Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02638226 2008-08-01
MELANGEUR DE FLUIDE GAZEUX
La présente invention concerne un dispositif de mélange de fluide gazeux
applicable au domaine de l'aéronautique et/ou du transport terrestre et/ou
de la physique.
Plus particulièrement, la présente invention est destinée à fournir un
système de mélange et de distribution d'air, basse pression, aux aéronefs.
Généralement, un mélangeur se compose d'une cuve de mélange
pourvue de quatre entrées en sa partie inférieure et de plusieurs sorties
en sa partie supérieure par rapport à son axe central.
Ce type de mélangeur permet de mélanger des flux d'air chaud provenant
de la cabine d'un aéronef, par exemple, et des flux d'air froid prélevés à
l'extérieur de l'aéronef puis conditionnés en pression et en température,
par exemple, en vue d'obtenir des flux d'air à température ambiante
homogène dans la cabine et donc d'assurer la climatisation, en vue de
satisfaire un certain confort à l'intérieur dudit aéronef.
De manière plus précise, les entrées de flux d'air, d'un tel dispositif, sont
généralement tangentes à la paroi de la cuve afin d'engendrer un
mouvement tourbillonnaire du fluide à l'intérieur de cette dernière.
Les mélangeurs doivent répondre à certaines caractéristiques techniques
précises et indispensables, telles qu'une répartition homogène de la
température de l'air produit à ses différentes sorties, une perte de charge
fluidique minimale, ainsi qu'une faible nuisance sonore.
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De plus, le mélangeur doit pouvoir maintenir le fonctionnement de ses
caractéristiques essentielles lors d'une éventuelle panne d'un ventilateur
prévu aux entrées et/ou aux sorties, ou lors de l'obstruction de l'une de
ses sorties, par exemple.
Le brevet américain n US 4517813 concerne un système de
conditionnement d'air en cabine d'un aéronef pourvu d'un mélangeur d'air
fournissant un mélange thermique accéléré des flux d'air et permettant
une récupération des condensas d'eau, et/ou des particules de glace
io naissant au contact des flux d'air chaud et froid.
Le brevet européen n EP 0808273 divulgue un système d'alimentation en
air déshumidifié destiné à la climatisation des cabines d'aéronefs pourvu
d'un mélangeur d'air à séparateur d'eau et d'un système de commande
ts environnemental pour fournir cet air. Ce système comprend des moyens,
formant conduite d'air chaud, agencés de manière à faire circuler l'air
utilisé de la cabine plus chaud, initialement chargé en humidité, vers une
chambre de mélange, des moyens formant conduit d'air froid faisant
circuler l'air conditionné vers cette même chambre de mélange, d'un
20 moyen de collecte servant à collecter et à éliminer l'humidité de la
chambre, des moyens formant collecteur servant à orienter les courants
d'air déshumidifiés reliés vers la cabine.
Le brevet européen n EP 1188666 montre un système de climatisation
25 d'aéronef et un procédé pouvant être adapté à une utilisation dans des
zones, pressurisées ou non, et définissant une cloison étanche entre
elles. Plus précisément, le système de climatisation est pourvu d'une
soupape de coupure aérodynamique et d'un mélangeur conçu pour faire
tourbillonner l'écoulement d'air.
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Les inconvénients des dispositifs actuels sont, d'une part liés au régime
d'écoulement présent à l'intérieur de leur cuve et, d'autre part à leur
taille.
En effet, les dispositifs connus sont volumineux, parfois bruyants et de par
leur forme géométrique ainsi que les régimes d'écoulement impliqués
génèrent une perte de charge non négligeable, nécessitant un sur
dimensionnement des ventilateurs d'alimentation.
Le dispositif selon l'invention pallie aux inconvénients de l'art antérieur en
io proposant un encombrement réduit tout en assurant un excellent confort
des passagers ou de l'équipage d'un aéronef, par exemple. Le dispositif
selon l'invention permet une optimisation aéraulique, thermique et
acoustique des chambres de mélange basse pression.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients
précédemment évoqués et consiste pour cela en un dispositif de mélange
de fluide gazeux tel que de l'air, constitué d'une cuve, présentant un axe
central et pourvue de conduites d'entrée et de sortie, disposées de
manière à créer un mouvement tourbillonnaire ascendant dudit fluide à
l'intérieur de ladite cuve en vue d'assurer en sortie son homogénéité
thermique, caractérisé en ce que ladite cuve comporte au moins un
moyen d'amplification de mélange fluidique.
De préférence, le moyen d'amplification est disposé sur la partie inférieure
de la cuve de manière colinéaire ou sensiblement colinéaire à l'axe
central de ladite cuve. On entend dans la suite de la description
par inférieur et supérieur les adjectifs qualifiant les parties de la
cuve qui se trouvent à l'opposée l'une de l'autre selon la plus grande
extension de la cuve, et qui seront positionnées de la sorte en position
montée verticale de la cuve.
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De manière avantageuse, ledit moyen d'amplification est au moins une
conduite d'entrée comportant au moins un moyen d'obturation partielle de
son extrémité proximale.
En effet, ledit moyen d'obstruction partielle peut être constitué d'une partie
de la paroi de ladite conduite ou d'au moins un élément physique distinct.
Plus précisément, ledit élément physique est disposé à l'extrémité
proximale de ladite conduite d'entrée, pouvant être situé selon un
io diamètre et/ou une corde et/ou au moins deux directions radiales
distinctes de l'extrémité proximale de ladite conduite d'entrée.
Alternativement, ledit élément physique peut être disposé sur toute la
longueur et/ou la hauteur de ladite conduite.
En outre, ladite conduite comporte au moins un moyen de fermeture
réglable.
Le dispositif de mélange selon l'invention peut être pourvu d'une cuve
cylindrique ou rectangulaire ou ovoïde ou sphérique ou trapézoïdale.
De manière avantageuse, ladite cuve comprend des dispositifs
supplémentaires annexes à l'intérieur, tels un peigne et/ou un diaphragme
et/ou un ventilateur et/ou un accélérateur.
L'invention sera bien comprise à la lumière de la description qui suit, se
rapportant à des exemples illustratifs, et en aucun cas limitatifs, de la
présente invention, en référence aux dessins, ci-joints, dans lesquels :
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- la figure 1 est une représentation schématique partielle de face du
dispositif selon l'invention ;
- les figures 2 à 4 sont des vues partielles de face du dispositif selon
l'invention ;
5 - les figures 5 et 6 sont des vues partielles en perspective d'un
élément dudit dispositif selon l'invention.
Le dispositif selon l'invention concerne un mélangeur permettant
d'alimenter en air tous les réseaux, basse pression, d'un aéronef, par
to exemple, tout en régulant sa température de manière homogène.
La figure 1 est une représentation schématique partielle de face du
dispositif selon l'invention.
Un mélangeur 1 comporte généralement une cuve de mélange 2,
présentant un axe central, pourvue de conduites d'entrée et de conduites
de sortie, disposées de manière à créer un mouvement tourbillonnaire à
l'intérieur de ladite cuve.
2o De préférence, la cuve 2 du mélangeur selon l'invention, est pourvue
d'entrées 3 de flux en sa partie inférieure par rapport à son axe central et
de sorties 4 de flux en sa partie supérieure disposées de manière à créer
un mouvement tourbillonnaire ascendant du fluide à l'intérieur de ladite
cuve en vue d'assurer en sortie son homogénéité thermique.
Ainsi, il permet de mélanger:
- au moins une conduite d'entrée 3a de flux d'air chaud provenant
d'une cabine d'un aéronef, et
- au moins une conduite d'entrée 3b de flux d'air froid prélevé à
l'extérieur de l'aéronef et conditionné en pression et température,
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afin d'obtenir une climatisation en cabine et donc des conduites de
sortie 4 de flux d'air à température ambiante et homogène.
En vue de mélanger au mieux les flux d'air entrant, il est nécessaire de
créer un mouvement tourbillonnaire du fluide à l'intérieur de la cuve 2, et
donc de disposer les conduites d'entrée 3 de flux d'air en fonction du
mouvement du fluide souhaité à l'intérieur.
Selon une configuration préférée, certaines conduites d'entrée sont
io sensiblement tangentes à la paroi de ladite cuve de manière à créer ledit
mouvement tourbillonnaire.
De préférence, les conduites d'entrée peuvent être disposées selon un
angle compris entre la tangente et la perpendiculaire à la paroi de ladite
cuve.
De manière alternative, les conduites d'entrée 3 et de sortie 4 de flux d'air
peuvent prendre des orientations variables (angle souhaité par rapport à
l'axe central de ladite cuve).
Favorablement, les conduites d'entrée 3 et de sortie 4 sont disposées à
des hauteurs variables entre elles (entrée/entrée) et par rapport aux
autres (entrée/sorties).
Préférentiellement, le nombre, la disposition et la géométrie des conduites
d'entrée 3 et de sortie 4 sont variables.
Les conduites d'entrée 3 et/ou de sortie 4 peuvent être symétriques entre
elles par rapport à l'axe central de ladite cuve 2.
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De préférence, la cuve 2 possède le même nombre de conduite d'entrée
3 de flux d'air de chaque côté et pour les flux d'air chaud et froid.
Alternativement, les conduites d'entrée 3 peuvent être en nombre impair
d'un côté de ladite cuve 2 et en nombre pair de l'autre.
Selon une autre configuration, il peut être prévu que ladite cuve 2
contienne des conduites d'entrée 3a d'air chaud que d'un côté et les
conduites d'entrée 3b d'air froid du côté opposé par rapport à l'axe
io central.
Les sections, les diamètres et les dimensions des orifices et conduites
d'entrée 3 et de sortie 4 sont également variables et fonction du débit
souhaité dudit mélangeur 1.
Toutes les conduites d'entrée 3 et de sortie 4 peuvent être fermées ou
régulées en débit par au moins un moyen de fermeture réglable tel qu'une
vanne ou une bonde de fond ou tout autre de moyen de type connu en
soi.
Ladite cuve 2 est préférentiellement cylindrique, mais peut également être
rectangulaire, ovôide, sphérique, trapézoïdale etc.
La qualité du régime d'écoulement et des mélanges thermiques obtenue à
l'intérieur de ladite cuve 2 est fonction :
- de l'orientation et/ou des caractéristiques géométriques des conduites
d'entrée 3 du mélangeur selon l'invention mais également celles de sortie
4 du mélangeur 1; et
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- de l'interaction entre le mouvement du fluide à l'intérieur de la cuve 2 du
mélangeur 1 avec des structures tourbillonnaires stationnaires situées à
proximité des parois internes dudit mélangeur.
Le dispositif selon l'invention permet d'optimiser l'encombrement d'un
mélangeur, ayant subi ou non des modifications géométriques
(dimensions et nombre de conduite d'entrée et de sortie de flux d'air).
Le dispositif selon l'invention comprend donc une cuve 2 pourvue d'au
moins un moyen d'amplification 5 ou d'optimisation ou d'accélération des
io mélanges fluidiques ayant pour but une réduction de l'encombrement de
ladite cuve et donc dudit mélangeur 1.
Comme illustré à la figure 1, le dispositif selon l'invention comprend, de
préférence, des conduites d'entrée 3 tangentes et horizontales à la paroi
de la cuve 2.
Les figures 2 à 4 sont des vues partielles de face du dispositif selon
l'invention.
2o Ledit au moins un moyen d'amplification 5 des mélanges fluidiques est au
moins un moyen de communication supplémentaire vers
l'extérieur/intérieur de ladite cuve.
De manière avantageuse, ledit au moins moyen de communication
supplémentaire 5 se présente sous la forme d'au moins une conduite
d'entrée supplémentaire spécifique 3c, située sur la partie inférieure de
ladite cuve 2, de manière colinéaire ou sensiblement colinéaire, c'est-à-
dire dans le même axe que celui de l'écoulement tourbillonnaire
ascendant, à l'intérieur de ladite cuve.
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Il est entendu, par les termes sensiblement colinéaire une déviation
angulaire par rapport à l'axe central de ladite cuve de un à plusieurs
dizaines de degrés de ladite au moins une entrée spécifique 3c.
s Ainsi, ladite au moins une conduite d'entrée 3c de flux d'air colinéaire
disposée au niveau du fond de ladite cuve 2, permet une entrée de fluide
de manière axiale par rapport à l'axe central de ladite cuve.
A titre d'exemple illustratif, la conduite d'entrée colinéaire 3c et ladite
cuve
sont disposées verticalement par rapport à l'axe central de ladite cuve.
Avantageusement, ladite au moins une conduite d'entrée de flux d'air
colinéaire 3c comporte au moins un moyen d'obturation ou d'obstruction
partielle 6 du flux d'air entrant.
1s Par exemple, plus précisément, ladite au moins une conduite d'entrée de
flux d'air colinéaire 3c comprend en son extrémité proximale, apte à
coopérer avec un orifice 3d de ladite cuve 2 prévu à cet effet, au moins un
moyen d'obturation ou d'obstruction partielle 6 du flux d'air entrant.
II est entendu par extrémité proximale de ladite conduite 3c, l'extrémité la
plus proche de la paroi de ladite cuve 2; et par extrémité distale
l'extrémité la plus éloignée de la paroi de ladite cuve 2.
II est entendu par obstruction partielle, une obstruction, ou un élément
obstruant, divisant ou cloisonnant ou fractionnant l'extrémité proximale de
la conduite 3c (apte à coopérer avec l'orifice 3d de ladite cuve 2) ou une
obstruction fractionnant ladite conduite colinéaire 3c elle-même en
longueur et/ou en hauteur.
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La conduite d'entrée du flux colinéaire 3c peut être fermée ou régulée par
au moins un moyen de fermeture réglable (non représenté mais de type
connu en soi).
5 La configuration d'au moins une de ces conduites d'entrée colinéaires 3c
comportant au moins un moyen obstacle partiel 6 permet de modifier le
régime d'écoulement et ainsi de réduire la hauteur du mélangeur selon
l'invention d'au moins de 40% par rapport à la hauteur d'un mélangeur de
type connu.
En effet, le mouvement du fluide engendré par au moins un moyen
d'obstruction partielle 6 au niveau d'au moins une conduite d'entrée
colinéaire 3c des flux d'air avec au moins une autre conduite d'entrée 3 de
flux d'air sensiblement tangente à la paroi de ladite cuve (et donc
perpendiculaire à ladite au moins une conduite d'entrée colinéaire 3c)
provoque au moins deux sources de rotation fluidique à l'intérieur de la
cuve 2 du mélangeur 1 permettant ainsi d'améliorer ses caractéristiques
aéraulique, thermique voire acoustique.
2o Le mouvement subi par le fluide possède un effet tourbillonnaire,
caractérisé par l'existence d'au moins deux pôles de rotation. Ainsi les
structures tourbillonnaires stationnaires situées à proximité des parois
internes de la cuve 2 sont réduites ou dégradées.
Ce phénomène produit à l'intérieur de la cuve 2 permet d'optimiser les
mélanges et les échanges thermiques des flux d'air entrant afin que la
température des flux de sortie obtenus soit homogène tout en diminuant
le volume et la taille de la cuve et donc l'encombrement du mélangeur.
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Il
Le diamètre, la section, les dimensions et la géométrie de ladite au moins
une conduite d'entrée colinéaire 3c et dudit au moins un moyen
d'obstruction partielle 6 sont variables et sont fonction de la disposition et
du fonctionnement futurs dudit mélangeur 1.
Ladite au moins une conduite d'entrée de flux d'air colinéaire 3c
comportant ledit au moins un moyen d'obstruction partielle 6 est disposée
de manière variable, c'est-à-dire qu'elle peut être située sur toute la
surface du fond inférieur de la cuve 2. En d'autres termes, ledit au moins
io un moyen d'amplification 5 des mélanges fluidiques peut être translaté sur
le fond inférieur de la cuve 2 tout en étant toujours colinéaire à ladite cuve
2.
De manière avantageuse, ledit au moins un moyen d'amplification 5 des
mélanges fluidiques peut également posséder une orientation variable par
rapport à l'axe central de la cuve 2.
Les figures 5 et 6 sont des vues partielles en perspective d'un élément
dudit dispositif selon l'invention.
A titre d'exemple, les conduites d'entrée colinéaires 3c de flux d'air
peuvent être obstruées de manière partielle, par une partie de sa paroi, du
fait de leur forme géométrique spécifique ou de leur section ou leur
extrémité spécifique ou de leur disposition ou par la présence d'au moins
un élément physique interne distinct 7, de type connu en soi, permettant
d'obstruer une partie de l'extrémité de cette dernière.
Alternativement, ledit au moins un moyen d'obstruction partielle 6 peut
être représenté sous la forme de diaphragme ou un élément physique
3o interne 7, de forme sensiblement parallélépipédique ou ovoïde.
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Selon une autre variante, ledit au moins un moyen d'obstruction partielle 6
inclus dans au moins une conduite d'entrée colinéaire 3c comporte, de
préférence, une section rectangulaire.
De manière avantageuse, une conduite d'entrée colinéaire 3c peut
comporter plusieurs sortes de moyen d'obstruction partielle, c'est-à-dire
une obstruction ou un moyen d'obstruction 6 ayant une section occupant
le diamètre de l'extrémité de ladite conduite colinéaire 3c et/ou au moins
io une corde de cette dernière et/ou au moins deux directions radiales
distincts (ne formant pas un diamètre, mais deux quartiers, par exemple)
de ladite extrémité proximale ou au moins une partie quelconque de ladite
extrémité ou de ladite conduite d'entrée colinéaire 3c elle-même.
De manière alternative, ledit au moins un moyen d'obstruction partielle 6
peut se présenter sous la forme d'un élément physique 7 disposé sur
toute la longueur et/ou toute la hauteur et/ou la section de ladite conduite
colinéaire 3c.
zo La disposition et le nombre d'obstruction partielle des conduites d'entrée
colinéaires 3c sont fonction du débit d'air souhaité et des dimensions
voulues du dispositif selon l'invention.
Cette configuration de mélangeur selon l'invention, comprenant au moins
une conduite d'entrée de flux axiale 3c comportant au moins un moyen
d'obstruction partielle 6, engendre du fait de la disposition des autres
conduites d'entrée 3, perpendiculaire ou sensiblement perpendiculaire à
cette dernière, un double pôle de rotation qui interagit avec les structures
tourbillonnaires stationnaires situées à la proximité des parois internes de
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ladite cuve permettant une optimisation des échanges thermiques et
fluidiques tout en réduisant les dimensions de cette dernière.
Il est entendu par les termes sensiblement perpendiculaire, une déviation
angulaire par rapport à l'axe central de ladite cuve de un à plusieurs
dizaines de degrés de ladite au moins une entrée spécifique 3c.
En outre, le mélangeur, selon l'invention, permet de s'adapter aux
contraintes requises par l'aéronautique et/ou le transport terrestre,
notamment l'encombrement et l'acoustique.
De plus, le mélangeur selon l'invention comprenant au moins une
conduite d'entrée colinéaire 3c de flux d'air, incluant au moins un moyen
d'obstruction partielle 6, permet une diminution de la perte de charge
(jusqu'à 20%) qui se traduit par un gain énergétique entre les sections
d'entrée et de sortie de ladite cuve donc une puissance d'alimentation
moindre. En outre, les nuisances sonores sont moindres.
En outre, le mélangeur 1 permet de diminuer la puissance sonore produite
dans la cuve.
Des dispositifs supplémentaires annexes et connexes peuvent être prévus
à l'intérieur de la cuve 2, tels par exemple, au moins un peigne et/ou
diaphragme de turbulence (non représenté mais de type connu en soi).
De manière alternative, il peut être prévu également au moins un
ventilateur et/ou accélérateur de fluide aux conduites d'entrée 3 et/ou à
proximité des parois internes de la cuve 2 permettant d'augmenter ainsi la
vitesse du fluide.
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De plus, les propriétés fluidiques et thermiques restent inchangées en cas
de modification de la charge en sortie de cuve.
Le dispositif selon l'invention permet ainsi la climatisation de l'aéronef,
par
exemple, tout en diminuant de manière efficace son encombrement mais
également sa masse et les défaillances connues de l'art antérieur des
systèmes de distribution d'air basse pression en termes d'aéraulique, de
thermique, d'acoustique et d'énergie.
io De manière avantageuse, la qualité des mélanges obtenus est fonction de
l'obstruction de ladite au moins une conduite colinéaire et aussi de la
répartition des vitesses entres les entrées tangentes ou sensiblement
tangentes et ladite au moins une entrée colinéaire.
Alternativement, le dispositif selon l'invention peut mélanger un autre type
de fluide et être utilisé par exemple dans l'industrie du transport terrestre
(moteur à combustion interne), ou en physique et notamment pour les
échangeurs de chaleur.
