Les nouvelles techniques de conception permettent de réduire l'utilisation du cuivre de 40 % tout en diminuant la demande d'électricité et en augmentant l'efficacité.
Les températures plus élevées au printemps et en été et l'augmentation du niveau de vie dans les économies en développement entraînent une hausse de la demande mondiale d'équipements de climatisation domestique. Dans le même temps, les nouvelles normes d'efficacité énergétique et les modifications des réglementations visant à réduire l'impact des réfrigérants sur le réchauffement de la planète obligent les principaux fabricants d'équipements de climatisation à revoir la conception de nombre de leurs produits afin de répondre aux nouvelles attentes des consommateurs et des pouvoirs publics. Si la croissance du marché de la climatisation a ouvert de nouvelles perspectives, elle a également suscité une nouvelle vague d'innovation.
Aux États-Unis, Friedrich Air Conditioning fournit des climatiseurs individuels qui sont installés dans les fenêtres pour offrir un soulagement rapide des températures élevées et de l'humidité. Dans ces unités, un ventilateur souffle de l'air froid dans la pièce et évacue l'air chaud vers l'extérieur. Des échangeurs de chaleur utilisant des tubes en cuivre pour contenir des réfrigérants à haute pression se chargent de rendre l'air froid ou chaud. Grâce aux nouvelles technologies, l'International Copper Association (ICA) a contribué à la reconfiguration de l'échangeur de chaleur à air chaud (le condenseur) des climatiseurs de fenêtre Friedrich afin d'en améliorer l'efficacité et d'utiliser moins de tubes de cuivre et d'ailettes en aluminium, ce qui les rend plus légers et plus faciles à manipuler.
Les nouveaux modèles d'échangeurs de chaleur haute performance utilisent jusqu'à 47 % de cuivre en moins, 45 % de réfrigérant en moins et peuvent atteindre une efficacité énergétique jusqu'à 6 % supérieure pour réduire la demande d'électricité. Ces améliorations sont possibles en modifiant le diamètre du tube de cuivre de 7,94 mm à 5 mm. Bien que cela puisse sembler facile, d'autres modifications sont nécessaires au-delà d'un simple changement de diamètre.
En collaboration avec les ingénieurs d'Optimized Thermal Systems, Inc. (OTS) et Friedrich, l'ICA a approfondi les aspects techniques pour évaluer la conception. L'équipe d'OTS note qu'au moins trois détails techniques importants sont nécessaires pour permettre la modification : un logiciel avancé simulant le fonctionnement des échangeurs de chaleur, des rainures hélicoïdales à l'intérieur des petits tubes, et une méthode d'assemblage utilisant de l'air sous pression pour dilater les composants les uns dans les autres.
Un logiciel avancé de conception d'échangeurs de chaleur développé au Centre d'ingénierie de l'énergie environnementale de l'Université du Maryland utilise des "algorithmes génétiques" pour élaborer des conceptions idéales. Avec le soutien de l'ICA, les récentes améliorations apportées au logiciel ont permis d'étendre ses capacités de conception aux tubes de petit diamètre. L'équipe de conception a déterminé les conditions de fonctionnement importantes et les contraintes de fabrication, puis a utilisé ce raccourci logiciel pour explorer toutes les possibilités de conception et leurs performances, sans construire aucun composant physique.
Le cuivre est un conducteur de chaleur extraordinaire, mais l'utilisation de surfaces lisses à l'intérieur et à l'extérieur d'un tube de cuivre ne suffit pas toujours à assurer un transfert de chaleur optimal. L'échangeur de chaleur remanié nécessite un tube dont les performances de transfert de chaleur sont quatre à cinq fois supérieures à celles d'un tube lisse. Les performances nécessaires sont obtenues en formant de minuscules crêtes trapézoïdales à l'intérieur du tube et en ajoutant des ailettes conçues avec précision à l'extérieur.
Le dernier détail technique consiste à assembler les tubes et les ailettes extérieures afin de créer un excellent chemin pour la circulation de la chaleur. Le tube de cuivre est gonflé dans les ailettes à l'aide d'air sous pression. Cette opération d'assemblage précise se fait en quelques secondes.
Les technologies avancées à base de cuivre permettent l'innovation dans l'industrie de la climatisation. La même approche adoptée par Friedrich est mise en œuvre par d'autres grands fabricants dans le monde entier. Hal Stillman, directeur du développement et du transfert de technologie pour l'ICA, résume la situation : "Dans un geste inattendu, l'industrie du cuivre fait la promotion d'une technologie utilisant moins de cuivre. Cette promotion non conventionnelle souligne l'engagement de l'industrie en faveur du développement durable, car l'utilisation de moins de cuivre, dans ce cas, se traduit par une plus grande efficacité et une réduction de la demande d'électricité."