EP1003005B1 - Echangeur de chaleur combiné, en particulier pour véhicule automobile - Google Patents

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EP1003005B1 EP99122374A EP99122374A EP1003005B1 EP 1003005 B1 EP1003005 B1 EP 1003005B1 EP 99122374 A EP99122374 A EP 99122374A EP 99122374 A EP99122374 A EP 99122374A EP 1003005 B1 EP1003005 B1 EP 1003005B1
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heat exchanger
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condenser
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Valeo Thermique Moteur SA
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    • Y10S165/00—Heat exchange
    • Y10S165/916—Oil cooler

Definitions

  • the invention relates to a combined heat exchanger, in particular for a motor vehicle, according to the preamble of claim 1.
  • a combined heat exchanger is known from EP-A-0 361 358.
  • the two fluids are cooled by the same air flow which scans the beam.
  • the invention relates more particularly to a heat exchanger combined heat into which the bundle of tubes is divided in one part forming an oil cooler, the tubes of which are suitable to be covered by oil, and in one condenser part, the tubes of which are suitable for being traversed by a refrigerant.
  • the oil is typically of transmission oil, especially for a gearbox automatic speed of motor vehicle.
  • the condenser it is used to cool the refrigerant motor vehicle air conditioning system.
  • the cooling of the refrigerant and the transmission oil cooling are made by two separate exchangers, usually one parallel flow condenser and an oil exchanger, blade type, placed near the condenser.
  • the two fluids circulate at very high temperatures. different, that of oil being much higher than that refrigerant. These temperature differences significant are likely to generate phenomena of differential expansion which can damage the heat exchanger heat and lead to leaks.
  • the invention provides a solution to the above problems.
  • the combined heat exchanger of the invention comprises different tubes, that is to say that the tubes of the part condenser are adapted to the circulation of the refrigerant, while the oil cooler tubes are adapted to the circulation of the oil.
  • the bundle tubes are advantageously multichannel tubes.
  • the hydraulic diameter of the tubes of the part oil cooler is greater than hydraulic diameter tubes of the condenser part.
  • the number of channels tubes of the oil cooler part is lower to the number of channels of the condenser part tubes. it in other words, means that the tubes of the part oil cooler have fewer partitions than tubes of the condenser part. This increases the hydraulic diameter and thus significantly lower the pressure drop generated by the circulation of the oil in these tubes.
  • the bundle tubes are advantageously obtained by extrusion.
  • the tubes of the harness are connected to two manifolds each of which has a partition to isolate the oil circulating in the oil cooler and fluid refrigerant circulating in the condenser part.
  • the heat exchanger comprises barrier means between the tubes of the oil cooler part and the tubes of the condenser part.
  • the means forming a thermal barrier include a bundle tube, says “inactive tube” or “dead tube”, which is not traversed by no fluid and which opens out between double partitions of each of the manifolds.
  • the thermal barrier means comprise a region devoid of corrugated tabs, which extends between two adjacent tubes belonging respectively to the oil cooler part and to the condenser part.
  • the beam and the manifolds are assembled by brazing.
  • the combined heat exchanger of the invention can be produced using well-known exchanger technology brazed, such as that used for example in the production condensers.
  • the combined heat exchanger shown in Figure 1 includes a beam 10, also called a body, composed of a multiplicity of tubes 12 extending parallel to each other and between which are arranged corrugated inserts 14 forming cooling fins.
  • the ends of the tubes 12 open, at one end, into a manifold common 16 and, at another end, in another box common manifold 18. These two manifolds are of tubular configuration and extend parallel between they.
  • the different components of the heat exchanger i.e. the tubes 12, the fins and the manifolds 16 and 18 are metallic and joined together by brazing.
  • the bundle is divided into two parts, namely a part A forming an oil cooler and composed of tubes 12a and a part B forming a condenser and composed of tubes 12b.
  • the tubes 12a are suitable for being traversed by oil H, such as transmission oil for an automatic gearbox of a motor vehicle.
  • the tubes 12b are capable of being traversed by a refrigerant R of a motor vehicle air conditioning installation. It will be understood that these two fluids circulate in two different parts of the beam and are intended to be swept by the same flow of air which scans the beam 10.
  • the manifolds 16 and 18 have partitions respective insulators 20 and 22 to isolate from each other the two fluids.
  • the partition 20 divides the manifold 16 into a compartment 24 for oil (here at the top) and a compartment 26 for the refrigerant (here placed in lower part).
  • the partition 22 divides the manifold 18 into a compartment 28 for oil (here at the top) and a compartment 30 for the refrigerant (here placed in the lower part).
  • the oil to be cooled enters compartment 24 through a inlet tubing 32, then flows through the tubes 12a through a parallel flow to reach compartment 28. It then leaves compartment 28 via an outlet pipe 34.
  • the compartment 26 is itself divided into two parts, to namely an upper part 36 and a lower part 38, by a partition 40.
  • compartment 30 of the box collector 18 is divided into two parts, namely a upper part 42 and lower part 44, by a partition 46.
  • the refrigerant R enters the compartment 36 through a tube 48, circulates in part of the tubes 12b to reach compartment 42, then circulates in opposite direction to reach compartment 38. Then the refrigerant reaches compartment 44, circulating at again in reverse, and leaves the heat exchanger by an outlet pipe 50.
  • the fluid refrigerant R circulates alternately in a three passes.
  • partition walls 20 and 22 constitute thermal insulation since the oil H is at a temperature much higher than that of refrigerant R.
  • the tubes 12a and 12b are flat tubes multi-channel, obtained by extrusion from an alloy suitable metal, usually aluminum based.
  • each tube 12a ( Figure 2) has two channels 52 separated by a partition 54, while each tube 12b ( Figure 3) has four channels 56 separated by three partitions 58.
  • the tubes 12a and 12b have the same cross section exterior, which allows standardization of manufacturing, in the sense that the ends of the tubes are received in identical holes arranged in the boxes manifolds 16 and 18.
  • the tubes 12a and 12b have DH hydraulic diameters, DHa and DHb respectively.
  • DH 4S / P, in which S denotes the area of the internal section of the tube (expressed here in mm 2 ) and P the internal perimeter, again called “wet perimeter”, of the tube (here expressed in mm).
  • the tubes 12a and 12b thus have their own characteristics allowing them to be adapted respectively to cooling oil and cooling the refrigerant. Of causes tubes 12a to have fewer channels (and therefore fewer partitions) that the tubes 12b, the hydraulic diameter of the tubes 12a is increased, which allows lowering so significant pressure drop generated by the circulation of oil in tubes 12a.
  • the product DHa X DHb has a value which falls within an interval defined by the following inequality: 0.8mm 2 ⁇ DHa x DHb ⁇ 3.00 mm 2 .
  • insulating partitions 20 and 22 which, advantageously, can be double partitions.
  • FIG. 4 shows another embodiment of the invention with means forming thermal barrier between the tubes 12a and the tubes 12b.
  • the bundle 10 includes a inactive tube 12i, also called “dead tube”, which is not traversed by no fluid and which leads between a double partition 20 of the manifold 16 and a double partition 22 of the manifold 18.
  • a inactive tube 12i also called “dead tube”
  • the heat exchanger of Figure 5 has other means forming a thermal barrier.
  • the beam is laid out so as to include a region 60 devoid of corrugated tabs, which extends between parts A and B of the bundle, that is to say between two adjacent tubes 12a and 12b belonging to these two parts A and B.
  • the tubes 12a and 12b have each a length of 600 mm.
  • the hydraulic diameter DHa of each of the tubes 12a is equal to 1.6, while the diameter hydraulic DHb of each of the tubes 12b is equal to 1.313, the product DHa x DHb thus being equal to 2.1.

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Description

L'invention concerne un échangeur de chaleur combiné, en particulier pour véhicule automobile, selon le préambule de la revendication 1. Un tel échangeur est connu du EP-A-0 361 358.
Dans un échangeur de chaleur de ce type, les deux fluides sont refroidis par un même flux d'air qui balaie le faisceau.
L'invention concerne plus particulièrement un échangeur de chaleur combiné dans lequel le faisceau de tubes est divisé en une partie formant refroidisseur d'huile, dont les tubes sont propres à être parcourus par de l'huile, et en une partie formant condenseur, dont les tubes sont propres à être parcourus par un fluide réfrigérant.
Dans un tel échangeur de chaleur, l'huile est typiquement de l'huile de transmission, en particulier pour une boite de vitesse automatique de véhicule automobile. Quant au condenseur, il sert à refroidir le fluide réfrigérant d'une installation de climatisation de véhicule automobile.
A l'heure actuelle, le refroidissement du fluide réfrigérant et le refroidissement de l'huile de transmission sont effectués par deux échangeurs séparés, habituellement un condenseur à écoulement parallèle et un échangeur d'huile, du type à lames, placé à proximité du condenseur.
Il est connu par ailleurs, d'après le Modèle d'Utilité japonais n° 61-167202 de réaliser un échangeur de chaleur combiné comprenant une partie formant condenseur et une partie formant échangeur de chaleur. Cet échangeur de chaleur comprend un faisceau commun de tubes relié à deux boítes collectrices tubulaires.
La réalisation d'un échangeur de chaleur combiné, comportant une partie formant refroidisseur d'huile et une partie formant condenseur, pose de nombreux problèmes du fait que les deux fluides présentent des caractéristiques très différentes. Ainsi, la viscosité de l'huile est très supérieure à celle du réfrigérant et la perte de charge de l'huile est donc très élevée.
En outre, les deux fluides circulent à des températures très différentes, celle de l'huile étant très supérieure à celle du fluide réfrigérant. Ces différences de températures importantes sont susceptibles d'engendrer des phénomènes de dilatation différentielle pouvant endommager l'échangeur de chaleur et conduire à des fuites.
De plus, il peut arriver que le fluide réfrigérant soit échauffé par l'huile, ce qui conduit alors à une dégradation des performances de la partie condenseur.
L'invention vient apporter une solution aux problèmes ci-dessus.
Elle propose à cet effet un échangeur de chaleur combiné selon la revendication 1.
Ainsi, l'échangeur de chaleur combiné de l'invention comprend des tubes différents, c'est-à-dire que les tubes de la partie condenseur sont adaptés à la circulation du fluide réfrigérant, tandis que les tubes de la partie refroidisseur d'huile sont adaptés à la circulation de l'huile.
En outre, il est essentiel que le produit des diamètres hydrauliques respectifs DHa et DHb des tubes satisfasse à la relation d'inégalité précédente.
Il a été constaté en effet que lorsque le produit DHa x DHb est supérieur à 3,00 mm2, la puissance thermique échangée au niveau de chacun des deux fluides chute de manière significative. En outre, lorsque ce produit est inférieur à 0,8 mm2, la perte de charge du circuit d'huile augmente très fortement.
Les tubes du faisceau sont avantageusement des tubes multicanaux.
De préférence, le diamètre hydraulique des tubes de la partie refroidisseur d'huile est supérieur au diamètre hydraulique des tubes de la partie condenseur.
Il est particulièrement avantageux que le nombre des canaux des tubes de la partie refroidisseur d'huile soit inférieur au nombre des canaux des tubes de la partie condenseur. Cela signifie, en d'autres termes, que les tubes de la partie refroidisseur d'huile comprennent moins de cloisons que les tubes de la partie condenseur. Ceci permet d'augmenter le diamètre hydraulique et d'abaisser ainsi de façon importante la perte de charge générée par la circulation de l'huile dans ces tubes.
Les tubes du faisceau sont avantageusement obtenus par extrusion.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les tubes du faisceau sont reliés à deux boítes collectrices dont chacune comporte une cloison de séparation pour isoler l'huile circulant dans la partie refroidisseur d'huile et le fluide réfrigérant circulant dans la partie condenseur.
Compte tenu des différences de températures entre ces deux fluides, on a intérêt à utiliser des cloisons formant isolant thermique.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, l'échangeur de chaleur comprend des moyens formant barrière thermique entre les tubes de la partie refroidisseur d'huile et les tubes de la partie condenseur.
Ces moyens permettent de limiter les contraintes dues aux phénomènes de dilatation différentielle et d'empêcher un échauffement du fluide réfrigérant par l'huile, qui se trouve à une température très supérieure.
Dans une forme de réalisation de l'invention, les moyens formant barrière thermique comprennent un tube du faisceau, dit "tube inactif" ou "tube mort", qui n'est parcouru par aucun fluide et qui débouche entre des doubles cloisons de chacune des boítes collectrices.
Dans une autre forme de réalisation de l'invention, dans laquelle des intercalaires ondulés sont prévus entre les tube du faisceau, les moyens formant barrière thermique comprennent une région dépourvue d'intercalaires ondulés, qui s'étend entre deux tubes adjacents appartenant respectivement à la partie refroidisseur d'huile et à la partie condenseur.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le faisceau et les boítes collectrices sont assemblés par brasage.
Ainsi, l'échangeur de chaleur combiné de l'invention peut être réalisé selon la technologie bien connue des échangeurs brasés, telle que celle utilisée par exemple dans la réalisation des condenseurs.
Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère au dessin annexé, sur lequel :
  • la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un échangeur de chaleur combiné selon une première forme de réalisation de l'invention ;
  • la figure 2 est une vue en coupe, à échelle agrandie, d'un tube de la partie refroidisseur d'huile ;
  • la figure 3 est une vue en coupe, à échelle agrandie, d'un tube de la partie condenseur ;
  • la figure 4 est une vue partielle en coupe longitudinale d'un échangeur combiné selon une deuxième forme de réalisation de l'invention ; et
  • la figure 5 est une vue partielle en coupe longitudinale d'un échangeur de l'échangeur de chaleur combiné selon une troisième forme de réalisation selon l'invention.
L'échangeur de chaleur combiné représenté à la figure 1 comprend un faisceau 10, encore appelé corps, composé d'une multiplicité de tubes 12 s'étendant parallèlement entre eux et entre lesquels sont disposés des intercalaires ondulés 14 formant ailettes de refroidissement. Les extrémités des tubes 12 débouchent, à une extrémité, dans une boíte collectrice commune 16 et, à une autre extrémité, dans une autre boíte collectrice commune 18. Ces deux boítes collectrices sont de configuration tubulaire et s'étendent parallèlement entre elles.
Les différents composants de l'échangeur de chaleur, c'est-à-dire les tubes 12, les ailettes et les boítes collectrices 16 et 18 sont métalliques et assemblés entre eux par brasage.
Le faisceau est divisé en deux parties, à savoir une partie A formant refroidisseur d'huile et composée de tubes 12a et une partie B formant condenseur et composée de tubes 12b. Les tubes 12a sont propres à être parcourus par de l'huile H, telle que de l'huile de transmission pour une boíte de vitesses automatique de véhicule automobile. Les tubes 12b sont propres à être parcourus par un fluide réfrigérant R d'une installation de climatisation de véhicule automobile. On comprendra que ces deux fluides circulent dans deux parties différentes du faisceau et sont destinés à être balayés par un même flux d'air qui balaie le faisceau 10.
Les boítes collectrices 16 et 18 comportent des cloisons isolantes respectives 20 et 22 pour isoler l'un de l'autre les deux fluides.
La cloison 20 divise la boíte collectrice 16 en un compartiment 24 pour l'huile (ici placé en partie supérieure) et un compartiment 26 pour le fluide réfrigérant (ici placé en partie inférieure). De façon correspondante, la cloison 22 divise la boíte collectrice 18 en un compartiment 28 pour l'huile (ici placé en partie supérieure) et un compartiment 30 pour le fluide réfrigérant (ici placé en partie inférieure).
L'huile à refroidir pénètre dans le compartiment 24 par une tubulure d'entrée 32, circule ensuite dans les tubes 12a par un écoulement parallèle pour gagner le compartiment 28. Elle quitte ensuite le compartiment 28 par une tubulure de sortie 34.
Le compartiment 26 est lui-même divisé en deux parties, à savoir une partie supérieure 36 et une partie inférieure 38, par une cloison 40. De même, le compartiment 30 de la boíte collectrice 18 est divisé en deux parties, à savoir une partie supérieure 42 et une partie inférieure 44, par une cloison 46. Le fluide réfrigérant R pénètre dans le compartiment 36 par une tubulure 48, circule dans une partie des tubes 12b pour gagner le compartiment 42, puis circule en sens inverse pour gagner le compartiment 38. Ensuite, le fluide réfrigérant gagne le compartiment 44, en circulant à nouveau en sens inverse, et quitte l'échangeur de chaleur par une tubulure de sortie 50. Ainsi, dans cet exemple, le fluide réfrigérant R circule de façon alternée selon un mode en trois passes.
Il est important que les cloisons de séparation 20 et 22 constituent une isolation thermique étant donné que l'huile H se trouve à une température très supérieure à celle du fluide réfrigérant R.
Les tubes 12a et 12b (figures 2 et 3) sont des tubes plats multi-canaux, obtenus par extrusion à partir d'un alliage métallique approprié, généralement à base d'aluminium.
Dans l'exemple, chaque tube 12a (figure 2) comporte deux canaux 52 séparés par une cloison 54, alors que chaque tube 12b (figure 3) comporte quatre canaux 56 séparés par trois cloisons 58.
Toutefois, les tubes 12a et 12b ont la même section transversale extérieure, ce qui permet une standardisation de fabrication, en ce sens que les extrémités des tubes sont reçues dans des trous identiques aménagés dans les boítes collectrices 16 et 18.
Les tubes 12a et 12b ont des diamètres hydrauliques DH, respectivement DHa et DHb.
On rappellera ici que le diamètre hydraulique DH d'un tube est défini par la formule DH = 4S/P, dans laquelle S désigne l'aire de la section interne du tube (exprimée ici en mm2) et P le périmètre interne, encore appelé "périmètre mouillé", du tube (ici exprimé en mm).
Les tubes 12a et 12b ont ainsi des caractéristiques propres permettant de les adapter respectivement au refroidissement de l'huile et au refroidissement du fluide réfrigérant. Du fait que les tubes 12a ont moins de canaux (et donc moins de cloisons) que les tubes 12b, le diamètre hydraulique des tubes 12a est augmenté, ce qui permet d'abaisser de façon importante la perte de charge générée par la circulation de l'huile dans les tubes 12a.
Conformément à l'invention, le produit DHa X DHb présente une valeur qui tombe dans un intervalle défini par l'inégalité suivante : 0,8 mm2 ≤ DHa x DHb ≤ 3,00 mm2.
Lorsque cette inégalité est respectée, on obtient un échangeur de chaleur combiné dans lequel la puissance thermique échangée au niveau de chacun des deux fluides est optimale, tout en limitant la perte de charge du circuit d'huile.
Comme indiqué précédemment, du fait que les tubes 12a et 12b sont parcourus par des fluides à des températures différentes, des phénomènes de dilatation différentielle risquent d'apparaítre et d'engendrer des contraintes, notamment au niveau des joints de brasure entre les tubes et les boítes collectrices.
Dans la forme de réalisation de la figure 1, on prévoit des cloisons 20 et 22 particulièrement isolantes qui, avantageusement, peuvent être des doubles cloisons.
On se réfère maintenant à la figure 4 qui montre une autre forme de réalisation de l'invention avec des moyens formant barrière thermique entre les tubes 12a et les tubes 12b.
Dans cette forme de réalisation, le faisceau 10 comporte un tube inactif 12i, encore appelé "tube mort", qui n'est parcouru par aucun fluide et qui débouche entre une double cloison 20 de la boíte collectrice 16 et une double cloison 22 de la boíte collectrice 18.
L'échangeur de chaleur de la figure 5 comporte d'autres moyens formant barrière thermique. Pour cela, le faisceau est aménagé de manière à comporter une région 60 dépourvue d'intercalaires ondulés, qui s'étend entre les parties A et B du faisceau, c'est-à-dire entre deux tubes adjacents 12a et 12b appartenant à ces deux parties A et B.
Dans un exemple de réalisation, les tubes 12a et 12b ont chacun une longueur de 600 mm. Le diamètre hydraulique DHa de chacun des tubes 12a est égal à 1,6, tandis que le diamètre hydraulique DHb de chacun des tubes 12b est égal à 1,313, le produit DHa x DHb étant ainsi égal à 2,1.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites précédemment et s'étend à d'autres variantes.

Claims (11)

  1. Echangeur de chaleur combiné comportant un faisceau (10) de tubes (12) reliés à des boites collectrices (16, 18) et divisé en une partie (A) formant un refroidisseur d'huile dont les tubes (12a) sont propres à être parcourus par un premier fluide, à savoir de l'huile (H), d'une part, et en une partie (B) dont les tubes (12b) sont propres à être parcourus par un second fluide, d'autre part, les tubes (12a) de la partie (A) et les tubes (12b) de la partie (B) étant différents,
    caractérisé en ce que la partie (B) est un condenseur dont les tubes (12b) sont propres à être parcourus par un fluide réfrigérant (R) et en ce que les tubes (12a) de la partie refroidisseur d'huile (A) et les tubes (12b) de la partie condenseur (B) possèdent des diamètres hydrauliques respectifs (DHa, DHb) liés par les inégalités suivantes :
    Figure 00100001
    où le diamètre hydraulique (DH) d'un tube est défini par la formule DH = 4S/P, dans laquelle S désigne l'aire de la section du tube, exprimée en mm2, et P le périmètre interne, ou "périmètre mouillé", du tube, exprimé en mm).
  2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte seulement deux boítes collectrices (16, 18).
  3. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les tubes (12a, 12b) du faisceau (10) sont des tubes multi-canaux.
  4. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le nombre de canaux (52) des tubes (12a) de la partie refroidisseur d'huile (A) est inférieur au nombre de canaux (56) des tubes (12b) de la partie condenseur (B).
  5. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les tubes (12a, 12b) du faisceau sont obtenus par extrusion.
  6. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les boítes collectrices (16, 18) comportent chacune une cloison de séparation (20, 22) pour isoler l'huile (H) circulant dans la partie refroidisseur d'huile (A) et le fluide réfrigérant (R) circulant dans la partie condenseur (B).
  7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que des moyens formant barrière thermique sont prévus entre les tubes (12a) de la partie refroidisseur d'huile (A) et les tubes (12b) de la partie condenseur (B).
  8. Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens formant barrière thermique comprennent un tube (12i) du faisceau, dit "tube inactif" ou "tube mort", qui n'est parcouru par aucun fluide et qui débouche entre des doubles cloisons (20, 22) de chacune des boítes collectrices (16, 18).
  9. Echangeur de chaleur selon la revendication 7, dans lequel de intercalaires ondulés (14) sont prévus entre les tubes du faisceau, caractérisé en ce que les moyens formant barrière thermique comprennent une région (60) dépourvue d'intercalaires ondulés, qui s'étend entre deux tubes adjacents (12a, 12b) appartenant respectivement à la partie refroidisseur d'huile et à la partie condenseur.
  10. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le faisceau (10) de tubes (12) et les boítes collectrices (16, 18) sont assemblés par brasage.
  11. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le premier échangeur est un refroidisseur d'huile de transmission de boíte de vitesse automatique.
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