EP1903293A2 - Echangeur de chaleur de type liquide/gaz, notamment pour un équipement de climatisation de véhicule automobile utilisant un fluide réfrigérant opérant à l'état supercritique tel que CO2 - Google Patents

Echangeur de chaleur de type liquide/gaz, notamment pour un équipement de climatisation de véhicule automobile utilisant un fluide réfrigérant opérant à l'état supercritique tel que CO2 Download PDF

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EP1903293A2
EP1903293A2 EP07116262A EP07116262A EP1903293A2 EP 1903293 A2 EP1903293 A2 EP 1903293A2 EP 07116262 A EP07116262 A EP 07116262A EP 07116262 A EP07116262 A EP 07116262A EP 1903293 A2 EP1903293 A2 EP 1903293A2
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EP
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heat exchanger
fluid
exchanger
heat
tubes
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Carlos Martins
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Valeo Systemes Thermiques SAS
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Valeo Systemes Thermiques SAS
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    • F28D2021/0073—Gas coolers

Definitions

  • the invention relates to heat exchangers of the liquid / gas type, especially for air conditioning equipment of a motor vehicle.
  • It relates more particularly (but without limitation) heat exchangers for air conditioning circuits using a refrigerant such as carbon dioxide (CO 2 ) operating in the supercritical state, that is to say where the fluid remains mostly in the gaseous state in the air conditioning circuit.
  • a refrigerant such as carbon dioxide (CO 2 ) operating in the supercritical state, that is to say where the fluid remains mostly in the gaseous state in the air conditioning circuit.
  • Such a circuit essentially comprises a compressor, a gas cooler, an internal heat exchanger, a pressure reducer, an evaporator and an accumulator.
  • the gas cooler which replaces the condenser of conventional air conditioning circuits, is arranged to cool the gaseous refrigerant fluid by heat exchange with either the ambient air (air / gas type heat exchanger) or with the engine coolant. (heat exchanger type lidquide / gas).
  • the invention relates more specifically to the heat exchangers of the liquid / gas type, also called “water / gas exchanger” or Water / Gas Cooler (“WGC”), equipping such circuits.
  • liquid / gas type also called “water / gas exchanger” or Water / Gas Cooler (“WGC”)
  • the cooling of the gas is generally operated on several stages, each with a specific liquid / gas heat exchanger.
  • FR-A-2,875,743 (Valeo Thermal Systems) thus describes an air conditioning circuit where a gaseous refrigerant such as CO 2 is cooled by a succession of three exchangers operating respectively at high temperature (80 to 100 ° C, typically 90 ° C), low temperature (50 ° C). at 70 ° C, typically 60 ° C) and at very low temperatures (30 to 60 ° C, typically 50 ° C).
  • These three heat exchangers are supplied with heat transfer liquid by different fluid circulation loops, with specific temperatures and flow rates at each stage of the gas cooler.
  • the air conditioning circuits using CO 2 as a refrigerant fluid are more complex to achieve, particularly in terms of mechanical resistance, given the fluid pressures that can reach values, up to 450 bar, much higher than the pressures usually encountered in conventional air conditioning systems using phase change fluids such as fluorinated compounds.
  • phase change fluids such as fluorinated compounds.
  • the problem that the invention aims to solve is that of reducing the size of the liquid / gas heat exchanger, to make it possible to facilitate the installation of the gas cooler under the hood of the vehicle in a maximum of possible architectures. to be encountered, in particular to bring the gas cooler closer to the compressor or the evaporator, and to reduce the lengths of gas pipes.
  • Another object of the invention is to make it possible to fix the exchanger on the engine or on the compressor, a configuration which has the particular advantage of allowing the use of rigid pipes in the most heat-stressed zone between the compressor. and gas cooler.
  • Another object of the invention is to allow the integration in the same functional block not only of the liquid / gas heat exchanger ("WGC”) cooling the gas output of the compressor, but also the exchanger internal gas / gas heat of the cooling circuit.
  • This internal heat exchanger also called “IHX” (In ternal Heat eXchanger ) is in fact arranged in the circulation loop of the refrigerant gas just downstream of the cooler WGC (hot circuit) and upstream of the compressor (Cold circuit), so that it would be advantageous to be able to mechanically and functionally combine the gas cooler WGC and the internal heat exchanger IHX so as to eliminate the lengths of connections between exchangers and minimize the length of connection to the compressor.
  • Yet another object of the invention is to allow the realization of a liquid / gas type heat exchanger which is, in practice, as compact and provides the same performance as an air / gas heat exchanger.
  • the liquid / gas exchangers proposed so far were indeed, at equal performance, generally more bulky than an air / gas exchanger, which made them prefer despite their disadvantages, in particular the need for long lengths of high gas tubes.
  • pressure to connect to the rest of the circuit the air / gas exchanger mounted on the front of the vehicle to allow satisfactory cooling). In the case of rigid tubes, these connections are expensive and difficult to decouple from the engine; in the case of flexible connections, these are very thermally and mechanically stressed.
  • a liquid / gas type exchanger does not need to be mounted on the front panel and can therefore be fixed close to the motor or compressor, with rigid pipes in the most thermally and mechanically stressed areas. .
  • the invention proposes a heat exchanger between a first fluid and a second fluid of the known type described in FIG. FR-A-2,852,383 above, that is to say comprising an interior space and a bundle of tubes provided in said interior space, in which the first fluid circulates and is cooled by the second fluid, and wherein the second fluid is introduced into the heat exchanger through an inlet pipe and discharged through an outlet pipe and occupies the interior space of the heat exchanger (will be understood as “space inside the exchanger "the space between, on the one hand, the tubes used to convey the first fluid and, on the other hand, the outer walls or the envelope of the heat exchanger).
  • a heat exchanger considered as such, which does not intrinsically include the collector or boxes conventionally serving as an inlet and outlet chamber for one of the fluids .
  • the heat exchanger defines at least two passes for the second fluid ("pass" means the path of a fluid in one direction).
  • the fluid circulates within the heat exchanger (which extends generally in a plane) in two directions and following two distinct paths, these two directions of circulation being usually - but not necessarily - opposite the one to another.
  • the fluid flows in the plane defined by the exchanger with two directions of circulation and three paths.
  • the number of passes is related to the number of changes in fluid flow direction.
  • a two-pass fluid has a change of direction while a three-pass fluid has two changes in direction of flow.
  • the heat exchanger can further define at least two passes also for the first fluid.
  • the first fluid is a gas and the second fluid is a liquid
  • WGC liquid / gas heat exchanger
  • the interior space comprises at least two housings, each of the housings enclosing a plurality of tubes and delimiting a pass for the first fluid
  • housing means an outer casing for the heat exchanger.
  • the walls of this envelope may be formed in part by one or collector box walls (s) attached (s) to the heat exchanger).
  • the two casings may have a common wall, in particular parallel to the tube bundle, which comprises at least one orifice for placing the internal space of the two casings in communication.
  • the heat exchanger may comprise collecting boxes, disposed at the ends of the bundle, capable of assembling and placing the tubes of the bundle in communication at their ends, these collecting boxes being adapted to be further connected to a circulation circuit of the first fluid.
  • a heat exchange module comprising at least two adjacent heat exchangers as defined above according to the first aspect of the invention, with a first heat exchanger and a second heat exchanger.
  • One of the heat exchangers is connected to an inlet pipe and the other heat exchanger is connected to an outlet pipe, these two pipes being adapted to be placed in communication with a circuit of the second fluid.
  • the two heat exchangers have a common wall extending parallel to the tube bundle and having at least one orifice for communicating the internal space of the first heat exchanger with the internal space of the second heat exchanger.
  • the fluid inlet and outlet pipes are disposed at the same respective end of the first heat exchanger and the second heat exchanger, the port (s) being placed in communication with each other. disposed in the region of the opposite end of the first heat exchanger and the second heat exchanger.
  • each heat exchanger comprises a casing with two side walls facing each other between which the tube bundle extends transversely, and in that the transverse dimension separating these walls is substantially the same as that of the bundle of tubes. tubes, except for enlarged side regions in the vicinity tubing and (s) the port (s) of communication.
  • the side walls and the bundle of tubes can then be brazed together in particular in the region where the transverse dimension separating these walls is substantially the same as that of the bundle of tubes.
  • the manifolds are formed of a superposition of plates alternately forming fluid passage and spacer for the selective distribution of the first fluid in the various tubes of the bundle, and the wall common to both exchangers comprises in the longitudinal direction.
  • said at least two adjacent heat exchanger modules are two main heat exchangers forming a first heat exchanger stage, and at least two adjoining auxiliary heat exchangers are provided forming a second heat exchanger stage, distinct from the first stage exchanger and mounted adjacent to it.
  • the collector boxes of the first and second exchanger stages are interconnected successively in series so as to allow the circulation of the first fluid successively in the first and the second exchanger stage.
  • the device of the invention further includes an internal heat exchanger stage.
  • This comprises a stack of elongate multi-channel tubes, these tubes being joined and stacked alternately in two sets of nested tubes, with a first series of tubes connected to the outlet of the heat exchanger (s) so as to be traveled by the first high pressure fluid delivered by this (these) heat exchanger (s), and a second series of tubes adapted to be connected to a low pressure branch of the first fluid circuit so as to be traversed by the first fluid cold circulating in this branch.
  • the internal exchanger stage may advantageously be configured adjacent to the assembly formed by the first and second heat exchange stages.
  • This internal exchanger stage can comprise in particular collecting boxes arranged at the opposite ends of the stack of tubes, able to join and connect at their ends the respective tubes of the two series of tubes and to selectively distribute the first fluid, these boxes. collectors further comprising means for connecting to the circuit of the first fluid.
  • manifolds are preferably arranged in alignment with the manifolds of the first and second heat exchanger heat exchangers.
  • They can also be connected in series with the collector boxes of the heat exchangers of the first and second heat exchanger stages so as to allow the supply of the internal exchanger stage by the hot fluid at high pressure delivered directly by the first and second stages heat exchangers.
  • an air conditioning equipment for a motor vehicle comprising a heat exchanger, or a heat exchange module, as defined above.
  • Figure 1 is a diagram showing the various elements of a motor vehicle air conditioning system using a refrigerant operating in the supercritical state such as CO 2 .
  • Figure 2 is a perspective view of a double liquid / gas heat exchanger according to the invention.
  • FIG. 3 is a front view of the exchanger of FIG. 2, illustrating in particular the flow directions of the gas and liquid circuits.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the exchanger of FIG. 2.
  • Figure 5 is a side view in section, along V-V of Figure 3, at the passages of communication of the water circuits of the various modules.
  • Figure 6 is a perspective view of a double liquid / gas heat exchanger of the type illustrated in Figure 2, further associated with an internal heat exchanger disposed in the same functional unit.
  • FIG. 7 is an exploded perspective view of the internal heat exchanger of the assembly of FIG. 6.
  • Figure 8 is a plan view, in section, of the heat exchanger at the high pressure hot circuit.
  • Figure 9 is a plan view, in section, of the heat exchanger at the low pressure cold circuit.
  • FIG. 1 illustrates a motor vehicle air conditioning circuit using a refrigerant fluid operating in the supercritical state, such as CO 2 , where the temperature of the coolant is lowered by heat exchange with the engine coolant.
  • a refrigerant fluid operating in the supercritical state such as CO 2
  • the circuit comprises a compressor 10, for example an externally controlled compressor controlled by a control electronics 12.
  • Compressed refrigerant gas G then passes through a gas cooler 14 comprising one or more successive exchangers, namely three exchangers WGC1, WGC2 and WGC3 mounted in series in the example shown.
  • the refrigerant gas G passes through an internal exchanger IHX referenced 16, then is expanded in a pressure reducer 18, for example an expansion valve controlled also by the control electronics 12.
  • the gas thus relaxed is led to an exchanger 20 performing the same function as the evaporator of a conventional refrigerant phase change air conditioning circuit, then to an accumulator 22 and the internal exchanger 16, before being recycled to the compressor 10.
  • the gas cooler 14 comprises for example, as illustrated in FIG. 1, a series of three exchangers WGC1, WGC2 and WGC3 operating respectively at high temperature, low temperature and very low temperature.
  • the first exchanger WGC1 is a water / gas exchanger using as a cold source the engine coolant, which here constitutes the heat transfer liquid L flowing in the water side exchanger. This liquid is usually water with antifreeze (brine) or liquid similar.
  • the low temperature heat exchanger WGC2 also uses the engine coolant L as a cold source via a loop distinct from the loop feeding the exchanger WGC1.
  • the very low temperature heat exchanger WGC3 can also use as cooling source the coolant of the engine L, via a loop distinct from the loop feeding the exchanger WGC1, or operate by contact with ambient air taken from outside the engine. vehicle.
  • the third stage WGC3 of the cooler can be omitted, the coolant then simply being cooled by two exchangers both traversed by the engine coolant.
  • the high temperature is usually of the order of 80 to 100 ° C (typically 90 ° C), the low temperature of the order of about 50 to 70 ° C (typically 60 ° C), and the very low temperature of the order of 30 to 60 ° C (typically 50 ° C) in the case of a water / gas exchanger using the engine coolant, or a temperature depending on the ambient air in the case of an air exchanger / gas (the "temperature” being understood as the temperature of the coolant circulating in the water / gas heat exchanger).
  • the invention relates more particularly to the mechanical production of low temperature exchangers WGC2 and / or very low temperature WGC3.
  • exchanger block of the invention can also be integrated into an assembly comprising other members of the circuit of the air conditioning equipment.
  • the reference 24 generally denotes a unitary unit grouping together the two exchangers WGC2 and WGC3 operating respectively at low and very low temperatures.
  • This unit block 24 comprises a gas inlet 26 receiving the refrigerant gas G after it has been cooled by the very high temperature exchanger WGC1., And a gas outlet 28 delivering the gas cooled by the exchangers WGC2 and WGC3 to the internal exchanger 16 for expansion and recycling to the compressor.
  • the low temperature heat exchanger WGC2 consists of two superposed cooler modules 30, 40, of similar external dimensions.
  • the upper module 30 is provided with a pipe 32 for the outlet of the heat-transfer liquid L, and the lower module 40 for a pipe 42 for the admission of the coolant L.
  • the very low temperature heat exchanger WGC3 consists of two superposed cooler modules 30 ', 40', of external dimensions similar to each other and similar to those of the modules 30 and 40.
  • the upper module 30 ' is provided with a tube 32 the heat transfer liquid L, and the lower module 40 'of a tube 42' for admission of the coolant L.
  • each of the modules comprises a bundle of flat elongated multichannel tubes traversed by the refrigerant gas.
  • the upper module 30 of the exchanger WGC2 thus includes a beam referenced 34, and the lower module 40, a beam referenced 44.
  • the modules 30 'and 40' of the exchanger WGC2 have an identical structure.
  • the tubes of the bundles 34, 44 are of the multichannel type, pierced internally by a multiplicity of parallel channels traversed by the refrigerant gas under pressure.
  • the different multichannel tubes of the bundle extend parallel to each other in the longitudinal direction (that is to say the direction of the largest dimension of the modules 30, 40) and are spaced apart so as to allow the circulation of the heat transfer liquid between the tubes, and therefore on each of the faces of the flat tubes internally traversed by the gas to be cooled.
  • manifold boxes 36, 38 (likewise 46, 48 for the bundle 44 of the module 40).
  • the manifolds 36, 38 consist of an alternating stack of hollow plates allowing the circulation and distribution of the gas refrigerant, and spacers plates to define the interval between the successive tubes of the beam.
  • the refrigerant gas introduced through the inlet 26 is distributed by the manifold 36 so as to distribute the circulation of this gas, under high pressure, in the different channels of the different tubes. Beam 34.
  • the manifold 38 connects the different channels of the different tubes to direct the flow of gas to the manifold 48 of the lower module 40 located immediately below the manifold 38.
  • the gas flows then in the bundle of tubes 44 of the lower module 40 in the opposite direction from that in which it circulated in the bundle 34 of the upper module, and this up to the opposite end, to reach the header box 46.
  • the gas flow is then directed from the manifold 46 to the manifold 36 'of the upper module of the exchanger WGC3, where it will follow a circuit comparable to that it followed in the exchanger WGC2, it is ie via the manifold 36 ', the tube bundle of the upper module 30', the manifolds 38 'and 48', the bundle of tubes of the lower module 40 ', then the manifold 46' before reach the gas outlet 28.
  • the liquid is admitted through the inlet pipe 42 located at one end of the lower module 40 of the exchanger WGC2.
  • the liquid will flow to the other end of the same module, against the current of the gas flow direction (see in particular Figure 3), passing between the tubes of the beam.
  • Disruptive elements of the exchanger may be provided, in a manner known per se, to increase the turbulence of the liquid flow and thus promote heat exchange with the tubes of the beam with which this fluid is in contact.
  • the circulation of the coolant is similar in the modules 30 'and 40' of the very low temperature exchanger WGC3.
  • the gas flowing in the different bundles of successive tubes exchangers WGC2 and WGC3 will be able to be cooled, from one module to another, by the circulation of the coolant, always against the current with the gas.
  • the casing of the module 30 consists of a U-shaped element 50 comprising a bottom wall 52 extending parallel to the bundle of tubes 34, below and at a distance from it, with two lateral walls 54, 56. assembly is formed by a flat top member 58 forming a cover.
  • the bottom wall 52 also constitutes the upper wall of the casing of the lower module 40, acting as a cover for the latter.
  • the manifolds 36 and 38 are brazed to the walls 52, 54, 56 and 58 so as to seal the housing there.
  • the tubes of the bundle 34 are also soldered to the side walls 54, 56, at least on the central part of these walls, so as to mechanically stiffen the tube bundle and allow it to withstand the very high pressures of the refrigerant gas.
  • the bottom wall 52 of the casing 50 is provided with orifices 60 allowing the heat-transfer fluid to pass through this wall in order to put the inner volume of this upper module 30 in communication with the internal volume. of the lower module 40.
  • the side walls 54, 56 have enlarged regions 62 making it possible, as can be seen in the section of FIG. 5, to ensure the circulation of the coolant on the entire height of the bundle of tubes 34, so as to thereby supply by the coolant flow all the intervals between the different tubes of the bundle.
  • the tubes of the bundle are located at a distance from the lateral wall 54, 56 in this enlarged region 62, and are not not in contact with this wall while they are in contact and brazed with the wall in the region of the casing located beyond the enlarged regions 62.
  • enlarged regions 64 in the vicinity of the outlet pipe 32, so as to allow the communication between all the intervals between the different tubes of the bundle 34 with this outlet pipe 32
  • the bundle of tubes is located at a distance from the side wall 54, 56 in the widened regions 64, the solder connection between the tubes and the wall being established only beyond this widened region 64 (FIG. therefore in the part of the walls 54, 56 located between the enlarged regions 62, 64, with the exception of these regions).
  • the bottom wall 52 is devoid of a communication port such as 60, so as to prevent any communication at this point between the upper module 30 and the lower module 40, and to force and the liquid admitted by the inlet pipe 42 to travel the module 40 over its entire length, then via the orifices 60, the module 30 over its entire length to the outlet pipe 32.
  • the bottom wall 52 is provided, on the side of the manifolds 36 and 46, with an extension 66 coming between these two manifolds and prohibiting the communication between their respective conduits. 60, 70 gas circulation.
  • the bottom wall is provided with a similar extension 72 to be interposed between the manifolds 38 and 48.
  • This extension 72 is on the other hand provided with an orifice 74 ensuring the communication of the respective conduits 76, 78 of these two manifolds 38 and 48.
  • the conformation of these elements makes it possible to force the flow of the gas arriving through the inlet 26 into the manifold 36, so that it traverses the bundle of tubes 34, then the manifolds 38 and 48 through the orifice 74, then the bundle of tubes 44 of the lower module 40, to the manifold 46.
  • the configuration just described makes it possible to ensure a countercurrent flow of the water and gas flows, inside each of the modules 30 and 40 and a module at the same time.
  • the bottom wall 52 which on one side (that of the manifolds 38 and 48) is provided with liquid passages 60 and gas 74, and on the other side (that of the manifolds 36 and 46 and manifolds 32 and 42) is devoid of liquid and gas passages.
  • the extensions 66, 72 constitute a single additional layer of the sheet stack of the manifolds 36, 46, allowing easy assembly and soldering of the various elements.
  • a spacer may be provided between the two exchangers WGC2 and WGC3, more precisely between the lower module 40 of the exchanger WGC2 and the upper module 30 'of the exchanger WGC3, so as to mechanically separate these two organs from the gas cooler.
  • FIGS. 6 to 9 illustrate an embodiment variant in which the device of the invention incorporates in the same functional unit not only the gas cooler WGC (more precisely, the liquid / gas stages WGC2 and WGC3), but also the heat exchanger internal gas / gas IHX (referenced 16 in Figure 1).
  • This internal exchanger IHX is in fact mounted in the refrigerant gas circulation loop directly at the outlet of the gas cooler 14, downstream of the stage WGC3, and crosses the gas circuit delivered at the outlet of the evaporator 20. Its function is to cool the high-pressure gas leaving the gas cooler 14 by the low-pressure gas leaving the evaporator 20.
  • FIG. 6 represents a unitary assembly grouping together the two exchangers WGC2 and WGC3, each formed of two modules 30, 40 and 30 ', 40' configured as described with reference to FIGS. 2 to 5.
  • the unitary assembly also incorporates the heat exchanger. internal gas / gas heat IHX, generally designated 80.
  • This internal gas / gas exchanger IHX substantially has, in length and width, the same overall dimensions as the exchangers WGC2 and WGC3, so as to constitute a homogeneous block grouping in the vicinity of the compressor the maximum of elements contributing to the exchange thermal and gas cooling.
  • the length of the IHX internal heat exchanger is not related to that of the WGC gas cooler; the internal heat exchanger IHX may be longer or shorter, since the output connection of the gas cooler WGC3 is common to the inlet of the IHX internal exchanger.
  • FIGS 7 to 9 illustrate more precisely the structure of the IHX internal heat exchanger 80.
  • the flat elements 82 are intended to be traversed by the hot gas at high pressure delivered at the outlet of the exchanger WGC3. They each comprise a multichannel tube 86 of the same nature as the multichannel tubes described above tube bundles liquid / gas exchangers WGC2 and WGC3. The channels of each tube are communicated at their ends by a tip 88 or 90, respectively, forming a collector.
  • the flat elements 84 are intended to be traversed by the cold gas at low pressure from the evaporator and returning to the compressor.
  • the structure of these flat elements 84 (illustrated in Figure 9) and similar to that of the flat elements 82, with a multichannel tube 92 provided at each end of a tip 94 or 96, respectively, forming a collector.
  • the tubes 86, 92 tubes are stacked alternately to form two sets of nested tubes, where the hot gas under high pressure and the cold gas under low pressure circulate against the current in successive layers of the stack.
  • the adjacent tubes 86 and 92 of each series of tubes are in mutual contact, so as to allow heat exchange by conduction between the tubes.
  • the number of tubes 86, 92 whose stack makes up the IHX internal exchanger depends on the length and the hydraulic diameter of the low pressure circuit and the high pressure circuit, and will be adapted according to the circumstances.
  • the end collecting tips 88, 90 and 94, 96 are respectively configured so as to constitute, by stacking, end collecting boxes ensuring the selective distribution, for the two high-pressure and low-pressure circuits, of the refrigerant gas in the various tubes. stacking.
  • the cold gas at low pressure passes through an orifice 98 of the nozzle 88, without communication with the tube 86 which is part of the high pressure circuit, while on the opposite side, the high pressure fluid flowing in this tube 86 is collected by an enlarged opening 100 allowing communication with the rest of the high pressure circuit.
  • the nozzle 94 comprises an enlarged opening 102 allowing communication with the low pressure circuit, and in communication with the orifice 98.
  • the tip 96 comprises an isolated orifice 104 allowing the passage of the high pressure hot fluid without communication with the tube 92 traversed by the low pressure fluid.
  • elements 106, 108 make it possible to link to the rest of the circuit refrigerant gas side low pressure, that is to say from the evaporator 20 and to the compressor 10 ( Figure 1).
  • the high pressure refrigerant gas is directly admitted from the manifold 46 'of the module 40' of the exchanger WGC3 (FIG. 6), thanks to a suitable dimensioning of the end pieces forming the manifolds. of the internal heat exchanger IHX and the liquid / gas heat exchangers WGC2 and WGC3.
  • the stack of elements that form the manifolds is sufficient to ensure the direct communication of the output of the exchanger WGC3 with the inlet of the IHX exchanger, in the same way as was achieved the direct communication of the output of the exchanger WGC2 with the input of the exchanger WGC3.
  • the advantageous solution of the invention makes it possible to mechanically and functionally combine the WGC gas cooler and the IHX internal exchanger. This allows, in addition to the removal of flanges, screws, joints and hoses high pressure (thereby reducing the risk of leakage), minimize the lengths of the connections of these exchangers to the compressor.
  • An advantage which results therefrom is the reduction of the volume of refrigerant gas in the circuit, with correlatively a reduction in the size of the gas accumulator 22 which, according to the architecture of the circuit, can further contribute to a better distribution of the volumes of refrigerant gas in the loop.
  • Yet another advantage of the integration of the IHX internal heat exchanger with the WGC2 / WGC3 gas cooler is the improvement of the overall thermal performance of the circuit under difficult operating conditions, in particular by high ambient temperature.

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Abstract

L'échangeur (WGC2;WGC3) comprend au moins deux refroidisseurs attenants (30,40;30',40'), comportant chacun un faisceau (34) de tubes multicanaux allongés parcourus par le gaz réfrigérant, réunis par des boîtes collectrices d'extrémité (36,38) reliées à un circuit de gaz réfrigérant de l'équipement de climatisation. Un carter (50) enferme le faisceau de tubes et forme un espace intérieur avec une entrée et une sortie de liquide caloporteur pour permettre à celui-ci de circuler entre les tubes du faisceau. Les carters de deux refroidisseurs attenants (30,40; 30',40') possèdent une paroi commune (52) comportant au moins un orifice (60) de mise en communication des deux volumes intérieurs. Il est ainsi possible de réaliser un refroidisseur de gaz compact intégrant dans un même bloc deux étages échangeurs eau/gaz (WGC2,WGC3), ainsi qu'éventuellement un échangeur interne gaz/gaz du circuit de climatisation.

Description

  • L'invention concerne les échangeurs de chaleur de type liquide/gaz, notamment pour les équipements de climatisation de véhicule automobile.
  • Elle concerne plus particulièrement (mais de façon non limitative) les échangeurs de chaleur pour des circuits de climatisation mettant en oeuvre un fluide réfrigérant tel que le dioxyde de carbone (CO2) fonctionnant à l'état supercritique, c'est-à-dire où le fluide reste la plupart du temps à l'état gazeux dans le circuit de climatisation.
  • Un tel circuit comprend essentiellement un compresseur, un refroidisseur de gaz, un échangeur de chaleur interne, un détendeur, un évaporateur et un accumulateur. Le refroidisseur de gaz, qui remplace le condenseur des circuits de climatisation classiques, est agencé pour refroidir le fluide réfrigérant gazeux par échange thermique soit avec l'air ambiant (échangeur de chaleur du type air/gaz) soit avec le liquide de refroidissement du moteur (échangeur de chaleur du type lïquide/gaz).
  • L'invention concerne plus précisément les échangeurs de chaleur de type liquide/gaz, également dénommés "échangeur eau/gaz" ou Water/Gas Cooler ("WGC"), équipant de tels circuits.
  • Un tel échangeur est décrit notamment dans la publication FR-A-2 852 383 (Valeo Thermique Moteur).
  • En raison des températures élevées atteintes par le gaz réfrigérant, qui peuvent atteindre 80 à 100°C dans le cas du CO2, ainsi que du différentiel de température important rencontré dans le refroidisseur de gaz (dans le cas du CO2 celui-ci peut être refroidi à des températures aussi basses que 30 à 60°C), le refroidissement du gaz est généralement opéré sur plusieurs étages, avec pour chacun un échangeur de chaleur liquide/gaz spécifique.
  • La publication FR-A-2 875 743 (Valeo Systèmes Thermiques) décrit ainsi un circuit de climatisation où un réfrigérant gazeux tel que le CO2 est refroidi par une succession de trois échangeurs fonctionnant respectivement à haute température (80 à 100°C, typiquement 90°C), basse température (50 à 70°C, typiquement 60°C) et à très basse température (30 à 60°C, typiquement 50°C). Ces trois échangeurs de chaleur sont alimentés en liquide caloporteur par des boucles de circulation de fluide différentes, avec des températures et débits spécifiques à chacun des étages du refroidisseur de gaz.
  • L'utilisation de plusieurs échangeurs pour refroidir le gaz améliore notablement le rendement de l'échange thermique, mais en revanche induit un accroissement de taille du refroidisseur de gaz, ce qui complique son implantation dans les véhicules, compte tenu de la multiplicité des architectures des moteurs et de leurs circuits de refroidissement et de climatisation.
  • Par ailleurs, les circuits de climatisation utilisant comme fluide réfrigérant le CO2 sont plus complexes à réaliser, notamment sur le plan de la résistance mécanique, compte tenu des pressions de fluide qui peuvent atteindre des valeurs, jusqu'à 450 bars, très supérieures aux pressions habituellement rencontrées dans les circuits de climatisation classiques utilisant des fluides à changement de phase tels que les composés fluorés. Ces contraintes de pression imposent des solutions mécaniques et technologiques particulières, pour répondre aux impératifs très stricts de fiabilité et d'étanchéité.
  • Le problème que vise à résoudre l'invention est celui de la réduction d'encombrement de l'échangeur de chaleur liquide/gaz, pour permettre de faciliter l'implantation du refroidisseur de gaz sous le capot du véhicule dans un maximum d'architectures susceptibles d'être rencontrées, notamment pour rapprocher le refroidisseur de gaz du compresseur ou de l'évaporateur, et pour réduire les longueurs de tubulures de gaz.
  • L'invention a également pour objet de rendre possible la fixation de l'échangeur sur le moteur ou sur le compresseur, configuration qui présente notamment l'avantage d'autoriser l'emploi de tubulures rigides dans la zone la plus sollicitée thermiquement, entre compresseur et refroidisseur de gaz.
  • Un autre but de l'invention est de permettre l'intégration dans un même bloc fonctionnel non seulement de l'échangeur de chaleur liquide/gaz ("WGC") assurant le refroidissement du gaz en sortie du compresseur, mais également de l'échangeur de chaleur interne gaz/gaz du circuit de refroidissement. Cet échangeur interne, également dénommé "IHX" (Internal Heat eXchanger) est en effet disposé dans la boucle de circulation du gaz réfrigérant juste en aval du refroidisseur WGC (circuit chaud) et en amont du compresseur (circuit froid), de sorte qu'il serait avantageux de pouvoir regrouper mécaniquement et fonctionnellement le refroidisseur de gaz WGC et l'échangeur interne IHX de manière à supprimer les longueurs de liaisons entre échangeurs et minimiser la longueur de liaison au compresseur.
  • Un autre but encore de l'invention est de permettre la réalisation d'un échangeur de chaleur de type liquide/gaz qui soit, en pratique, aussi compact et procure les mêmes performances qu'un échangeur de chaleur de type air/gaz. Les échangeurs liquide/gaz proposés jusqu'à présent étaient en effet, à performances égales, généralement plus encombrants qu'un échangeur air/gaz, ce qui faisait préférer ces derniers malgré leurs inconvénients, notamment la nécessité de grandes longueurs de tubes de gaz haute pression pour relier au reste du circuit l'échangeur air/gaz monté en face avant du véhicule (pour permettre un refroidissement satisfaisant). Dans le cas de tubes rigides, ces liaisons sont coûteuses et difficiles à découpler du moteur ; dans le cas de raccords souples, ceux-ci sont très sollicités thermiquement et mécaniquement.
  • A l'opposé, un échangeur de type liquide/gaz n'a pas besoin d'être monté en face avant et peut donc être fixé à proximité du moteur ou du compresseur, avec des tubulures rigides dans les zones les plus sollicitées thermiquement et mécaniquement.
  • L'invention propose un échangeur de chaleur entre un premier fluide et un second fluide du type connu décrit dans le FR-A-2 852 383 précité, c'est-à-dire comprenant un espace intérieur et un faisceau de tubes, prévu dans ledit espace intérieur, dans lequel le premier fluide circule et est refroidi par le second fluide, et dans lequel le second fluide est introduit dans l'échangeur de chaleur par une tubulure d'entrée et évacué par une tubulure de sortie et occupe l'espace intérieur de l'échangeur (on entendra par "espace intérieur de l'échangeur" l'espace compris entre, d'une part, les tubes servant à véhiculer le premier fluide et, d'autre part, les parois externes ou l'enveloppe de l'échangeur de chaleur).
  • Selon un premier aspect de l'invention, celle-ci vise un tel échangeur de chaleur considéré en tant que tel, qui ne comprend pas intrinsèquement la ou les boîtes collectrices servant classiquement de chambre d'entrée et de sortie pour l'un des fluides.
  • De façon caractéristique de l'invention, l'échangeur de chaleur définit au moins deux passes pour le second fluide (on entendra par "passe" le trajet d'un fluide dans un sens).
  • Ainsi, avec deux passes le fluide circule au sein de l'échangeur de chaleur (qui s'étend généralement suivant un plan) dans deux sens et suivant deux trajets distincts, ces deux sens de circulation étant habituellement - mais non nécessairement - opposés l'un à l'autre. Dans l'exemple de trois passes, le fluide circule dans le plan défini par l'échangeur avec deux sens de circulation et trois trajets.
  • En d'autres termes, le nombre de passes est lié au nombre de changements de sens de circulation du fluide. Ainsi, un fluide à deux passes présente un changement de direction tandis qu'un fluide à trois passes présente deux changements de sens de circulation.
  • L'échangeur de chaleur peut en outre définir au moins deux passes également pour le premier fluide. Lorsque le premier fluide est un gaz et le second fluide est un liquide, on dispose d'un échangeur de chaleur liquide/gaz ("WGC") qui pallie les inconvénients de la technique antérieure en séparant la circulation de liquide en deux circuits différents, alimentés chacun par une source de liquide caloporteur à température adaptée, avec une ou plusieurs passes à contre-courant sur le gaz. Il devient ainsi possible de réaliser un échangeur très compact, de forme sensiblement parallélépipédique, et de performances comparables à celles d'un échangeur de type air/gaz.
  • Dans une forme de mise en oeuvre particulière, l'espace intérieur comprend au moins deux carters, chacun des carters enfermant une pluralité de tubes et délimitant une passe pour le premier fluide (on entendra par "carter" une enveloppe externe pour l'échangeur de chaleur, les parois de cette enveloppe pouvant être formées en partie par une ou des parois de boîte(s) collectrice(s) fixée(s) à l'échangeur de chaleur).
  • Dans ce dernier cas, les deux carters peuvent avoir une paroi commune, notamment parallèle au faisceau de tubes, qui comporte au moins un orifice de mise en communication de l'espace intérieur des deux carters.
  • Par ailleurs, l'échangeur de chaleur peut comprendre des boîtes collectrices, disposées aux extrémités du faisceau, aptes à réunir et mettre en communication les tubes du faisceau à leurs extrémités, ces boîtes collectrices étant aptes à être par ailleurs reliées à un circuit de circulation du premier fluide.
  • Dans ce dernier cas, et selon un second aspect de l'invention, celle-ci vise également un module d'échange de chaleur comprenant au moins deux échangeurs de chaleur attenants tels que définis plus haut selon le premier aspect de l'invention, avec un premier échangeur de chaleur et un second échangeur de chaleur. L'un des échangeurs de chaleur est relié à une tubulure d'entrée et l'autre échangeur de chaleur est relié à une tubulure de sortie, ces deux tubulures étant aptes à être mise en communication avec un circuit du second fluide. Les deux échangeurs de chaleur possèdent une paroi commune s'étendant parallèlement au faisceau de tubes et comportant au moins un orifice de mise en communication de l'espace intérieur du premier échangeur de chaleur avec l'espace intérieur du second échangeur de chaleur.
  • Dans une forme de réalisation préférentielle, les tubulures d'entrée et de sortie de fluide sont disposées à la même extrémité respective du premier échangeur de chaleur et du second échangeur de chaleur, l'(les) orifice(s) de mise en communication étant disposé(s) dans la région de l'extrémité opposée du premier échangeur de chaleur et du second échangeur de chaleur.
  • Très avantageusement, chaque échangeur de chaleur comprend un carter avec deux parois latérales en vis-à-vis entre lesquelles s'étend transversalement le faisceau de tubes, et en ce que la dimension transversale séparant ces parois est sensiblement la même que celle du faisceau de tubes, à l'exception de régions latérales élargies situées au voisinage de la tubulure et de(s) l'(des) orifice(s) de mise en communication.
  • Les parois latérales et le faisceau de tubes peuvent alors notamment être brasés ensemble dans la région où la dimension transversale séparant ces parois est sensiblement la même que celle du faisceau de tubes.
  • Dans une forme de réalisation préférentielle, les boîtes collectrices sont formées d'une superposition de plaques formant alternativement passage de fluide et entretoise pour la distribution sélective du premier fluide dans les divers tubes du faisceau, et la paroi commune aux deux échangeurs comporte en direction longitudinale un prolongement s'étendant jusque dans la superposition de plaques constituant les boîtes collectrices, ce prolongement formant une cloison pour la circulation du premier fluide dans les boîtes collectrices situées de part et d'autre de cette cloison.
  • Dans une configuration à double échangeur, lesdits au moins deux modules refroidisseurs attenants sont deux échangeurs de chaleur principaux formant un premier étage échangeur de chaleur, et il est prévu au moins deux échangeurs de chaleur auxiliaires attenants formant un second étage échangeur, distinct du premier étage échangeur et monté attenant à celui-ci. Les boîtes collectrices des premier et second étages échangeurs sont reliées entre elles successivement en série de manière à permettre la circulation du premier fluide successivement dans le premier puis le second étage échangeur.
  • Dans ce cas, avantageusement :
    • le module comporte une paroi commune aux deux étages échangeurs, dépourvue d'orifice de mise en communication des volumes intérieurs respectifs des carters des échangeurs de chaleur situés de part et d'autre de cette paroi commune ;
    • le module comporte entre les deux échangeurs de chaleur un élément formant entretoise interposé de manière à définir un intervalle entre les échangeurs de chaleur en vis-à-vis du premier étage échangeur et du second étage échangeur ;
    • la tubulure de sortie du premier étage échangeur est reliée à la tubulure d'entrée du second étage échangeur de manière à permettre la circulation du second fluide successivement dans le premier puis le second étage échangeur.
  • Dans une forme de réalisation particulièrement avantageuse, le dispositif de l'invention inclut en outre un étage échangeur de chaleur interne. Celui-ci comporte un empilement de tubes multicanaux allongés, ces tubes étant jointifs et empilés en alternance en deux séries de tubes imbriquées, avec une première série de tubes reliée à la sortie du(des) échangeur(s) de chaleur de manière à être parcourue par le premier fluide à haute pression délivré par cet(ces) échangeur(s) de chaleur, et une seconde série de tubes apte à être reliée à une branche basse pression du circuit du premier fluide de manière à être parcourue par le premier fluide froid circulant dans cette branche.
  • L'étage échangeur interne peut être avantageusement configuré attenant à l'ensemble formé par les premier et second étages échangeurs de chaleur.
  • Cet étage échangeur interne peut notamment comprendre des boîtes collectrices disposées aux extrémités opposées de l'empilement de tubes, aptes à réunir et mettre en communication à leurs extrémités les tubes respectifs des deux séries de tubes et à y distribuer sélectivement le premier fluide, ces boîtes collectrices comprenant en outre des moyens de liaison au circuit du premier fluide.
  • Ces boîtes collectrices sont de préférence disposées dans l'alignement des boîtes collectrices des échangeurs de chaleur du premier et du second étages échangeurs de chaleur.
  • Elles peuvent en outre être reliées en série avec les boîtes collectrices des échangeurs de chaleur du premier et du second étages échangeurs de chaleur de manière à permettre l'alimentation de l'étage échangeur interne par le fluide chaud à haute pression délivré directement par les premier et second étages échangeurs de chaleur.
  • Selon un troisième aspect de l'invention, celle-ci vise un équipement de climatisation pour véhicule automobile comprenant un échangeur de chaleur, ou un module d'échange de chaleur, tels que définis ci-dessus.
  • On va maintenant décrire un exemple de mise en oeuvre du dispositif de l'invention, en référence aux dessins annexés où les mêmes références numériques désignent d'une figure à l'autre des éléments identiques ou fonctionnellement semblables.
  • La figure 1 est un schéma représentant les différents éléments d'un circuit de climatisation de véhicule automobile utilisant un fluide réfrigérant fonctionnant à l'état supercritique tel que le CO2.
  • La figure 2 est une vue en perspective d'un double échangeur de chaleur liquide/gaz selon l'invention.
  • La figure 3 est une vue de face de l'échangeur de la figure 2, illustrant notamment les sens de circulation des circuits de gaz et de liquide.
  • La figure 4 est une vue perspective éclatée de l'échangeur de la figure 2.
  • La figure 5 est une vue de côté en coupe, selon V-V de la figure 3, au niveau des passages de mise en communication des circuits d'eau des différents modules.
  • La figure 6 est une vue en perspective d'un double échangeur de chaleur liquide/gaz du type illustré figure 2, associé en outre à un échangeur de chaleur interne disposé dans le même ensemble fonctionnel.
  • La figure 7 est une vue perspective éclatée de l'échangeur de chaleur interne de l'ensemble de la figure 6.
  • La figure 8 est une vue en plan, en coupe, de l'échangeur de chaleur au niveau du circuit chaud haute pression.
  • La figure 9 est une vue en plan, en coupe, de l'échangeur de chaleur au niveau du circuit froid basse pression.
  • La figure 1 illustre un circuit de climatisation de véhicule automobile utilisant un fluide réfrigérant fonctionnant à l'état supercritique tel que le CO2, où la température du fluide réfrigérant est abaissée par échange thermique avec le liquide de refroidissement du moteur.
  • Le circuit comprend un compresseur 10, par exemple un compresseur à contrôle externe piloté par une électronique de commande 12. Le gaz réfrigérant comprimé G traverse ensuite un refroidisseur de gaz 14 comprenant un ou plusieurs échangeurs successifs, à savoir trois échangeurs WGC1, WGC2 et WGC3 montés en série dans l'exemple représenté. À la sortie du refroidisseur 14, le gaz réfrigérant G traverse un échangeur interne IHX référencé 16, puis est détendu dans un détendeur 18, par exemple une vanne de détente pilotée également par l'électronique de commande 12. Le gaz ainsi détendu est conduit vers un échangeur 20 assurant la même fonction que l'évaporateur d'un circuit de climatisation classique à changement de phase du fluide réfrigérant, puis vers un accumulateur 22 et l'échangeur interne 16, avant d'être recyclé vers le compresseur 10.
  • Le refroidisseur de gaz 14 comprend par exemple, comme illustré figure 1, une série de trois échangeurs WGC1, WGC2 et WGC3 fonctionnant respectivement à haute température, basse température et très basse température.
  • Le premier échangeur WGC1 est un échangeur eau/gaz utilisant comme source froide le liquide de refroidissement moteur, qui constitue ici le liquide caloporteur L circulant dans l'échangeur côté eau. Ce liquide est généralement de l'eau additionnée d'un antigel (eau glycolée) ou liquide analogue. L'échangeur basse température WGC2 utilise également comme source froide le liquide de refroidissement du moteur L, via une boucle distincte de la boucle alimentant l'échangeur WGC1. L'échangeur très basse température WGC3 peut utiliser comme source froide également le liquide de refroidissement du moteur L, via une boucle distincte de la boucle alimentant l'échangeur WGC1, ou opérer par contact avec de l'air ambiant prélevé à l'extérieur du véhicule. Dans des formes de réalisation simplifiées, le troisième étage WGC3 du refroidisseur peut être omis, le fluide réfrigérant étant alors simplement refroidi par deux échangeurs parcourus tous deux par le liquide de refroidissement du moteur.
  • La haute température est habituellement de l'ordre de 80 à 100°C (typiquement 90°C), la basse température de l'ordre de l'ordre 50 à 70°C (typiquement 60°C), et la très basse température de l'ordre de 30 à 60°C (typiquement 50°C) dans le cas d'un échangeur eau/gaz utilisant le liquide de refroidissement moteur, ou une température dépendant de l'air ambiant dans le cas d'un échangeur air/gaz (la "température" étant entendue comme la température du liquide caloporteur circulant dans l'échangeur eau/gaz).
  • L'invention vise plus particulièrement la réalisation mécanique des échangeurs basse température WGC2 et/ou très basse température WGC3.
  • Par la suite, on décrira une forme de réalisation particulièrement avantageuse où les deux échangeurs WGC2 et WGC3 sont réunis en un même bloc, mais cette réalisation n'est pas limitative et l'invention est aussi bien applicable à la réalisation isolée de l'un des échangeurs WGC2 ou WGC3, ou encore à la réalisation d'un autre échangeur de type liquide/gaz.
  • Par ailleurs, le bloc échangeur de l'invention peut être également intégré à un ensemble comprenant d'autres organes du circuit de l'équipement de climatisation.
  • Il peut en particulier être regroupé avec l'échangeur de chaleur interne 16, dans la mesure où celui-ci est monté directement en aval des échangeurs WGC2 et WGC3 dans le circuit de climatisation. Cette dernière variante de réalisation sera décrite plus en détail en référence aux figures 6 à 9.
  • Sur la figure 2, la référence 24 désigne de façon générale un bloc unitaire regroupant les deux échangeurs WGC2 et WGC3 fonctionnant respectivement à basse et très basse température.
  • Ce bloc unitaire 24 comprend une entrée de gaz 26 recevant le gaz réfrigérant G après que celui-ci ait été refroidi par l'échangeur très haute température WGC1., et une sortie de gaz 28 délivrant le gaz refroidi par les échangeurs WGC2 et WGC3 à l'échangeur interne 16 pour détente et recyclage vers le compresseur.
  • L'échangeur de chaleur basse température WGC2 est constitué de deux modules refroidisseurs superposés 30, 40, de dimensions extérieures semblables. Le module supérieur 30 est muni d'une tubulure 32 de sortie du liquide caloporteur L, et le module inférieur 40 d'une tubulure 42 d'admission du liquide caloporteur L.
  • L'échangeur de chaleur très basse température WGC3 est constitué de deux modules refroidisseurs superposés 30', 40', de dimensions extérieures semblables entre elles et semblables à celles des modules 30 et 40. Le module supérieur 30' est muni d'une tubulure 32' de sortie du liquide caloporteur L, et le module inférieur 40' d'une tubulure 42' d'admission du liquide caloporteur L.
  • Comme illustré sur les figures 3 à 5, chacun des modules comporte un faisceau de tubes multicanaux allongés plats parcourus par le gaz réfrigérant. Le module supérieur 30 de l'échangeur WGC2 inclut ainsi un faisceau référencé 34, et le module inférieur 40, un faisceau référencé 44. Les modules 30' et 40' de l'échangeur WGC2 présentent une structure identique.
  • Les tubes des faisceaux 34, 44 sont du type multicanaux, percés intérieurement d'une multiplicité de canaux parallèles parcourus par le gaz réfrigérant sous pression. Les différents tubes multicanaux du faisceau s'étendent parallèlement les uns aux autres en direction longitudinale (c'est-à-dire la direction de la plus grande dimension des modules 30, 40) et sont espacés entre eux de manière à permettre 1a circulation du liquide caloporteur entre les tubes, et donc sur chacune des faces des tubes plats parcourus intérieurement par le gaz à refroidir.
  • Les différents tubes du faisceau sont réunis à leurs extrémités par des boîtes collectrices 36, 38 (de même 46, 48 pour le faisceau 44 du module 40). Les boîtes collectrices 36, 38 sont constituées d'un empilement alterné de plaques creuses permettant la circulation et la distribution du gaz réfrigérant, et de plaques entretoises permettant de définir l'intervalle entre les tubes successifs du faisceau.
  • On pourra se référer au FR-A-2 852 383 précité pour la description détaillée de divers modes de réalisation d'un tel faisceau de tubes munis de ses boîtes collectrices d'extrémité.
  • Comme on peut le voir notamment sur les figures 3 et 4, le gaz réfrigérant introduit par l'entrée 26 est distribué par la boîte collectrice 36 de façon à répartir la circulation de ce gaz, sous pression élevée, dans les différents canaux des différents tubes du faisceau 34. A l'extrémité opposée, la boîte collectrice 38 réunit les différents canaux des différents tubes pour diriger le flux de gaz vers la boîte collectrice 48 du module inférieur 40 située immédiatement au-dessous de la boîte collectrice 38. Le gaz circule alors dans le faisceau de tubes 44 du module inférieur 40 dans le sens opposé de celui où il circulait dans le faisceau 34 du module supérieur, et ce jusqu'à l'extrémité opposée, pour atteindre la boîte collectrice 46. Le flux de gaz est alors dirigé de la boîte collectrice 46 vers la boîte collectrice 36' du module supérieur de l'échangeur WGC3, où il suivra un circuit comparable à celui qu'il a suivi dans l'échangeur WGC2, c'est-à-dire via la boîte collectrice 36', le faisceau de tubes du module supérieur 30', les boîtes collectrices 38' et 48', le faisceau de tubes du module inférieur 40', puis la boîte collectrice 46' avant d'atteindre la sortie de gaz 28.
  • On va maintenant décrire le circuit parcouru par le liquide caloporteur de refroidissement dans l'échangeur WGC2.
  • Le liquide est admis par la tubulure d'entrée 42 située à l'une des extrémités du module inférieur 40 de l'échangeur WGC2. Le liquide va circuler jusqu'à l'autre extrémité de ce même module, à contre-courant du sens de circulation du gaz (voir notamment figure 3), en passant entre les tubes du faisceau. Des éléments perturbateurs de l'échangeur peuvent être prévus, de manière en elle-même connue, pour augmentér les turbulences du flux de liquide et favoriser ainsi l'échange thermique avec les tubes du faisceau avec lesquels ce fluide est en contact. Une fois arrivé à l'extrémité opposée de celle où se trouve la tubulure d'admission 42, le liquide caloporteur est mis en communication (par des moyens que l'on explicitera plus bas) avec le module supérieur 30, où il va pouvoir ainsi circuler jusqu'à l'extrémité opposée, toujours à contre-courant avec le gaz circulant dans ce module 30, jusqu'à atteindre la tubulure de sortie 32.
  • La circulation du liquide caloporteur est semblable dans les modules 30' et 40' de l'échangeur très basse température WGC3.
  • Ainsi, le gaz circulant dans les différents faisceaux de tubes successifs des échangeurs WGC2 et WGC3 va pouvoir être refroidi, d'un module à l'autre, par la circulation du liquide caloporteur, toujours à contre-courant avec le gaz.
  • On va maintenant décrire la manière dont sont réalisés les carters enfermant les faisceaux de tubes des différents modules. On décrira plus précisément la structure du carter du module 30, celle des modules 40, 30' et 40' étant comparable, aux différences près que l'on indiquera.
  • Le carter du module 30 est constitué d'un élément en U 50 comprenant une paroi de fond 52 s'étendant parallèlement au faisceau de tubes 34, au-dessous et à distance de celui-ci, avec deux parois latérales 54, 56. L'ensemble est formé par un élément supérieur plat 58 formant couvercle.
  • La paroi de fond 52 constitue également la paroi supérieure du carter du module inférieur 40, faisant fonction de couvercle pour celui-ci.
  • Les boîtes collectrices 36 et 38 sont brasées sur les parois 52, 54, 56 et 58 de manière à assurer une fermeture étanche du carter à cet endroit. Les tubes du faisceau 34 sont par ailleurs brasés aux parois latérales 54, 56, au moins sur la partie centrale de ces parois, de manière à rigidifier mécaniquement le faisceau de tubes et lui permettre de résister aux pressions très élevées du gaz réfrigérant.
  • A l'extrémité opposée de la tubulure 32, la paroi de fond 52 du carter 50 est munie d'orifices 60 permettant au liquide caloporteur de traverser cette paroi pour assurer la mise en communication du volume intérieur de ce module supérieur 30 avec le volume intérieur du module inférieur 40. Par ailleurs, au droit de ces orifices 60, les parois latérales 54, 56 présentent des régions élargies 62 permettant, comme on peut le voir sur la coupe de la figure 5, d'assurer la circulation du liquide caloporteur sur toute la hauteur du faisceau de tubes 34, de manière à alimenter ainsi par le flux de liquide caloporteur tous les intervalles situés entre les différents tubes du faisceau. On notera que les tubes du faisceau sont situés à distance de la paroi latérale 54, 56 dans cette région élargie 62, et ne sont pas en contact avec cette paroi, alors qu'ils sont en contact et brasés avec la paroi dans la région du carter située au-delà des régions élargies 62.
  • De façon comparable, à l'extrémité opposée sont prévues des régions élargies 64 au voisinage de la tubulure de sortie 32, de manière à permettre la mise en communication de tous les intervalles situés entre les différents tubes du faisceau 34 avec cette tubulure de sortie 32. Ici encore, le faisceau de tubes est situé à distance de la paroi latérale 54, 56 dans les régions élargies 64, la liaison par brasure entre les tubes et la paroi n'étant établie qu'au-delà de cette région élargie 64 (donc dans la partie des parois 54, 56 située entre les régions élargies 62, 64, à l'exception de ces régions).
  • Du côté situé au voisinage de la tubulure 32, la paroi de fond 52 est dépourvue d'orifice de mise en communication tel que 60, de manière à empêcher toute communication à cet endroit entre le module supérieur 30 et le module inférieur 40, et forcer ainsi le liquide admis par la tubulure d'entrée 42 à parcourir le module 40 sur toute sa longueur, puis, via les orifices 60, le module 30 sur toute sa longueur jusqu'à la tubulure de sortie 32.
  • En ce qui concerne la circulation du gaz, la paroi de fond 52 est pourvue, du côté des boîtes collectrices 36 et 46, d'un prolongement 66 venant s'interposer entre ces deux boîtes collectrices et interdisant la mise en communication de leurs conduites respectives 60, 70 de circulation de gaz. A l'extrémité opposée, la paroi de fond est munie d'un prolongement semblable 72 venant s'interposer entre les boîtes collectrices 38 et 48. Ce prolongement 72 est en revanche muni d'un orifice 74 assurant la mise en communication des conduites respectives 76, 78 de ces deux boites collectrices 38 et 48.
  • la conformation de ces éléments permet de forcer la circulation du gaz arrivant par l'entrée 26 dans la boîte collectrice 36, pour qu'elle parcoure le faisceau de tubes 34, puis les boîtes collectrices 38 et 48 par l'intermédiaire de l'orifice 74, puis le faisceau de tubes 44 du module inférieur 40, jusqu'à la boîte collectrice 46.
  • De façon générale, la configuration que l'on vient de décrire permet d'assurer une circulation à contre-courant des flux d'eau et de gaz, à l'intérieur de chacun des modules 30 et 40 et d'un module à l'autre, grâce à une structure simple de la paroi de fond 52, qui d'un côté (celui des boîtes collectrices 38 et 48) est pourvue de passages de liquide 60 et de gaz 74, et de l'autre côté (celui des boîtes collectrices 36 et 46 et des tubulures 32 et 42) est dépourvue de passages de liquide et de gaz. Mécaniquement, les prolongements 66, 72 constituent une simple couche supplémentaire de l'empilement de tôles des boîtes collectrices 36, 46, permettant un assemblage aisé et une brasure collective des différents éléments.
  • Si nécessaire, notamment pour éviter les chocs thermiques, une entretoise peut être prévue entre les deux échangeurs WGC2 et WGC3, plus précisément entre le module inférieur 40 de l'échangeur WGC2 et le module supérieur 30' de l'échangeur WGC3, de manière à séparer mécaniquement ces deux organes du refroidisseur de gaz.
  • Les figures 6 à 9 illustrent une variante de réalisation dans laquelle le dispositif de l'invention incorpore dans un même ensemble fonctionnel non seulement le refroidisseur de gaz WGC (plus précisément, les étages liquide/gaz WGC2 et WGC3), mais également l'échangeur interne gaz/gaz IHX (référencé 16 sur la figure 1).
  • Cet échangeur interne IHX est en effet monté, dans la boucle de circulation du gaz réfrigérant, directement en sortie du refroidisseur de gaz 14, en aval de l'étage WGC3, et croise le circuit du gaz délivré en sortie de l'évaporateur 20. Sa fonction est de refroidir le gaz haute pression sortant du refroidisseur de gaz 14 par le gaz basse pression sortant de l'évaporateur 20.
  • Il est donc avantageux de regrouper ces éléments de manière à disposer d'un dispositif plus compact et minimisant les longueurs des conduites de liaison.
  • La figure 6 représente un ensemble unitaire regroupant les deux échangeurs WGC2 et WGC3, chacun formé de deux modules 30, 40 et 30', 40' configurés comme décrit en référence aux figures 2 à 5. L'ensemble unitaire incorpore également l'échangeur de chaleur interne gaz/gaz IHX, désigné de façon générale par la référence 80.
  • Cet échangeur interne gaz/gaz IHX présente sensiblement, en longueur et en largeur, les mêmes dimensions hors tout que les échangeurs WGC2 et WGC3, de manière à constituer un bloc homogène regroupant au voisinage du compresseur le maximum d'éléments contribuant à l'échange thermique et au refroidissement du gaz.
  • Cette configuration n'est cependant pas limitative. La longueur de l'échangeur interne IHX n'est pas liée à celle du refroidisseur de gaz WGC ; l'échangeur interne IHX peut être plus ou moins long, dès lors que la liaison de sortie du refroidisseur de gaz WGC3 est commune à l'entrée de l'échangeur interne IHX.
  • Les figures 7 à 9 illustrent plus précisément la structure de l'échangeur interne IHX 80.
  • Celui-ci est formé d'un empilement d'éléments plats 82, 84 montées en alternance.
  • Les éléments plats 82 (illustrées en plan sur la figure 8) sont destinés à être parcourus par le gaz chaud à haute pression délivré en sortie de l'échangeur WGC3. Ils comportent chacun un tube multicanal 86, de même nature que les tubes multicanaux décrits plus haut des faisceaux de tubes des échangeurs liquide/gaz WGC2 et WGC3. Les canaux de chaque tube sont mis en communication à leurs extrémités par un embout 88 ou 90, respectivement, formant collecteur.
  • Les éléments plats 84 sont destinés à être parcourus par le gaz froid à basse pression provenant de l'évaporateur et retournant au compresseur. La structure de ces éléments plats 84 (illustrée en plan figure 9) et semblable à celle des éléments plats 82, avec un tube multicanal 92 pourvu à chacune de ses extrémités d'un embout 94 ou 96, respectivement, formant collecteur.
  • Les tubes 86, 92 tubes sont empilés en alternance pour former deux séries de tubes imbriqués, où le gaz chaud sous haute pression et le gaz froid sous basse pression circulent à contre-courant dans des couches successives de l'empilement. Les tubes adjacents 86 et 92 de chaque série de tubes sont en contact mutuel, de manière à permettre un échange thermique par conduction entre les tubes.
  • Le nombre de tubes 86, 92 dont l'empilement compose l'échangeur interne IHX dépend de la longueur et du diamètre hydraulique du circuit basse pression et du circuit haute pression, et sera adapté en fonction des circonstances.
  • Les embouts collecteurs d'extrémité 88, 90 et 94, 96 sont respectivement configurés de manière à constituer par empilement des boîtes collectrices d'extrémité assurant la distribution sélective, pour les deux circuits haute pression et basse pression, du gaz réfrigérant dans les divers tubes de l'empilement.
  • Ainsi, le gaz froid à basse pression traverse un orifice 98 de l'embout 88, sans communication avec le tube 86 qui fait partie du circuit haute pression, tandis qu'à l'opposé, le fluide haute pression circulant dans ce tube 86 est collecté par une ouverture élargie 100 autorisant la communication avec le reste du circuit haute pression. De la même façon, l'embout 94 comprend une ouverture 102 élargie autorisant la communication avec le circuit basse pression, et en communication avec l'orifice 98. A l'opposé, l'embout 96 comporte un orifice isolé 104 autorisant la traversée du fluide chaud haute pression sans communication avec le tube 92 parcouru par le fluide basse pression.
  • A l'extrémité inférieure de l'empilement, des éléments 106, 108 permettent de réaliser une liaison au reste du circuit de gaz réfrigérant côté basse pression, c'est-à-dire en provenance de l'évaporateur 20 et à destination du compresseur 10 (figure 1).
  • En partie supérieure de l'empilement, le gaz réfrigérant haute pression est directement admis depuis la boîte collectrice 46' du module 40' de l'échangeur WGC3 (figure 6), grâce à un dimensionnement adapté des pièces d'extrémité formant les boîtes collectrices respectives de l'échangeur de chaleur interne IHX et des échangeurs de chaleur liquide/gaz WGC2 et WGC3. En d'autres termes, l'empilement des éléments qui forment les boîtes collectrices suffit à assurer la mise en communication directe de la sortie de l'échangeur WGC3 avec l'entrée de l'échangeur IHX, de la même façon qu'était réalisée la mise en communication directe de la sortie de l'échangeur WGC2 avec l'entrée de l'échangeur WGC3.
  • Jusqu'à présent, les technologies différentes employées pour la réalisation des échangeurs WGC et des échangeurs IHX, respectivement, rendaient complexes, voire impossible leur intégration en un seul et même élément constitué de deux zones d'échange. Il était alors nécessaire de prévoir pour le montage et la connexion de ces éléments au moins quatre brides de connexion, avec leur vis et joints, ainsi qu'un tuyau résistant à la très haute pression du gaz.
  • La solution avantageuse de l'invention permet de regrouper mécaniquement et fonctionnellement le refroidisseur de gaz WGC et l'échangeur interne IHX. Ceci permet, outre la suppression des brides, vis, joints et tuyaux haute pression (réduisant par là même au surplus les risques de fuite), de minimiser les longueurs des liaisons de ces échangeurs au compresseur.
  • Un avantage qui en découle est la réduction du volume de gaz réfrigérant dans le circuit, avec corrélativement une réduction de la taille de l'accumulateur de gaz 22 ce qui, suivant l'architecture du circuit, peut en outre contribuer à une meilleure répartition des volumes du gaz réfrigérant dans la boucle.
  • Un autre avantage encore de l'intégration de l'échangeur de chaleur interne IHX au refroidisseur de gaz WGC2/WGC3 est l'amélioration des performances thermiques globales du circuit dans des conditions de fonctionnement difficiles, notamment par température ambiante élevée.
  • Enfin, du point de vue technologique, outre la suppression des brides, vis, joints et tuyaux haute pression, la structure que l'on a décrite autorise un brasage commun et simultané des boîtiers, des faisceaux de tubes et des boîtes collectrices des trois échangeurs WGC2, WGC3 et IHX.

Claims (23)

  1. Échangeur de chaleur (30, 40 ; 30', 40') entre un premier fluide et un second fluide, cet échangeur de chaleur comprenant un espace intérieur et un faisceau de tubes (34, 44), prévu dans ledit espace intérieur, dans lequel le premier fluide circule et est refroidi par le second fluide, et dans lequel le second fluide est introduit dans l'échangeur de chaleur par une tubulure d'entrée et évacué par une tubulure de sortie et occupe ledit espace intérieur de l'échangeur de chaleur,
    caractérisé en ce qu'il définit au moins deux passes pour le second fluide.
  2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il définit au moins deux passes pour le premier fluide.
  3. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier fluide est un gaz.
  4. Échangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le second fluide est un liquide.
  5. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit espace intérieur comprend au moins deux carters, chacun desdits carters enfermant une pluralité de tubes (34 ; 44) et délimitant une passe pour le premier fluide.
  6. Échangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux carters ont une paroi commune (52) comportant au moins un orifice (60) de mise en communication de l'espace intérieur desdits deux carters.
  7. Échangeur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la paroi commune (52) s'étend parallèlement au faisceau de tubes (34 ; 44).
  8. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend des boîtes collectrices (36, 38), disposées aux extrémités du faisceau (34, 44), aptes à réunir et mettre en communication les tubes du faisceau (34 et 44) à leurs extrémités, ces boîtes collectrices (36, 38) étant aptes à être par ailleurs reliées à un circuit de circulation du premier fluide.
  9. Module d'échange de chaleur (WGC2 ; WGC3), caractérisé :
    - en ce qu'il comprend au moins deux échangeurs de chaleur attenants selon la revendication 8, avec un premier échangeur de chaleur (30) et un second échangeur de chaleur (40),
    - l'un des échangeurs de chaleur (40) est relié à une tubulure d'entrée (42) et l'autre échangeur de chaleur (30) est relié à une tubulure de sortie (32), ces deux tubulures étant aptes à être mise en communication avec un circuit du second fluide, et
    - les deux échangeurs de chaleur possèdent une paroi commune (52) s'étendant parallèlement au faisceau de tubes et comportant au moins un orifice (60) de mise en communication de l'espace intérieur du premier échangeur de chaleur avec l'espace intérieur du second échangeur de chaleur.
  10. Module d'échange de chaleur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les tubulures d'entrée et de sortie de fluide (32, 42) sont disposées à la même extrémité respective du premier échangeur de chaleur et du second échangeur de chaleur, l (les) orifice(s) de mise en communication (60) étant disposé(s) dans la région de l'extrémité opposée du premier échangeur de chaleur et du second échangeur de chaleur.
  11. Module d'échange de chaleur selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque échangeur de chaleur comprend un carter (50) avec deux parois latérales en vis-à-vis (54, 56) entre lesquelles s'étend transversalement le faisceau de tubes (34), et en ce que la dimension transversale séparant ces parois est sensiblement la même que celle du faisceau de tubes, à l'exception de régions latérales élargies (62, 64) situées au voisinage de la tubulure (32) et de(s) l'(des) orifice(s) de mise en communication (60).
  12. Module d'échange de chaleur selon la revendication 11, caractérisé en ce que les parois latérales (54, 56) et le faisceau de tubes (34) sont brasés ensemble dans la région où la dimension transversale séparant ces parois est sensiblement la même que celle du faisceau de tubes.
  13. Module d'échange de chaleur selon la revendication 9, caractérisé en ce que :
    - les boîtes collectrices (36, 38 ; 46, 48) sont formées d'une superposition de plaques formant alternativement passage de fluide et entretoise pour la distribution sélective du premier fluide dans les divers tubes du faisceau, et
    - la paroi (52) commune aux deux échangeurs comporte en direction longitudinale un prolongement (66) s'étendant jusque dans la superposition de plaques constituant les boîtes collectrices, ce prolongement formant une cloison pour la circulation du premier fluide dans les boîtes collectrices (36, 46) situées de part et d'autre de cette cloison.
  14. Module d'échange de chaleur selon la revendication 9, caractérisé en ce que :
    - lesdits au moins deux échangeurs de chaleur attenants (30, 40) sont deux échangeurs de chaleur principaux formant un premier étage échangeur de chaleur (WGC2),
    - il est prévu au moins deux échangeurs de chaleur auxiliaires attenants (30', 40') formant un second étage échangeur (WGC3), distinct du premier étage échangeur et monté attenant à celui-ci, et
    - les boîtes collectrices des premier et second étages échangeurs sont reliées entre elles successivement en série de manière à permettre la circulation du premier fluide successivement dans le premier puis le second étage échangeur.
  15. Module d'échange de chaleur selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte une paroi commune aux deux étages échangeurs, dépourvue d'orifice de mise en communication des volumes intérieurs respectifs des carters des échangeurs de chaleur situés de part et d'autre de cette paroi commune.
  16. Module d'échange de chaleur selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte entre les deux échangeurs de chaleur un élément formant entretoise interposé de manière à définir un intervalle entre les échangeurs de chaleur en vis-à-vis du premier étage échangeur et du second étage échangeur.
  17. Module d'échange de chaleur selon la revendication 14, caractérisé en ce que la tubulure de sortie du premier étage échangeur est reliée à la tubulure d'entrée du second étage échangeur de manière à permettre la circulation du second fluide successivement dans le premier puis le second étage échangeur.
  18. Module d'échange de chaleur selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un étage échangeur de chaleur interne (IHX) comportant un empilement de tubes multicanaux allongés(86, 92), ces tubes étant jointifs et empilés en alternance en deux séries de tubes imbriquées, avec une première série de tubes (86) reliée à la sortie du(des) échangeur(s) de chaleur de manière à être parcourue par le premier fluide à haute pression (HP) délivré par cet (ces) échangeur(s) de chaleur, et une seconde série de tubes (92) apte à être reliée à une branche basse pression (BP) du circuit du premier fluide de manière à être parcourue par le premier fluide froid circulant dans cette branche.
  19. Module d'échange de chaleur selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'étage échangeur interne (IHX) est configuré attenant à l'ensemble formé par les premier et second étages échangeurs de chaleur (WGC2, WGC3).
  20. Module d'échange de chaleur selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'étage échangeur interne (IHX) comprend des boîtes collectrices (88, 90, 94, 96) disposées aux extrémités opposées de l'empilement de tubes, aptes à réunir et mettre en communication à leurs extrémités les tubes respectifs (86, 92) des deux séries de tubes et à y distribuer sélectivement le premier fluide, ces boîtes collectrices comprenant en outre des moyens (106, 108) de liaison au circuit du premier fluide.
  21. Module d'échange de chaleur selon la revendication 20, caractérisé en ce que les boîtes collectrices (88, 90, 94, 96) de l'étage échangeur interne (IHX) sont disposées dans l'alignement des boîtes collectrices (36, 38, 46, 48) des échangeurs de chaleur (30, 40, 30', 40') du premier et du second étages échangeurs de chaleur (WGC2, WGC3).
  22. Module d'échange de chaleur selon la revendication 21, caractérisé en ce que les boîtes collectrices (88, 90, 94, 96) de l'étage échangeur interne (IHX) reliées à la première série de tubes (86) sont reliées en série avec les boîtes collectrices (36, 38, 46, 48) des échangeurs de chaleur (30, 40, 30', 40') du premier et du second étages échangeurs de chaleur (WGC2, WGC3) de manière à permettre l'alimentation de l'étage échangeur interne par le fluide chaud à haute pression délivré directement par les premier et second étages échangeurs de chaleur.
  23. Équipement de climatisation pour véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 8, ou un module d'échange de chaleur selon l'une des revendications 9 à 22.
EP07116262A 2006-09-21 2007-09-12 Echangeur de chaleur de type liquide/gaz, notamment pour un équipement de climatisation de véhicule automobile utilisant un fluide réfrigérant opérant à l'état supercritique tel que CO2 Withdrawn EP1903293A3 (fr)

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