FR3031803A1 - Echangeur de chaleur et dispositif de conditionnement thermique pour vehicule automobile comportant un tel echangeur - Google Patents

Abstract

Echangeur de chaleur adapté pour fonctionner en évaporateur dans un dispositif de conditionnement thermique du type pompe à chaleur, l'échangeur (1) comportant un faisceau (26) dans lequel circule un fluide réfrigérant. L'échangeur comporte en outre au moins un élément chauffant (23), disposé au voisinage du faisceau (26) et apte à le chauffer aux fins de dégivrage.

Description

Echangeur de chaleur et dispositif de conditionnement thermique pour véhicule automobile comportant un tel échangeur DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne un échangeur de chaleur pour un dispositif de conditionnement thermique, notamment destiné à l'habitacle d'un véhicule automobile. L'invention trouve son application plus particulièrement dans le cadre des véhicules automobiles électriques ou hybrides.

ARRIERE PLAN TECHNIQUE DE L'INVENTION Actuellement, les constructeurs automobiles développent des véhicules qui fonctionnent à partir de nouvelles sources d'énergie, en complément ou en remplacement des moteurs thermiques. En particulier, il est proposé des véhicules dont la propulsion est réalisée à partir de l'énergie électrique en tout (véhicules électriques) ou en partie (véhicules dits hybrides). La capacité de stockage des batteries actuelles étant limitée, les équipements de tels véhicules doivent être adaptés pour limiter leur consommation électrique, qui s'effectue au détriment de l'autonomie du véhicule. C'est ainsi qu'il est nécessaire d'assurer le confort thermique des passagers de l'habitacle du véhicule, et notamment d'assurer le chauffage de l'habitacle en l'absence d'un moteur thermique générateur de 30 chaleur, sans que ce conditionnement thermique ne nuise à l'autonomie du véhicule de manière trop importante. Cela restreint notamment le recours à un radiateur électrique pour chauffer l'habitacle. Dans cet environnement, il est connu d'utiliser comme dispositif de conditionnement thermique de l'habitacle, une boucle de climatisation classique qui est capable de fonctionner en pompe à chaleur pour chauffer l'air de l'habitacle à partir des calories extraites de l'air extérieur. Une telle boucle comporte un échangeur de chaleur à l'avant du véhicule, un échangeur de chaleur situé dans l'habitacle, la circulation du fluide dans la boucle étant activée par un compresseur. Dans le mode pompe à chaleur, l'échangeur avant fonctionne en évaporateur et l'échangeur habitacle, en condenseur ; dans le mode climatisation, les fonctions des échangeurs sont inversées. Toutefois, lorsque la température extérieure est basse (à partir de 3°C) et quand l'hygrométrie de l'air est élevée, l'eau contenue dans l'air se condense sur l'échangeur de chaleur situé à l'avant du véhicule, qui fonctionne alors en évaporateur dans le mode pompe à chaleur, et se transforme en givre. L'accumulation de givre sur l'évaporateur obstrue le passage de l'air, dégrade l'échange thermique et s'accompagne d'une perte de puissance du dispositif de conditionnement. De plus, il existe un risque d'endommagement de ce dispositif, lié à une possible infiltration d'air dans le circuit, qui nécessite alors d'arrêter la pompe à chaleur et procéder au dégivrage de l'évaporateur.

BREF RESUME DE L'INVENTION L'invention a pour but de pallier ces inconvénients en procurant une solution évitant tout arrêt de fonctionnement de la pompe à chaleur et permettant de minimiser les modifications apportées au dispositif de conditionnement d'air comme à l'échangeur avant, minimisant ainsi également le coût de conception du système. A cet effet, l'invention a pour objet un échangeur de chaleur adapté pour fonctionner en évaporateur dans un dispositif de conditionnement thermique parcouru par un fluide réfrigérant, l'échangeur comportant au moins un faisceau dans lequel circule le fluide réfrigérant, l'échangeur comportant au moins un élément chauffant, disposé au voisinage du faisceau et apte à chauffer le faisceau. Dans un mode de réalisation de l'invention, le faisceau assure un échange thermique entre le fluide et un flux d'air incident, De la sorte, lorsque le dispositif de conditionnement d'air fonctionne en pompe à chaleur, et l'échangeur avant en évaporateur, et lorsque l'évaporateur se givre, l'élément chauffant permet de chauffer les tubes de l'évaporateur et ainsi de les dégivrer.

Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément : -l'élément chauffant comporte au moins une résistance électrique, - la résistance électrique est une thermistance à coefficient de température positif, - l'élément chauffant comporte au moins une pluralité de résistances montées en parallèle entre deux connexions électriques, formant une barrette, - le faisceau comporte des tubes dans lesquels circule le fluide réfrigérant, - le faisceau comporte des ailettes disposées entre les tubes, en contact 25 thermique avec ces derniers, - au moins l'une des barrettes est portée par au moins l'une des ailettes, - ledit échangeur comporte une pluralité de barrettes portées par les ailettes, - les barrettes sont disposées dans le faisceau de sorte à assurer un 30 chauffage sensiblement uniforme du faisceau, - les barrettes s'étendent parallèlement aux tubes, - les barrettes s'étendent sensiblement selon une largeur du faisceau le long desdits tubes, - les barrettes sont réparties entre deux moitiés frontales dudit faisceau, 5 dans l'alignement les unes des autres et/ou en quinconce, - lesdites barrettes occupent une surface frontale inférieure à 5%, voire 1`)/0 d'une surface frontale du faisceau. L'invention concerne également un dispositif de 10 conditionnement thermique comportant un échangeur de chaleur tel que décrit plus haut, apte à fonctionner en évaporateur. Selon un aspect de l'invention, ledit dispositif comporte des moyens de commande de l'élément chauffant, assurant la mise en service 15 de l'élément chauffant. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 20 ressortiront de la description détaillée qui suit, donnée à titre indicatif et illustrée par les dessins annexés, qui représentent : - la figure 1, un schéma de principe d'un dispositif de conditionnement thermique utilisant l'échangeur selon l'invention ; - la figure 2, une vue de face partielle d'un mode de 25 réalisation de l'échangeur selon l'invention ; - les figures 3, 4 et 5, des schémas explicatifs d'un mode de réalisation du montage d'éléments chauffants dans les ailettes de l'échangeur selon l'invention ; - la figure 6, un exemple de réalisation de résistances de type 30 CTP montées en barrettes ; - les figures 7, 8 et 9, différentes variantes de montage d'éléments chauffants dans l'échangeur selon l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DES FIGURES Dans la suite de la description, des éléments présentant une structure identique ou des fonctions analogues sont désignés par les mêmes références.

La figure 1 représente un schéma de principe d'un dispositif de conditionnement thermique, notamment destiné à un habitacle de véhicule automobile, utilisant l'échangeur selon l'invention. Pour simplifier, ce dispositif sera décrit dans le cadre de son application à un véhicule automobile.

Le dispositif de conditionnement comporte principalement un premier échangeur thermique 1, un deuxième échangeur thermique 7, un compresseur 10 et un détendeur 4. Ces différents éléments sont connectés en boucle par des tubulures 5 pour être parcourus par un fluide réfrigérant, circulant dans les tubulures 5.

Le premier échangeur 1 est disposé à l'avant du véhicule, en général sous le capot en face avant du véhicule, et il est traversé par le fluide réfrigérant. L'échangeur 1 est destiné à maximiser un échange thermique entre le fluide réfrigérant et un flux d'air extérieur 3 provenant de l'avant du véhicule, à travers sa calendre. Pour augmenter le flux d'air, le dispositif peut comporter un ventilateur 2, par exemple débrayable, mis en fonctionnement lorsque le débit d'air 3 devient insuffisant. Le deuxième échangeur 7 est disposé dans l'habitacle du véhicule, en général dans un boitier 6 appelé HVAC (pour « Heating, Ventilation and Air Conditioning » ou chauffage, ventilation et climatisation en anglais), et est également traversé par le fluide réfrigérant. Il est destiné à maximiser l'échange thermique entre le fluide réfrigérant et l'air de l'habitacle, qu'on a représenté entrant dans l'HVAC 6 par une flèche 8 et en ressortant par une flèche 9. Les éléments précédents forment une boucle adaptée pour fonctionner en boucle de climatisation classique : dans ce cas, le fluide réfrigérant parcourt la boucle dans le sens des flèches 12; l'échangeur habitacle 7 fonctionne alors en évaporateur, entrainant l'évaporation du fluide réfrigérant qui soustrait des calories à l'air de l'habitacle, refroidissant ainsi ce dernier. Le fluide réfrigérant à l'état gazeux est ensuite comprimé dans un compresseur 10 puis transmis à l'échangeur avant 1. Ce dernier fonctionne alors en condenseur, entrainant la condensation du fluide qui donne des calories à l'air extérieur, avant retour à l'évaporateur 7 via un détendeur 4. La boucle décrite ci-dessus est également adaptée pour un fonctionnement en pompe à chaleur, fonctionnement dans lequel les fonctions des échangeurs 1 et 7 sont inversées, ainsi que le sens de parcours de la boucle (flèches 11) : l'échangeur avant 1 fonctionne en évaporateur pour prélever des calories à l'air extérieur, calories que le fluide restitue à l'air de l'habitacle par l'intermédiaire de l'échangeur 7 qui fonctionne alors en condenseur. Plus précisément, le fluide réfrigérant porté à l'état gazeux par l'échangeur avant 1 est comprimé par le compresseur 10 avant d'être condensé dans l'échangeur 7, puis à nouveau détendu pour retourner dans l'échangeur 1. Le schéma de la figure 1 est un schéma de principe : en général, dans ce genre de boucle susceptible d'avoir deux modes de fonctionnement distincts, il est prévu deux circuits différents, la commutation entre les deux modes s'effectuant par passage d'un circuit de tubulures à l'autre au moyen de vannes commandées (non représentées). Comme indiqué plus haut, lorsque la boucle fonctionne en pompe à 30 chaleur et l'échangeur avant 1 en évaporateur, ce dernier se recouvre de givre lorsque la température de l'air extérieur 3 est basse et son hygrométrie est élevée, dégradant l'échange thermique air-fluide réfrigérant et par suite l'efficacité du dispositif de conditionnement thermique. La figure 2 représente une vue de face partielle d'un mode de réalisation de l'échangeur selon l'invention. Dans ce mode de réalisation, l'échangeur 1 comporte un ensemble de tubes 20, sensiblement parallèles entre eux et dans lesquels circule le fluide réfrigérant. Les tubes 20 sont par exemple sensiblement parallèles entre eux et montés en parallèle entre deux collecteurs de fluide auxquels ils sont reliés, seul le collecteur de droite, référencé 21, étant visible sur la figure 2. La face visible sur la figure 2 est la face avant, disposée du côté de l'arrivée d'air 3 (figure 1) et située dans un plan repéré x0z d'un repère orthonormé Oxyz. Les tubes 20 sont par exemple des tubes aplatis selon le plan x0y et s'étendent dans la direction Ox. Les collecteurs s'étendent selon l'axe Oz. Dans une variante de réalisation, les tubes 20 sont formés chacun par deux plaques conformées pour être réunies entre elles de façon étanche, pour définir un espace intérieur où le fluide réfrigérant peut 20 circuler. Entre les tubes 20 sont placées des ailettes 22, aussi appelées intercalaires, constituées chacune par exemple d'une bande mince, réalisée en un matériau bon conducteur thermique et formée en accordéon. Les ailettes 22 sont en contact thermique avec les tubes 20 adjacents et ont 25 pour fonction d'augmenter l'échange thermique entre l'air extérieur, se propageant selon l'axe Oy, et le fluide circulant dans les tubes 20. L'ensemble tubes 20 et ailettes 22 forment ce qu'on appelle le faisceau de l'échangeur, repéré 26, responsable de l'échange thermique entre l'air et le fluide réfrigérant.

Selon l'invention, l'échangeur 1 comporte en outre au moins un élément chauffant 23, disposé au voisinage du faisceau et destiné à chauffer le faisceau pour faire fondre le givre qui peut recouvrir ce faisceau. Avantageusement, l'élément chauffant 23 est formé par un ensemble de résistances électriques, de préférence des thermistances à coefficient de température positif, ou CTP, c'est à dire des thermistances dont la résistance augmente avec la température. La figure 6 représente, vu en coupe partielle dans le plan x0z, un mode de réalisation de l'élément chauffant 23 par une barrette de CTP.

Sur la figure 6 est donc représenté un ensemble de CTP 60, se présentant par exemple sous la forme de pavés, disposés côte à côte et reliés électriquement par exemple en parallèle par des bandes conductrices 61 et 62, disposées de part et d'autre des pavés 60. L'ensemble forme une barrette, de préférence recouverte d'un matériau 63 isolant électriquement.

Dans le mode de réalisation de la figure 2, la barrette de CTP 23 est disposée sur le faisceau 26 lui-même. Plus précisément, elle est portée par les ailettes 22 comme illustré sur les figures 3, 4 et 5. La figure 3 représente une vue schématique, dans le plan x0z, d'une ailette 22 dans laquelle on a réalisé des découpes 30 telles qu'elles 20 puissent recevoir la barrette de CTP 23. La figure 4 est le même schéma que celui de la figure 3, mais avec la barrette de CTP 23 disposée dans les ailettes. La figure 5 est une vue en coupe partielle dans le plan yOz du faisceau 26 de la figure 2, sur laquelle on a représenté deux tubes 20 25 enserrant une partie d'une ailette 22. L'ailette 22 présente la découpe 30 sur celui de ses côtés qui est située du côté de l'air extérieur incident 3. La barrette 23 est disposée dans la découpe 30.

Dans une variante de réalisation qui est représentée sur la figure 5, l'ailette 22 présente une seconde découpe 31 sur le côté opposé au précédent, la découpe 31 recevant une seconde barrette de CTP 27. Ce mode d'insertion de la barrette de CTP 23 dans les ailettes 22 5 présente l'avantage d'être aisément adaptable à des modèles d'échangeurs existants, sans obliger à revoir la conception de l'échangeur. Sur la figure 2, on a représenté également des moyens de commande 25 de la barrette de CTP 23, connectés électriquement à des connexions 24 de la barrette 23, connexions auxquelles sont reliées par 10 exemple les bandes conductrices 61 et 62 de la figure 6. Les moyens de commande 25 assurent la mise en service des CTP 23 lorsqu'il est nécessaire de procéder au dégivrage du faisceau 26. A cet effet, ils reçoivent sur une entrée 28 le ou les paramètres indiquant qu'un givrage se produit. Les paramètres précédents peuvent être ceux (ou 15 dérivés de ceux) qui déclenchent le fonctionnement du ventilateur 2 (figure 1) lorsque celui-ci est piloté. On peut, par exemple, considérer comme paramètres la température du moteur de propulsion, les besoins de climatisation affichés, .... Ce peut être également les paramètres de fonctionnement de la boucle de la figure 1, notamment ceux qui permettent 20 le passage du mode climatisation au mode pompe à chaleur. Ils peuvent encore se réduire à des moyens de mesure de la température de l'air au voisinage de l'échangeur 1. Les figures 7, 8 et 9 sont des schémas illustrant différentes implantations possibles de barrettes de CTP dans le faisceau de 25 l'échangeur. Afin de dégivrer au mieux l'ensemble de l'échangeur de chaleur, il est avantageux de le chauffer de la façon la plus uniforme possible et, pour cela, d'utiliser une pluralité de barrettes de CTP telles que 23. Dans une première variante représentée sur la figure 7, 6 barrettes 30 23 sont disposées dans le faisceau 26, vu dans le plan x0z, formant 3 lignes parallèles à l'axe Ox, chaque ligne étant formée par deux barrettes. De plus, si L est la dimension du faisceau selon l'axe Oz, les lignes peuvent être distribuées de la façon suivante : la première ligne (barrettes 71 et 72) à L/6 du bord supérieur, la deuxième ligne (barrettes 73 et 74) à L/3 de la ligne précédente, et la troisième ligne (barrettes 75 et 76) à L/3 de la ligne précédente, et donc à L/6 du bord inférieur. Dans une deuxième variante représentée sur la figure 8, on retrouve une disposition en trois lignes comme sur la figure 7, mais ici chaque ligne est formée par une barrette unique, repérées respectivement dans l'ordre précédent, 81, 82 et 83. Une troisième variante, permettant une uniformisation du chauffage encore plus grande, est illustrée sur la figure 9: 6 barrettes de CTP 91 - 96 sont disposées non plus en vis-à-vis pour former trois lignes comme dans la figure 7, mais en quinconce, ou escalier.

Dans l'un ou l'autre des modes de réalisation, la section dans le plan x0z de la ou des barrettes CTP 23 sera avantageusement limitée à environ 5% de la surface totale du faisceau 26, et de préférence inférieure à 1`)/0 de cette surface totale.20

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Echangeur de chaleur (1) adapté pour fonctionner en évaporateur dans un dispositif de conditionnement thermique parcouru par un fluide réfrigérant, l'échangeur comportant au moins un faisceau (26) dans lequel circule le fluide réfrigérant, l'échangeur étant caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un élément chauffant (23), disposé au voisinage du faisceau (26) et apte à chauffer le faisceau.
2. 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'élément chauffant (23) comporte au moins une résistance électrique (60).
3. 3. Echangeur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la résistance électrique (60) est une thermistance à coefficient de température positif.
4. 4. Echangeur selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé par le fait que l'élément chauffant (23) comporte au moins une pluralité des résistances (60) montées en parallèle entre deux connexions électriques (61, 62), formant une barrette.
5. 5. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le faisceau (26) comporte des tubes (20) dans lesquels circule le fluide réfrigérant, et des ailettes (22) disposées entre les tubes (20), en contact thermique avec lesdits tubes (20).
6. 6. Echangeur selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'au moins l'une des barrettes (23) est portée par au moins l'une des ailettes (22).
7. 7. Echangeur selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il comporte une pluralité de barrettes portées par les ailettes (22).
8. 8. Echangeur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les barrettes sont disposées dans le faisceau (23) de sorte à assurer un chauffage sensiblement uniforme du faisceau.
9. 9. Dispositif de conditionnement thermique, caractérisé par le fait qu'il comporte un échangeur de chaleur (1) selon l'une des revendications précédentes, apte à fonctionner en évaporateur.
10. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de commande (25) de l'élément chauffant (23), assurant la mise en service de l'élément chauffant. 20