5 illustre un exemple d’échangeur monocorps montré en coupe longitudinale, dans lequel des passages en forme d’hélicoïde sont agencés ;

- la figure 6 illustre une variante de réalisation de l’échangeur de chaleur de la figure 5 avec double étage d’enroulement ;

- la figure 7 illustre l’échangeur de la figure 6 en vue de dessus ;

-la figure 8 est une représentation schématique illustrant le cheminement des passages fluidiques de l’exemple d’échangeur de chaleur de la figure 6 ;

-la figure 9 est une représentation schématique d’un exemple d’intégration d’un échangeur de chaleur pour une application avec un moteur thermique ;

-la figure 10 est une représentation schématique d’un exemple d’intégration d’un échangeur de chaleur pour une application avec un moteur à cycle de Stirling.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

DEFINITIONS

[0036] Par « fluide » on entend une substance (pure ou mélange) permettant de transporter de l’énergie thermique dans une canalisation prévue à cet effet. Un fluide peut être à l’état liquide, ou gazeux. On utilise classiquement des fluides tels que l’eau, l’air, l’hélium, l’azote, l’hydrogène, etc.

[0037] Par « fluides séparés », on entend des fluides circulant dans des circuits fluidiques distants, sans communication fluidique entre eux. Les fluides peuvent être différents ou identiques.

[0038] On entend par « corps monobloc », une pièce unique réalisée par fabrication additive, de préférence métallique, mise en œuvre par fusion de matériau d’addition tel que poudre ou fil ou autre support et dont le démontage est impossible sans remettre en cause l'intégrité de la pièce.

[0039] La figure 1 est une représentation schématique d’un exemple de cheminement de deux passages 2 fluidiques tels que ceux-ci sont susceptibles d’être aménagés dans un échangeur 1 de chaleur selon l’invention. Le corps unitaire 4 ou monobloc (voir figure 5) dans lequel ces passages sont pratiqués n’est pas illustré sur cette figure. On observe chacun des passages 2 de fluide qui forme un enroulement en forme d’hélicoïde. Tel qu’illustré, l’enroulement est effectué autour d’un axe longitudinal AL de l’échangeur de chaleur. Egalement tel qu’illustré, les passages 2 sont agencés à proximité immédiate l’un de l’autre sur au moins une portion 3 de leur parcours hélicoïdal, afin de favoriser les échanges thermiques entre les fluides de ces passages. Tel qu’illustré, les différents passages sont prévus avec un pas identique, ce qui permet de prévoir des cheminements avec des surfaces d’échanges maximales. Dans les exemples illustrés le pas est constant tout le long du parcours, mais en variante, le pas peut être variable le long de l’axe AL.

[0040] Le corps 4 unitaire ou monobloc dans lequel les passages sont agencés permet les échanges de chaleur. On prévoit à cet effet un matériau à forte conductivité thermique, de préférence métallique, comme par exemple en aluminium, en cuivre, en acier, ou autre matériau de ce type. Dans cet exemple, les deux enroulements sont décalés angulairement en haut (entrée) de 120° et en bas (sortie) de 90°. Ce décalage est évalué dans le sens de l’enroulement à partir du départ du premier enroulement.

[0041] La figure 2 est une représentation schématique d’une variante de l’exemple de la figure 1 , dans laquelle un passage 2 pour un premier fluide (en clair sur le schéma) est entouré de deux passages 2 prévu pour un second fluide (en foncé sur le schéma). Comme dans l’exemple de la figure 1 , chacun des passages 2 de fluide forme un enroulement en forme d’hélicoïde, et les passages sont agencés à proximité immédiate l’un de l’autre sur au moins une portion 3 de leur parcours hélicoïdal. Dans cet exemple, l’agencement favorise les échanges thermiques entre le premier fluide (en clair) et le second fluide (en foncé). Dans cet exemple, les enroulements foncés sont décalés angulairement par rapport à l’enroulement clair en haut (entrée) de 120° et 70° et en bas (sortie) de 20° et 90°. [0042] La figure 3 est une représentation schématique d’une autre variante de l’exemple de la figure 1 , dans laquelle trois passages 2 prévus pour un premier fluide (en clair sur le schéma) sont agencés en alternance avec trois passages 2 prévus pour un second fluide (en foncé sur le schéma). Comme dans l’exemple de la figure 1 , chacun des passages 2 de fluide forme un enroulement en forme d’hélicoïde, et tous les passages 2 sont agencés à proximité immédiate l’un de l’autre sur au moins une portion 3 de leur parcours hélicoïdal. Dans cet exemple, l’agencement favorise les échanges thermiques entre le premier fluide (en clair) et le second fluide (en foncé). Le décalage angulaire entre les trois passages 2 dévolus au premier fluide (en clair sur la figure 3) et les trois passages 2 dévolus au second fluide (en foncé sur la figure 3) est ici de 180°. On observe donc que les passages 2 prévus pour un seul et même fluide sont aligné angulairement et comportent des points de départ et d’arrêt angulairement identiques. Pour réaliser ce type de configuration à enroulements multiples, les enroulements prévus pour un même fluide sont agencés parallèles entre eux, avec des hélicoïdes de plus en plus serrées à partir de l’enroulement extérieur vers les enroulements intérieurs. Le pas est identique pour tous les enroulements.

[0043] La figure 4 permet de comprendre l’avantage considérable de ces alignements angulaires pour les passages d’un même fluide. En effet, tel qu’illustré à la figure 4, des chambres de connexion 5 sont avantageusement agencées vis-à-vis chacun des points de départ et d’arrêt des passages 2 d’un même fluide. Une chambre de connexion 5 permet de prévoir une connexion unique pour l’arrivée et une connexion unique pour la sortie d’un même fluide. Les passages 2 en forme d’hélicoïdes sont reliés aux chambres de connexion par des passages 6 de liaison. Tel qu’illustré, les passages 6 de liaison sont avantageusement agencés parallèles à l’axe longitudinal AL de l’échangeur de chaleur 1. Chaque passage de liaison permet de relier une chambre de connexion 5 à un ou plusieurs passages 2 destinés à un même fluide. On évite ainsi de devoir prévoir de multiples points de connexion pour chaque passage 2 d’un même fluide.

[0044] Les figures 5, 6 et 7 montrent des exemples de mise en œuvre de chambres de connexion 5 pour des exemples d’échangeurs de chaleur 1. La figure 7 illustre particulièrement bien les entrées et sorties uniques facilement connectables aux circuits utilisant les fluides de l’échangeur de chaleur 1. Les chambres de connexion 5 permettent l’obtention d’une jonction entre les canaux fluidiques et un collecteur simple localisé spatialement au même endroit. [0045] On constate donc que l'échangeur comporte trois zones distinctes, à savoir une « zone d'emmêlage" des canaux » qui s’étend des chambres de connexion 5 vers la zone d’échange thermique 3 effective. En d’autres termes, c'est la plongée droite d'un canal sur deux pour retrouver l'hélicoïde opposée. Dans la zone d'échange de chaleur 3, les canaux sont emmêlés et l'échange de chaleur est maximal. Enfin, on retrouve une zone de "démêlage" des canaux, se prolongeant de la zone d'échange thermique effective 3 vers les chambres de connexion 5, et de façon similaire avec la plongée droite.

[0046] La figure 5 illustre un exemple d’échangeur de chaleur 1 monocorps montré en coupe longitudinale. Un corps 4 monobloc comporte les passages 2 en forme d’hélicoïde. Dans cet exemple, le corps 4 monobloc est de forme allongée, s’étendant le long d’un axe longitudinal AL, autour duquel sont enroulés les passages 2 en forme d’hélicoïdes. L’exemple de réalisation de la figure 5 utilise une configuration telle que celle illustrée pour l’exemple des figures 3 et 4. Pour fabriquer un tel échangeur de chaleur, on utilise avantageusement un procédé avec addition de matière, comme par exemple une imprimante 3D. Ceci permet de facilement mettre en œuvre pratiquement tout agencement avec des passages multiples en forme d’hélicoïdes, avec des chambres de connexion en extrémité des passages.

[0047] Des essais de fabrication effectués avec cette architecture d'échangeur réalisée en fabrication additive métallique ont permis d'atteindre des dimensions des canaux de 0,4mm de largeur pour 1mm de hauteur, et même plus préférentiellement jusqu’à 0,2mm de largeur pour 0,5mm de hauteur. Les dimensions des parois d'échanges atteintes sont de 0,2mm d'épaisseur, et même plus préférentiellement de 0,1mm d'épaisseur. Dans l’état actuel des technologies de fabrication, aucun autre mode de fabrication ne peut permettre d’atteindre de telles dimensions.

[0048] Ces caractéristiques dimensionnelles permettent d'atteindre d’excellents coefficients d'échanges, tout en garantissant un dépoudrage aisé (dans le cas d'une fabrication additive métallique par fusion sur lit de poudre) et ainsi une opérabilité du modèle construit. Ceci permet par ailleurs d’atteindre des compacités en zone d'échange de 3500 m2 au m3, et plus préférentiellement de 5000 m2 au m3.

[0049] Les figures 6 et 8 illustrent ensemble une variante de réalisation avec plusieurs étages d’enroulement d’un même fluide, soit deux étages dans cet exemple. La figure 8, illustrant schématiquement le cheminement des passages fluidiques en forme d’hélicoïdes, permet de bien visualiser les étages successifs de connexion avec une chambre de connexion 5 via des passages de liaison 6 de différentes longueurs, dans cet exemple deux passages courts et deux passages plus longs permettant de faire une nouvelle connexion à une même position angulaire, en dessous de la première spire d’enroulement. Pour effectuer cette mise en œuvre, le pas de chacune des spires est augmenté afin de libérer l’espace requis pour positionner le second étage d’enroulement.

[0050] Tel que mentionné précédemment, ce type d’échangeur est avantageusement fabriqué par fabrication additive, en particulier par impression 3D.

EXEMPLES D’APPLICATIONS

[0051] La figure 9 illustre un exemple d’application d’un échangeur de chaleur 1 tel que préalablement décrit. Dans cet exemple, l’échangeur de chaleur 1 est connecté à un moteur thermique 7, comme par exemple un moteur de véhicule, pour permettre son refroidissement en liaison avec un flux d’air. L’échangeur 1 est ainsi utilisé comme échangeur contre courant. Le liquide de refroidissement circule en circuit fermé et permet l’extraction de l’énergie thermique émise par la combustion. Le fluide de refroidissement chaud en provenance du moteur entre dans un connecteur d’échangeur à l’entrée 8 de fluide chaud. Après échange thermique, le fluide de refroidissement refroidi quitte l’échangeur par la sortie 9 de fluide et retourne au moteur thermique 7 pour un nouveau cycle d’absorption de chaleur.

[0052] L’ air est utilisé en circuit ouvert forcé ou non et permet de récupérer la chaleur apportée à l’échangeur par le fluide de refroidissement chaud.

[0053] L’ entrée d’air frais 10 est en liaison avec une chambre de connexion de l’échangeur. Après échange thermique, l’air réchauffé quitte l’échangeur par la sortie d’air chaud 11 . Cet air chaud est rejeté dans le milieu ambiant.

[0054] Cette architecture présente un avantage de compacité et de gain de poids en regard des radiateurs classiques, pour une efficacité comparable, voire supérieure.

[0055] La figure 10 illustre un autre exemple d’application d’un échangeur de chaleur 1 , cette fois pour une utilisation en tant que régénérateur pour un moteur à cycle de Stirling. Un tel moteur est décrit dans la demande FR2009877. Un tel moteur peut être à quatre pistons double effet ou un multiple de quatre pistons à double effet. La figure 10 montre uniquement les deux volumes de gaz opposés, dont l’un est en phase de chauffage (représenté par des vagues, du côté droit de la figure), et l’autre en phase de refroidissement (représenté par des hachures, du côté gauche de la figure). Le volume de gaz en phase de refroidissement transite par l’échangeur de chaleur 1 , cède son énergie thermique au gaz en phase de chauffage, et permet de recycler un maximum d’énergie, augmentant ainsi le rendement du système. La figure montre de façon schématique le volume X de travail en zone chaude 12, le volume X de travail en zone froide 13, le volume Y de travail en zone froide 14 et le volume Y de travail en zone chaude 15.

[0056] Cette architecture présente plusieurs avantages avec en outre, une amélioration du rendement. L’architecture hélicoïdale permet un échange entre les fluides opposés sans croisement avec les autres volumes et avec une symétrie parfaite pour tous les parcours fluidiques des gaz de travail du moteur Stirling par rapport à l’axe d’enroulement. Ceci permet l’obtention d’un parfait équilibre de fonctionnement du fait de l’équivalence de volume entre chacun des gaz de travail.

Numéros de référence employés sur les figures

1 Echangeur de chaleur

2 Passage pour fluide en forme de spirale

3 Zone d’échange de chaleur

4 Corps unique

5 Chambre de connexion

6 Passage de liaison

7 Moteur thermique

8 Entrée liquide de refroidissement chaud

9 Sortie liquide de refroidissement refroidi

10 Entrée air frais

11 Sortie air chaud

12 Volume X de travail en zone chaude

13 Volume X de travail en zone froide

14 Volume Y de travail en zone froide

15 Volume Y de travail en zone chaude