EP2464941A1 - Echangeur de chaleur à au moins deux passes et boucle de climatisation comprenant un tel échangeur de chaleur. - Google Patents

Echangeur de chaleur à au moins deux passes et boucle de climatisation comprenant un tel échangeur de chaleur.

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Publication number
EP2464941A1
EP2464941A1 EP10740199A EP10740199A EP2464941A1 EP 2464941 A1 EP2464941 A1 EP 2464941A1 EP 10740199 A EP10740199 A EP 10740199A EP 10740199 A EP10740199 A EP 10740199A EP 2464941 A1 EP2464941 A1 EP 2464941A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
refrigerant
tubes
air conditioning
conditioning loop
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10740199A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Bertrand Nicolas
Mohamed Yahia
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo Systemes Thermiques SAS
Original Assignee
Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Systemes Thermiques SAS filed Critical Valeo Systemes Thermiques SAS
Publication of EP2464941A1 publication Critical patent/EP2464941A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
    • F28D1/053—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being straight
    • F28D1/0535—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being straight the conduits having a non-circular cross-section
    • F28D1/05366—Assemblies of conduits connected to common headers, e.g. core type radiators
    • F28D1/05375—Assemblies of conduits connected to common headers, e.g. core type radiators with particular pattern of flow, e.g. change of flow direction
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/20—Arrangements for cooling
    • H10W40/22—Arrangements for cooling characterised by their shape, e.g. having conical or cylindrical projections
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/40—Arrangements for thermal protection or thermal control involving heat exchange by flowing fluids
    • H10W40/43—Arrangements for thermal protection or thermal control involving heat exchange by flowing fluids by flowing gases, e.g. forced air cooling
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/70—Fillings or auxiliary members in containers or in encapsulations for thermal protection or control
    • H10W40/73—Fillings or auxiliary members in containers or in encapsulations for thermal protection or control for cooling by change of state

Definitions

  • Heat exchanger with at least two passes and air conditioning loop including such a heat exchanger is provided.
  • the invention is in the field of heating, ventilation and / or air conditioning equipment equipping a motor vehicle. It relates to a heat exchanger integrated in an air conditioning loop forming part of such an installation. It also relates to such an air conditioning loop.
  • a motor vehicle is commonly equipped with a heating, ventilation and / or air conditioning system for modifying the aerothermal parameters of a flow of air diffused inside the passenger compartment of the vehicle.
  • the heating, ventilation and / or air-conditioning system consists mainly of a housing that channels the circulation of the airflow to at least one air outlet through which the airflow is distributed outside. from the case to the passenger compartment.
  • the housing is for example made of plastic and is housed under a dashboard of the vehicle.
  • the heating, ventilation and / or air conditioning installation also includes an air conditioning loop inside which a refrigerant circulates.
  • the refrigerant is for example a hydrofluorocarbon, in particular the fluid known under the name R134a, or a compound based on hydrofluoroolefin, especially the fluid known under the name HFO1234yf.
  • the present invention also finds application with all refrigerants similar to those mentioned above.
  • the air conditioning loop includes an external heat exchanger placed at the front of the vehicle to exchange heat with a flow of air outside the vehicle.
  • the external heat exchanger is traversed by the outside air but is not in contact with the air flow intended to be distributed in the passenger compartment of the vehicle.
  • the outdoor heat exchanger can be an exchanger comprising at least two passes, that is to say an exchanger comprising at least two series of tubes, the refrigerant flowing successively in a first direction inside a first series of tubes, then in a reverse direction in the first direction inside a second series of tubes.
  • the refrigerant circulates successively inside a first compartment of a first manifold, through the first series of tubes, a second collector, through the second set of tubes, a second compartment of the first manifold to be finally discharged out of the outdoor heat exchanger.
  • the first compartment is juxtaposed to the second compartment being sealed relative to each other.
  • the first manifold and the second manifold are each provided at a respective lateral end of the heat exchanger and the tubes are arranged between the manifolds parallel to each other.
  • EP 1 980 81 1 which describes a heat exchanger of the aforementioned type.
  • the air conditioning loop can be arranged to operate either in "heating mode", allowing a heating of the air flow via a heat exchanger that includes the air conditioning loop operating as a condenser, or in "cooling mode", allowing a cooling of the air flow via a heat exchanger that also includes the air conditioning loop operating as an evaporator.
  • the outdoor heat exchanger behaves like an evaporator.
  • the coolant heats up by capturing calories carried by the outside air flow.
  • the outdoor heat exchanger behaves like a condenser.
  • the refrigerant cools by giving calories to the outside air.
  • the air conditioning loop comprises a bypass duct arranged in parallel with the evaporator.
  • the coolant always circulates, in "heating mode” and “cooling mode”, in the same direction inside the air conditioning loop, and in particular inside the heat exchanger. outside.
  • the air conditioning loop comprises a four-way valve capable of reversing the direction of circulation of the refrigerant inside the external heat exchanger. It follows from these provisions that according to the direction of circulation of the refrigerant inside the external heat exchanger, the refrigerant circulates either through the first series of tubes and then through the second series of tubes, either through the second set of tubes then through the first set of tubes.
  • the designers of such heat exchangers wish to have an optimized heat exchanger allowing satisfactory heat exchanges, whatever the mode of operation of the air conditioning loop and whatever the direction of circulation of the refrigerant fluid within the outdoor heat exchanger.
  • a general problem consists in determining an optimal arrangement of such a heat exchanger which is able to allow the most satisfactory heat exchange possible, that the heat exchanger behaves like an evaporator or a condenser , whatever the direction of circulation of the refrigerant inside the heat exchanger and whatever the refrigerant used.
  • the object of the present invention is to provide a heat exchanger integrated in an air conditioning loop of a heating, ventilation and / or air conditioning of a motor vehicle, the heat exchanger being optimized to allow transfers thermal conditions between a refrigerant circulating inside the air conditioning loop and a flow of air outside the vehicle in contact with the heat exchanger, the refrigerant being in particular a hydrofluorocarbon, in particular the fluid known under the name R134a, or a compound based on hydrofluoroolefin, especially the fluid known under the name HFO1234yf, the air conditioning loop being capable of operating in "cooling mode" and " heating mode ", and the flow direction of the coolant being able to be reversed inside the heat exchanger according to the operating mode of the air conditioning loop.
  • the refrigerant being in particular a hydrofluorocarbon, in particular the fluid known under the name R134a, or a compound based on hydrofluoroolefin, especially the fluid known under the name HFO1234yf
  • the air conditioning loop
  • the heat exchanger of the present invention is a heat exchanger with at least two passes, preferably two passes, comprising N tubes divided into two series of tubes, including a first series comprising N1 tubes between a first collector and a second one. collector, and a second series comprising N2 tubes between the second collector and a third collector.
  • An N1 / N ratio is between 15% and 50%.
  • the ratio N1 / N is between 35% and 50%, preferably between 40% and 50%.
  • the ratio N1 / N is for example of the order of or equal to 35%, or 40%, or 45% or 50%.
  • the ratio N1 / N is between 15% and 35%, preferably between 15% and 25%.
  • the ratio N1 / N is for example of the order of or equal to 15% or 20%.
  • the first collector comprises a first compartment and a second compartment, the third collector being formed by the second compartment of the first collector.
  • An air conditioning loop of the present invention comprises a heat exchanger as defined above.
  • FIGS. 1 and 2 are diagrammatic illustrations of a first alternative embodiment of an air conditioning loop according to the present invention according to two respective modes of operation,
  • FIGS. 3 and 4 are schematic illustrations of a second alternative embodiment of an air conditioning loop according to the present invention according to two respective modes of operation
  • FIGS. 5 and 6 are diagrammatic illustrations of a heat exchanger according to the present invention of the first and second embodiments represented in FIGS. 1 to 4,
  • FIGS. 7 to 10 are graphical representations of the evolution of a power exchanged between a first type of refrigerant circulating inside the heat exchanger of FIGS. 5 and 6 and an outside air flow therethrough.
  • the heat exchanger according to various arrangements of the heat exchanger,
  • FIGS. 11 and 12 are graphical representations of the thermal performance evolution of the heat exchanger according to various arrangements of the heat exchanger
  • FIGS. 13 to 14 are graphical representations of the evolution of a power exchanged between a second type of refrigerant fluid circulating inside the heat exchanger shown in FIGS. 5 and 6 and an outside air passing through the heat exchanger according to various arrangements of the heat exchanger.
  • FIG. 15 is a graphical representation of the thermal performance evolution of the heat exchanger according to various arrangements of the heat exchanger.
  • Figures 1 to 4 are respective schematic illustrations of a first embodiment and a second alternative embodiment of an air conditioning loop according to the present invention according to two respective modes of operation.
  • a motor vehicle is equipped with a heating, ventilation and / or air conditioning system for modifying the aerothermal parameters of an air flow distributed inside the passenger compartment. of the vehicle.
  • the heating, ventilation and / or air conditioning installation consists mainly of a housing 1 made of plastic and housed under a dashboard of the vehicle.
  • the heating, ventilation and / or air conditioning system is intended to channel the circulation of an air flow 2 from at least one air inlet to at least one air outlet through which the flow air 2 is diffused outside the housing 1 of the heating, ventilation and / or air conditioning system in the passenger compartment of the vehicle.
  • the heating, ventilation and / or air conditioning installation also comprises an air conditioning loop. 3 inside which circulates a refrigerant fluid FR in a direction of circulation 4.
  • the refrigerant fluid FR is for example a hydrofluorocarbon, especially the fluid known under the name R134a, or a compound based on hydrofluoroolefin, in particularly the fluid known under the name HFO1234yf, or any other similar refrigerant fluid.
  • the air conditioning loop 3 comprises a compressor 5 capable of compressing the refrigerant fluid FR, an external heat exchanger 6 capable of exchanging calories with a flow of air outside the vehicle 7 and an accumulator 8.
  • the accumulator 8 is disposed directly upstream of the compressor 5 in the direction of circulation 4 of the refrigerant fluid FR inside the air conditioning loop 3 to collect the cooling fluid FR in the liquid state. .
  • the external heat exchanger 6 is disposed at the front of the vehicle to exchange heat with the outside air flow 7 which passes therethrough.
  • the external heat exchanger 6 is not in contact with the air flow 2 intended to be diffused into the passenger compartment of the vehicle as a result of its circulation inside the housing 1.
  • air conditioning 3 comprises an indoor heat exchanger 9 housed inside the housing 1 and through which the air stream 2 to change the aerothermal parameters of the latter, in particular its temperature.
  • FIGS. 1 and 2 A first variant embodiment is illustrated in FIGS. 1 and 2.
  • the air conditioning loop 3 comprises a first bypass duct 10.
  • the first bypass duct 10 is able to allow or prevent the circulation of the refrigerant fluid.
  • FR inside the indoor heat exchanger 9.
  • the air conditioning loop 3 also comprises a first expansion member 1 1 disposed between the external heat exchanger 6 and the internal heat exchanger 9 in the direction of circulation 4 of the refrigerant FR inside the air conditioning loop 3.
  • the first expansion element 1 1 is more particularly arranged between the first bypass duct 10 and the external heat exchanger 6, upstream of the external heat exchanger 6 in the direction of circulation 4 of the refrigerating fluid FR inside the air conditioning loop 3.
  • the air conditioning loop 3 also comprises an internal condenser 12 housed inside the housing 1 and arranged directly downstream of the compressor 5 according to the flow direction 4 of the refrigerant fluid FR inside the air conditioning loop 3.
  • the internal condenser 12 is intended to cool the refrigerant fluid FR.
  • the cooling of the refrigerant fluid FR in the internal condenser 12 causes a heating of the air flow 2 which passes through it.
  • the air conditioning loop 3 also comprises a second expansion member 13 interposed between the internal condenser 12 and the external heat exchanger 6.
  • the second expansion member 13 is associated with a second bypass duct 14 for circulating the refrigerant FR either through the second expansion member 13 to the external heat exchanger 6, or directly from the internal condenser 12 to the external heat exchanger 6 bypassing the second expansion member 13.
  • the air conditioning loop 3 operates according to the first embodiment in "cooling mode".
  • the refrigerant fluid FR flows from the compressor 5 to the internal condenser 12, then flows through the second bypass duct 14 to the outdoor heat exchanger 6, which behaves, in this configuration, as a condenser. heating the outside air flow 7, then to the first expansion member 1 1, in which the refrigerant FR undergoes expansion, then to the indoor heat exchanger 9, which behaves, according to this configuration, as an evaporator in cooling the air flow 2, then to the accumulator 8 to return to the compressor 5.
  • an external heat exchanger 6 which is configured to give as much heat as possible to the air flow outside 7.
  • the air conditioning loop 3 operates according to the first embodiment in "heating mode".
  • the refrigerant fluid FR flows from the compressor 5 to the internal condenser 12, then flows through the second expansion member 13, in which the refrigerant FR undergoes expansion, then to the external heat exchanger 6, who behaves, according to this configuration, as an evaporator cooling the outside air flow 7, then flows through the first bypass duct 10, to the accumulator 8 to return to the compressor 5.
  • a heat exchanger outside 6 which is configured to capture as much heat as possible to the outside air flow 7.
  • the refrigerant fluid FR flows in the same direction through the outdoor heat exchanger 6 regardless of the operating mode of the air conditioning loop 3 ("heating mode” or “cooling mode”), to namely from a first orifice 15 of the external heat exchanger 6, in relation to the second expansion member 13 and the second bypass duct 14, to a second orifice 16 of the external heat exchanger 6, in relation with the first expansion member 1 1 and the first bypass duct 10.
  • the first orifice 15 constitutes an inlet for the refrigerant fluid FR inside the heat exchanger. 6 while the second orifice 16 constitutes an outlet of the refrigerant FR outside the external heat exchanger 6.
  • the external heat exchanger 6 is a condenser or an evaporator and is characterized by refrigerant fluid densities FR taken at the inlet of the first orifice 15 and at the outlet of the second orifice 16 which differ from one another. Indeed, when the external heat exchanger 6 behaves like a condenser, the refrigerating fluid FR is wholly or partly in the gas phase at the first orifice 15 and is wholly or partly in the liquid phase at the level of the second orifice 16. It follows that the density of the refrigerant FR at the first orifice 15 is less than the density of the refrigerant FR at the second orifice 16.
  • the refrigerant FR is a mixture of gaseous phase and liquid phase at the first orifice 15 while the refrigerating fluid FR is, in whole or in part, in the gas phase at the second orifice 16. It follows that the density of the refrigerant FR at the first orifice 15 is greater than the density of the refrigerant FR at the second orifice 16.
  • the present invention provides a solution from a main and advantageous feature of the outdoor heat exchanger 6 which is further developed.
  • the air conditioning loop 3 comprises a four-way valve 17 able to reverse the flow direction 4 of the refrigerating fluid FR inside the external heat exchanger 6.
  • the air conditioning loop 3 comprises an expansion member 18 interposed between the outer heat exchanger 6 and the inner heat exchanger 9, upstream of the inner heat exchanger 9.
  • the second variant comprises numerous elements in common with the first embodiment. Accordingly, unless otherwise indicated, these elements have the same characteristics and specificities as those described above. Consequently, they will be identified by the same as that provided in connection with the description of the first variant embodiment.
  • the air conditioning loop 3 operates, according to the second embodiment, in "cooling mode".
  • the coolant FR flows from the compressor 5 to the four-way valve 17.
  • the four-way valve 17 is configured to circulate the coolant FR to the first port 15 of the heat exchanger 6.
  • the refrigerating fluid FR passes through the external heat exchanger 6 to the second orifice 16.
  • the external heat exchanger 6 behaves as a condenser inside which the cooling fluid FR cools. by giving heat to the outside air flow 7.
  • the refrigerant fluid FR flows to the expansion member 18, in which it undergoes a relaxation, then flows through the internal heat exchanger 9, which behaves, according to this configuration, as an evaporator cooling the flow of air 2 which passes through it.
  • the refrigerant fluid joins the four-way valve 17 configured to circulate the refrigerant fluid FR to the accumulator 8 and return to the compressor 5.
  • an external heat exchanger 6 which is configured so as to give as much heat as possible to the outside air flow 7.
  • the air conditioning loop 3 operates, according to the second embodiment, in "heating mode".
  • the refrigerant fluid FR flows from the compressor 5 to the 4-way valve 17.
  • the four-way valve 17 is configured to circulate the refrigerant fluid FR to the inner heat exchanger 9, which behaves according to this configuration, as a condenser by heating the flow of air 2 which passes through it.
  • the coolant FR passes through the expansion member 18 to then enter the interior of the external heat exchanger 6 via the second orifice 16.
  • the refrigerant FR passes through the external heat exchanger 6, which in this configuration behaves like an evaporator and is discharged out of the external heat exchanger 6 via the first orifice 15 to join the four-way valve 17 configured to circulate the fluid refrigerant FR to the accumulator 8, then the compressor 5.
  • an external heat exchanger 6 which is configured to capture as much heat as possible to the outside air 7.
  • the refrigerant fluid FR flows in reversed directions inside the outdoor heat exchanger 6 according to the operating mode of the air conditioning loop 3.
  • the refrigerant fluid FR circulates since the first orifice 15, in relation to the four-way valve 17, to a second orifice 16, in relation to the expansion member 18.
  • the first orifice 15 constitutes an orifice of FR refrigerant enters the inside of the external heat exchanger 6 while the second port 16 constitutes an outlet of the refrigerant FR outside the heat exchanger. heat 6.
  • the refrigerant fluid FR flows from the second orifice 16, in relation to the expansion member 18, to the first orifice 15, in relation with the four-way valve 17.
  • the first orifice 15 constitutes an outlet of the refrigerating fluid FR out of the external heat exchanger 6
  • the second orifice 16 constitutes an inlet for the refrigerant fluid FR inside the the heat exchanger 6.
  • the difference between the passage section of the refrigerant fluid FR at the inlet of the external heat exchanger 6 and the passage section of the refrigerant fluid FR output of the external heat exchanger 6 is not a criterion to take into account since the first port 15 and the second port 16 are either an inlet or an outlet, depending on the configurations.
  • the present invention advantageously proposes an external heat exchanger 6 which makes it possible to achieve the best possible performances between, on the one hand, optimized operation in "cooling mode” and “heating mode” and, on the other hand, between two opposite configurations in which the first orifice 15 is either an inlet for the refrigerating fluid FR inside the heat exchanger 6, or an outlet for the refrigerant FR outside the heat exchanger 6, and conversely for the second orifice 16.
  • the heat exchanger 6 is a heat exchanger with at least two passes comprising a number N of tubes 19 distributed in at least two sets of tubes 19.
  • the example of FIGS. 5 and 6 comprises only two series of tubes 19.
  • the present invention is also applicable to heat exchangers comprising more than two series of tubes 19.
  • the heat exchanger 6 is a two-pass heat exchanger comprising a number N of tubes 19 distributed in two series of tubes 19.
  • a first series of tubes 19 comprises a number
  • a second series of tubes 19 comprises a number N2 of tubes 19.
  • the number N of tubes 19 of the heat exchanger 6 is equal to the sum of the number N1 of tubes 19 of the first series of tubes 19 and the number N2 of tubes 19 of the second series of tubes 19.
  • the first series of tubes 19 is between a first manifold 21 and a second manifold 22.
  • the first series of tubes 19 is between a first compartment 20 of the first manifold 21 and the second manifold 22.
  • the second series of tubes 19 is between the second manifold 22 and a third manifold 23.
  • the third manifold is formed by a second compartment 23 of the first manifold 21.
  • the tubes 19 are identical to each other and have a section A equal to each other of the tubes 19.
  • the passage section of the refrigerating fluid FR at the inlet of the external heat exchanger 6 is proportional to the number N1 of tubes 19 of the first series.
  • the passage section of the refrigerating fluid FR at the outlet of the external heat exchanger 6 is directly proportional to the number N 2 of tubes 19 of the second series.
  • the first collector 21 and the second collector 22 are formed at respective opposite ends of the heat exchanger 6.
  • the first collector 21 consists of the first compartment 20 and the second compartment 23 which are arranged in such a manner tight relative to each other.
  • the first compartment 20 is juxtaposed with the second compartment 23.
  • the first compartment 20 is provided with the first port 15 while the second compartment 23 is provided with the second port 16.
  • An insert 24 is interposed between two adjacent tubes 19 to facilitate a heat exchange between the refrigerant FR and the outside air flow 7.
  • the tubes 19 are arranged parallel to each other, the N1 tubes 19 of the first series being traversed by the refrigerant fluid FR in a first direction S1 while the N2 tubes 19 of the second series are traversed by the refrigerant in a second direction S2 opposite the first direction S1.
  • the N2 tubes 19 of the second series can be traversed by the refrigerant, alternately and / or successively, in a second direction S2, opposite the first direction S1, for a part of the N2 tubes 19 of the second series, and in the first direction S1 for the other part of the N2 tubes 19 of the second series.
  • the first orifice 15 of the external heat exchanger 6 constitutes an inlet for the refrigerating fluid FR inside the external heat exchanger 6 and the second orifice 16 for the exchanger 6 is an outlet orifice of the refrigerating fluid FR out of the heat exchanger 6.
  • the first orifice 15 of the external heat exchanger 6 constitutes an outlet orifice of the refrigerant fluid FR out of the external heat exchanger 6 and the second orifice 16 of the external heat exchanger 6 constitutes an inlet for the refrigerating fluid FR inside the heat exchanger 6.
  • the external heat exchanger 6 according to FIG. 6 is adapted to be integrated in the air conditioning loop 3 according to the illustrated operating mode. in FIG. 4.
  • the thermal performance of such a heat exchanger 6 is optimized from the characteristic of the heat exchanger 6 which resides in a ratio N1 / N of between 10% and 50%.
  • N1 / N of between 10% and 50%.
  • less than half of the N tubes of the heat exchanger 6 is between the first compartment 20 and the second collector 22.
  • the heat exchanger 6 verifies the Inequation N1 • N2.
  • Such a distribution of the circulation of the refrigerant fluid FR inside the heat exchanger 6 provides optimum performance for optimized operation in "cooling mode” and “heating mode” but also between two opposite configurations of fluid circulation FR refrigerant inside the heat exchanger 6 respectively illustrated in Figures 5 and 6.
  • the designers of such a heat exchanger 6 are able to offer a single heat exchanger 6 adapted to operate optimally on a relatively arbitrary air conditioning loop 3 within which circulates a refrigerant fluid FR, indifferently constituted by a hydrofluorocarbon, in particular the fluid known under the name R134a, or a compound based on hydrofluoroolefin, especially the fluid known under the name HFO1234yf.
  • a hydrofluorocarbon in particular the fluid known under the name R134a
  • a compound based on hydrofluoroolefin especially the fluid known under the name HFO1234yf.
  • the refrigerant fluid FR is R134a and the external heat exchanger 6 has a front surface taken perpendicularly to the direction of flow of the outside air 7, that is to say, parallel to the planes of Figures 5 and 6.
  • the front surface varies from 20 dm 2 to 31.8 dm 2 .
  • FIGS. 7 and 8 show the evolution of the exchanged power P in "cooling mode" between the refrigerating fluid FR and the outside air flow 7 as a function of the ratio N1 / N for flow velocities of the air flow outside 7 through the heat exchanger 6 respectively of 1, 5 m / s, 2 m / s and 3 m / s.
  • FIG. 7 shows the evolution of the exchanged power P of the heat exchanger 6 having the front surface equal to 31.8 dm 2 while FIG. 8 shows the evolution of the exchanged power P of the heat exchanger 6 having the frontal area equal to 20 dm 2 .
  • the power exchanged P is maximum when the ratio N1 / N is the highest possible.
  • FIGS. 7 and 8 show two examples of evolution of the exchanged power P of the heat exchanger 6 for two specific values of the front surface
  • the present invention is not limited to these values and also applies heat exchangers 6 having other frontal surface value.
  • FIGS. 9 and 10 show the evolution of the exchanged power P in "heating mode" between the refrigerant fluid FR and the external air flow 7 represent the N1 / N ratio for the temperatures of the outside air flow 7 upstream of the external heat exchanger 6 at 0 ° C., at -5 ° C. and at -10 9 C. respectively.
  • FIG. 9 shows the evolution of the exchanged power P of the heat exchanger 6 having the front surface equal to 31.8 dm 2 while FIG. 10 shows the evolution of the exchanged power P of the heat exchanger 6 having the frontal area equal to 20 dm 2 .
  • the power exchanged P is maximum when the ratio N1 / N is the lowest possible.
  • FIGS. 7 to 10 show two examples of evolution of the exchanged power P of the heat exchanger 6 for two specific values of the frontal surface, the present invention is not limited to these values and also applies heat exchangers 6 having other frontal surface value. It is then possible to determine a ratio R proportional to the product of the powers exchanged P according to each of the two modes envisaged. The evolution of the ratio R is represented in FIG.
  • the optimized ratio R that is to say the ratio R the largest, is for a ratio N1 / N between 30% and 50%. More particularly, the ratio R is optimized for an N1 / N ratio of between 35% and 45%, preferably of the order of 40%.
  • FIGS. 13 to 15 are graphical representations of the evolution of a power exchanged between a second type of refrigerant circulating inside the heat exchanger shown in FIGS. 5 and 6 and an air outside through the heat exchanger according to various arrangements of the heat exchanger.
  • the refrigerant fluid FR is HFO1234yf and the heat exchanger 6 has a front surface taken perpendicularly to the flow direction of the outside air flow 7 of the order of 31.8 dm 2 .
  • FIG. 13 represents the evolution of the power exchanged P in "cooling mode" between the refrigerating fluid FR and the outside air flow 7 as a function of the N1 / N for the flow rates of the outside air 7 through the heat exchanger 6 respectively of 1, 5 m / s, 2 m / s and 3 m / s.
  • the exchanged power P is maximum when the ratio N1 / N is the highest possible.
  • FIG. 14 represents the evolution of the exchanged power P in "heating mode" between the refrigerating fluid FR and the outside air flow 7 as a function of the N1 / N for the temperatures of the outside air flow 7 at the inlet of the external heat exchanger 6 at 0 ° C, -5 ° C and -10 ° C, respectively.
  • the power exchanged P is maximum when the ratio N1 / N is the lowest possible. It is then possible to determine a ratio R proportional to the product of the powers exchanged P according to each of the two modes envisaged.
  • the evolution of the ratio R is shown in FIG. 14.
  • the optimized ratio R that is to say the largest ratio R, is found for a ratio N1 / N of between 35% and 50%. More particularly, the ratio R is optimized for an N1 / N ratio of between 40% and 50%, preferably of the order of 45%.
  • the optimized ratio N1 / N is between 15% and 35%. More particularly, the ratio R is optimized for a ratio N1 / N of between 15% and 25%, preferably of the order of 20%.

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Abstract

La présente invention a pour objet un changeur de chaleur (6) au moins deux passes comprenant N tubes (19) répartis en deux séries de tubes (19), dont une première série comportant N1 tubes (19) compris entre un premier collecteur (21) et un deuxième collecteur (22), et une deuxième série comportant N2 tubes (19) compris entre le deuxième collecteur (22) et un troisième collecteur (23). Un 10 rapport N1/N est compris entre 15% et 50%.

Description

Echangeur de chaleur à au moins deux passes et boucle de climatisation comprenant un tel echangeur de chaleur.
L'invention est du domaine des installations de chauffage, de ventilation et/ou de climatisation équipant un véhicule automobile. Elle a pour objet un echangeur de chaleur intégré à une boucle de climatisation faisant partie intégrante d'une telle installation. Elle a aussi pour objet une telle boucle de climatisation.
Un véhicule automobile est couramment équipé d'une installation de chauffage, de ventilation et/ou de climatisation pour modifier les paramètres aérothermiques d'un flux d'air diffusé à l'intérieur de l'habitacle du véhicule. L'installation de chauffage, de ventilation et/ou de climatisation est principalement constituée d'un boîtier qui canalise la circulation du flux d'air jusqu'à au moins une sortie d'air à travers laquelle le flux d'air est distribué hors du boîtier vers l'habitacle. Le boîtier est par exemple réalisé en matière plastique et est logé sous une planche de bord du véhicule.
Pour modifier la température du flux d'air préalablement à sa diffusion hors du boîtier, l'installation de chauffage, de ventilation et/ou de climatisation comprend également avec une boucle de climatisation à l'intérieur de laquelle circule un fluide réfrigérant. Le fluide réfrigérant est par exemple un hydrofluorocarbure, en particulier le fluide connu sous la dénomination R134a, ou un composé à base d'hydrofluoro-oléfine, notamment le fluide connu sous la dénomination HFO1234yf. La présente invention trouve également une application avec tous fluides réfrigérants analogues à ceux cités précédemment.
La boucle de climatisation comprend notamment un echangeur de chaleur extérieur placé à l'avant du véhicule pour échanger de la chaleur avec un flux d'air extérieur au véhicule. L'échangeur de chaleur extérieur est traversé par l'air extérieur mais n'est pas en contact avec le flux d'air destiné à être distribué dans l'habitacle du véhicule. En particulier, l'échangeur de chaleur extérieur peut être un échangeur comportant au moins à deux passes, c'est-à-dire un échangeur comprenant au moins deux séries de tubes, le fluide réfrigérant circulant successivement dans un premier sens à l'intérieur d'une première série de tubes, puis dans un sens inverse au premier sens à l'intérieur d'une deuxième série de tubes. Plus précisément, à l'intérieur de l'échangeur de chaleur, le fluide réfrigérant circule successivement à l'intérieur d'un premier compartiment d'un premier collecteur, à travers la première série de tubes, d'un deuxième collecteur, à travers la deuxième série de tubes, d'un deuxième compartiment du premier collecteur pour être finalement évacué hors de l'échangeur de chaleur extérieur. Le premier compartiment est juxtaposé au deuxième compartiment en étant étanche l'un par rapport à l'autre. Le premier collecteur et le deuxième collecteur sont chacun ménagés à une extrémité latérale respective de l'échangeur de chaleur et les tubes sont disposés entre les collecteurs parallèlement les uns aux autres. On pourra par exemple se reporter au document EP 1 980 81 1 qui décrit un échangeur de chaleur du genre susvisé.
Par ailleurs, la boucle de climatisation peut être agencée pour fonctionner soit en « mode chauffage », permettant un réchauffement du flux d'air par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur que comporte la boucle de climatisation fonctionnant en tant que condenseur, soit en « mode refroidissement », permettant un refroidissement du flux d'air par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur que comporte également la boucle de climatisation fonctionnant en tant que évaporateur. Dans le cas où la boucle de climatisation fonctionne en « mode chauffage », l'échangeur de chaleur extérieur se comporte comme un évaporateur. Autrement dit, à l'intérieur de l'échangeur de chaleur extérieur, le fluide réfrigérant se réchauffe en captant des calories véhiculées par le flux d'air extérieur. Dans le cas où la boucle de climatisation fonctionne en « mode refroidissement », l'échangeur de chaleur extérieur se comporte comme un condenseur. Autrement dit, à l'intérieur de l'échangeur de chaleur, le fluide réfrigérant se refroidit en cédant des calories à l'air extérieur. Selon une première variante de réalisation, la boucle de climatisation comprend un conduit de contournement disposé en parallèle de l'évaporateur. Dans ce cas- là, le fluide réfrigérant circule toujours, en « mode chauffage » et en « mode refroidissement », dans le même sens à l'intérieur de la boucle de climatisation, et notamment à l'intérieur de l'échangeur de chaleur extérieur.
Selon une deuxième variante de réalisation, la boucle de climatisation comprend une vanne quatre voies apte à inverser le sens de circulation du fluide réfrigérant à l'intérieur de l'échangeur de chaleur extérieur. Il découle de ces dispositions que selon le sens de circulation du fluide réfrigérant à l'intérieur de l'échangeur de chaleur extérieur, le fluide réfrigérant circule soit à travers la première série de tubes puis à travers la deuxième série de tubes, soit à travers la deuxième série de tubes puis à travers la première série de tubes. Les concepteurs de tels échangeurs de chaleur souhaitent disposer d'un échangeur de chaleur optimisé permettant des échanges de chaleur satisfaisants, quel que soit le mode de fonctionnement de la boucle de climatisation et quelque soit le sens de circulation du fluide réfrigérant à l'intérieur de l'échangeur de chaleur extérieur. Il en ressort qu'un problème général consiste à déterminer un agencement optimal d'un tel échangeur de chaleur qui soit à même de permettre des échanges de chaleur les plus satisfaisants possible, que l'échangeur de chaleur se comporte comme un évaporateur ou un condenseur, quelque soit le sens de circulation du fluide réfrigérant à l'intérieur de l'échangeur de chaleur et quelque soit le fluide réfrigérant utilisé.
Le but de la présente invention est de proposer un échangeur de chaleur intégré à une boucle de climatisation d'une installation de chauffage, de ventilation et/ou de climatisation d'un véhicule automobile, l'échangeur de chaleur étant optimisé pour permettre des transferts thermiques satisfaisants entre un fluide réfrigérant circulant à l'intérieur de la boucle de climatisation et un flux d'air extérieur au véhicule en contact avec l'échangeur de chaleur, le fluide réfrigérant étant notamment un hydrofluorocarbure, en particulier le fluide connu sous la dénomination R134a, ou un composé à base d'hydrofluoro-oléfine, notamment le fluide connu sous la dénomination HFO1234yf, la boucle de climatisation étant susceptible de fonctionner en « mode refroidissement » et en « mode chauffage », et le sens de circulation du fluide réfrigérant étant susceptible d'être inversé à l'intérieur de l'échangeur de chaleur selon le mode de fonctionnement de la boucle de climatisation. Un autre but de la présente invention est de proposer une telle boucle de climatisation. L'échangeur de chaleur de la présente invention est un échangeur de chaleur à au moins deux passes, préférentiellement à deux passes, comprenant N tubes répartis en deux séries de tubes, dont une première série comportant N1 tubes compris entre un premier collecteur et un deuxième collecteur, et une deuxième série comportant N2 tubes compris entre le deuxième collecteur et un troisième collecteur. Un rapport N1/N est compris entre 15% et 50%.
Selon un premier mode de réalisation, le rapport N1/N est compris entre 35% et 50%, préférentiellement entre 40% et 50%. Le rapport N1/N est par exemple de l'ordre de ou égal à 35%, ou 40%, ou 45% ou 50%.
Selon un deuxième mode de réalisation, le rapport N1/N est compris entre 15% et 35%, préférentiellement entre 15% et 25%. Le rapport N1/N est par exemple de l'ordre de ou égal à 15% ou 20%. Avantageusement, le premier collecteur comprend un premier compartiment et un deuxième compartiment, le troisième collecteur étant réalisé par le deuxième compartiment du premier collecteur.
Une boucle de climatisation de la présente invention comprend un échangeur de chaleur tel que défini précédemment. La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront encore à la lecture de la description détaillée qui suit comprenant des exemples de réalisation donnés à titre illustratif en référence avec les figures annexées, données à titre d'exemples non limitatifs, qui pourront servir à compléter la compréhension de la présente invention et l'exposé de sa réalisation sur lesquels :
• Les figures 1 et 2 sont des illustrations schématiques d'une première variante de réalisation d'une boucle de climatisation selon la présente invention selon deux modes de fonctionnement respectifs,
• Les figures 3 et 4 sont des illustrations schématiques d'une deuxième variante de réalisation d'une boucle de climatisation selon la présente invention selon deux modes de fonctionnement respectifs,
• Les figures 5 et 6 sont des illustrations schématiques d'un échangeur de chaleur selon la présente invention des premières et deuxièmes variantes de réalisation représentées sur les figures 1 à 4,
• Les figures 7 à 10 sont des représentations graphiques de l'évolution d'une puissance échangée entre un premier type de fluide réfrigérant circulant à l'intérieur de l'échangeur de chaleur des figures 5 et 6 et un flux d'air extérieur traversant l'échangeur de chaleur selon divers agencements de l'échangeur de chaleur,
• Les figures 1 1 et 12 sont des représentations graphiques de l'évolution de performances thermiques de l'échangeur de chaleur selon divers agencements de l'échangeur de chaleur,
• Les figures 13 à 14 sont des représentations graphiques de l'évolution d'une puissance échangée entre un deuxième type de fluide réfrigérant circulant à l'intérieur de l'échangeur de chaleur représenté sur les figures 5 et 6 et un air extérieur traversant l'échangeur de chaleur selon divers agencements de l'échangeur de chaleur.
• La figure 15 est une représentation graphique de l'évolution de performances thermiques de l'échangeur de chaleur selon divers agencements de l'échangeur de chaleur. Les figures 1 à 4 sont des illustrations schématiques respectives d'une première variante de réalisation et d'une deuxième variante de réalisation d'une boucle de climatisation selon la présente invention selon deux modes de fonctionnement respectifs.
Telle que présentée sur les figures 1 à 4, un véhicule automobile est équipé d'une installation de chauffage, de ventilation et/ou de climatisation pour modifier les paramètres aérothermiques d'un flux d'air distribué à l'intérieur de l'habitacle du véhicule. L'installation de chauffage, de ventilation et/ou de climatisation est principalement constituée d'un boîtier 1 réalisé en matière plastique et logé sous une planche de bord du véhicule. L'installation de chauffage, de ventilation et/ou de climatisation est destinée à canaliser la circulation d'un flux d'air 2 depuis au moins une entrée d'air jusqu'à au moins une sortie d'air à travers laquelle le flux d'air 2 est diffusé hors du boîtier 1 de l'installation de chauffage, de ventilation et/ou de climatisation dans l'habitacle du véhicule.
Pour modifier les paramètre aérothermique du flux d'air 2, notamment la température du flux d'air 2, préalablement à sa diffusion dans l'habitacle, l'installation de chauffage, de ventilation et/ou de climatisation comprend également une boucle de climatisation 3 à l'intérieur de laquelle circule un fluide réfrigérant FR selon un sens de circulation 4. Le fluide réfrigérant FR est par exemple un hydrofluorocarbure, notamment le fluide connu sous la dénomination R134a, ou un composé à base d'hydrofluoro-oléfine, en particulier le fluide connu sous la dénomination HFO1234yf, ou tout autre fluide réfrigérant analogue.
La boucle de climatisation 3 comprend un compresseur 5 apte à comprimer le fluide réfrigérant FR, un échangeur de chaleur extérieur 6 apte à échanger des calories avec un flux d'air extérieur 7 au véhicule et un accumulateur 8. Selon l'exemple de réalisation, l'accumulateur 8 est disposé directement en amont du compresseur 5 selon le sens de circulation 4 du fluide réfrigérant FR à l'intérieur de la boucle de climatisation 3 pour collecter le fluide réfrigérant FR à l'état liquide.
De façon préférentielle, l'échangeur de chaleur extérieur 6 est disposé à l'avant du véhicule pour échanger de la chaleur avec le flux d'air extérieur 7 qui le traverse. Avantageusement, l'échangeur de chaleur extérieur 6 n'est pas en contact avec le flux d'air 2 destiné à être diffusé dans l'habitacle du véhicule suite à sa circulation à l'intérieur du boîtier 1. Par contre, la boucle de climatisation 3 comprend un échangeur thermique intérieur 9 logé à l'intérieur du boîtier 1 et traversé par le flux d'air 2 pour modifier les paramètres aérothermiques de ce dernier, en particulier sa température. Une première variante de réalisation est illustrée sur les figures 1 et 2. Selon cette variante de réalisation, la boucle de climatisation 3 comprend un premier conduit de contournement 10. Le premier conduit de contournement 10 est apte à permettre ou interdire la circulation du fluide réfrigérant FR à l'intérieur de l'échangeur thermique intérieur 9.
La boucle de climatisation 3 comprend également un premier organe de détente 1 1 disposé entre l'échangeur thermique extérieur 6 et l'échangeur thermique intérieur 9 selon le sens de circulation 4 du fluide réfrigérant FR à l'intérieur de la boucle de climatisation 3. Selon la variante de réalisation des figures 1 et 2, le premier organe de détente 1 1 est plus particulièrement agencé entre le premier conduit de contournement 10 et l'échangeur thermique extérieur 6, en amont de l'échangeur thermique extérieur 6 selon le sens de circulation 4 du fluide réfrigérant FR à l'intérieur de la boucle de climatisation 3. La boucle de climatisation 3 comprend également un condenseur interne 12 logé à l'intérieur du boîtier 1 et disposé directement en aval du compresseur 5 selon le sens de circulation 4 du fluide réfrigérant FR à l'intérieur de la boucle de climatisation 3. Le condenseur interne 12 est destiné à refroidir le fluide réfrigérant FR. Le refroidissement du fluide réfrigérant FR dans le condenseur interne 12 entraîne un réchauffement du flux d'air 2 qui le traverse.
La boucle de climatisation 3 comprend également un deuxième organe de détente 13 interposé entre le condenseur interne 12 et l'échangeur de chaleur extérieur 6. Le deuxième organe de détente 13 est associé à un deuxième conduit de contournement 14 permettant une circulation du fluide réfrigérant FR soit à travers le deuxième organe de détente 13 vers l'échangeur de chaleur extérieur 6, soit directement depuis le condenseur interne 12 vers l'échangeur de chaleur extérieur 6 en contournant le deuxième organe de détente 13.
Sur la figure 1 , la boucle de climatisation 3 fonctionne selon la première variante de réalisation en « mode refroidissement ». Dans cet agencement, le fluide réfrigérant FR circule depuis le compresseur 5 vers le condenseur interne 12, puis circule à travers le deuxième conduit de contournement 14 vers l'échangeur de chaleur extérieur 6, qui se comporte, selon cette configuration, comme un condenseur en réchauffant le flux d'air extérieur 7, puis vers le premier organe de détente 1 1 , dans lequel le fluide réfrigérant FR subit une détente, puis vers l'échangeur thermique intérieur 9, qui se comporte, selon cette configuration, comme un évaporateur en refroidissant le flux d'air 2, puis vers l'accumulateur 8 pour retourner au compresseur 5. Dans cette configuration, il est recherché un échangeur de chaleur extérieur 6 qui soit configuré de manière à céder le plus de chaleur possible au flux d'air extérieur 7.
Sur la figure 2, la boucle de climatisation 3 fonctionne selon la première variante de réalisation en « mode chauffage ». Dans ce cas-là, le fluide réfrigérant FR circule depuis le compresseur 5 vers le condenseur interne 12, puis circule à travers le deuxième organe de détente 13, dans lequel le fluide réfrigérant FR subit une détente, puis vers l'échangeur de chaleur extérieur 6, qui se comporte, selon cette configuration, comme un évaporateur en refroidissant le flux d'air extérieur 7, puis circule à travers le premier conduit de contournement 10, vers l'accumulateur 8 pour retourner au compresseur 5. Dans cette configuration, il est recherché un échangeur de chaleur extérieur 6 qui soit configuré de manière à capter le plus de chaleur possible au flux d'air extérieur 7.
Selon cette première variante de réalisation, le fluide réfrigérant FR circule dans le même sens à travers l'échangeur de chaleur extérieur 6 quelque soit le mode de fonctionnement de la boucle de climatisation 3 (« mode chauffage » ou « mode refroidissement »), à savoir depuis un premier orifice 15 de l'échangeur de chaleur extérieur 6, en relation avec le deuxième organe de détente 13 et le deuxième conduit de contournement 14, jusqu'à un deuxième orifice 16 de l'échangeur de chaleur extérieur 6, en relation avec le premier organe de détente 1 1 et le premier conduit de contournement 10. Autrement dit, selon cette première variante de réalisation, le premier orifice 15 constitue un orifice d'entrée du fluide réfrigérant FR à l'intérieur de l'échangeur de chaleur extérieur 6 tandis que le deuxième orifice 16 constitue un orifice de sortie du fluide réfrigérant FR hors de l'échangeur de chaleur extérieur 6. Le fait que l'échangeur de chaleur extérieur 6 se comporte comme un condenseur ou comme un évaporateur se caractérise par des densités de fluide réfrigérant FR prises en entrée du premier orifice 15 et à la sortie du deuxième orifice 16 qui diffèrent l'une de l'autre. En effet, lorsque que l'échangeur de chaleur extérieur 6 se comporte comme un condenseur, le fluide réfrigérant FR est, en tout ou partie, en phase gazeuse au niveau du premier orifice 15 et est, en tout ou partie, en phase liquide au niveau du deuxième orifice 16. Il en découle que la densité du fluide réfrigérant FR au niveau du premier orifice 15 est inférieure à la densité du fluide réfrigérant FR au niveau du deuxième orifice 16. Pour optimiser les échanges thermiques au niveau de l'échangeur de chaleur extérieur 6, il est donc souhaitable de maximaliser une section de passage du fluide réfrigérant FR en entrée de l'échangeur de chaleur extérieur 6. Par contre, lorsque l'échangeur de chaleur extérieur 6 se comporte comme un évaporateur, le fluide réfrigérant FR est un mélange de phase gazeuse et de phase liquide au niveau du premier orifice 15 tandis que le fluide réfrigérant FR est, en tout ou partie, en phase gazeuse au niveau du deuxième orifice 16. Il en découle que la densité du fluide réfrigérant FR au niveau du premier orifice 15 est supérieure à la densité du fluide réfrigérant FR au niveau du deuxième orifice 16.
Pour optimiser les échanges thermiques au niveau de l'échangeur de chaleur 6, il est donc souhaitable de minimiser une section de passage du fluide réfrigérant FR en entrée de l'échangeur de chaleur extérieur 6.
Il en ressort une adaptation particulière à trouver entre ces deux optimisations antagonistes. La présente invention offre une solution à partir d'une caractéristique principale et avantageuse de l'échangeur de chaleur extérieur 6 qui est développée plus loin.
Selon une deuxième variante de réalisation illustrée sur les figures 3 et 4, la boucle de climatisation 3 comprend une vanne quatre voies 17 apte à inverser le sens de circulation 4 du fluide réfrigérant FR à l'intérieur de l'échangeur de chaleur extérieur 6. Dans cette configuration, la boucle de climatisation 3 comprend un organe de détente 18 interposé entre l'échangeur de chaleur extérieur 6 et l'échangeur thermique intérieur 9, en amont de l'échangeur thermique intérieur 9. La deuxième variante de réalisation comporte de nombreux éléments en commun avec la première variante de réalisation. En conséquence, sauf indication contraire, ces éléments comportent les mêmes caractéristiques et spécificités que ceux décrits précédemment. En conséquence, ils seront identifiés par la même que celle fournie en relation avec la description de la première variante de réalisation. Sur la figure 3, la boucle de climatisation 3 fonctionne, selon la deuxième variante de réalisation, en « mode refroidissement ». Dans cet agencement, le fluide réfrigérant FR circule depuis le compresseur 5 jusqu'à la vanne quatre voies 17. La vanne quatre voies 17 est configurée de sorte à faire circuler le fluide réfrigérant FR, vers le premier orifice 15 de l'échangeur de chaleur extérieur 6. Le fluide réfrigérant FR traverse l'échangeur de chaleur extérieur 6 jusqu'au deuxième orifice 16. L'échangeur de chaleur extérieur 6 se comporte, selon cette configuration, comme un condenseur à l'intérieur duquel le fluide réfrigérant FR se refroidit en cédant de la chaleur au flux d'air extérieur 7. En sortie de l'échangeur de chaleur extérieur 6, le fluide réfrigérant FR circule jusqu'à l'organe de détente 18, dans lequel il subit une détente, puis circule à travers l'échangeur thermique intérieur 9, qui se comporte, selon cette configuration, comme un évaporateur en refroidissant le flux d'air 2 qui le traverse. Puis, le fluide réfrigérant rejoint la vanne quatre voies 17 configurée de sorte à faire circuler le fluide réfrigérant FR jusqu'à l'accumulateur 8 et retourner au compresseur 5. Dans cette configuration, il est recherché un échangeur de chaleur extérieur 6 qui soit configuré de manière à céder le plus de chaleur possible au flux d'air extérieur 7. Sur la figure 4, la boucle de climatisation 3 fonctionne, selon la deuxième variante de réalisation, en « mode chauffage ». Dans cet agencement, le fluide réfrigérant FR circule depuis le compresseur 5 jusqu'à la vanne 4-voies 17. La vanne quatre voies 17 est configurée de sorte à faire circuler le fluide réfrigérant FR vers l'échangeur thermique intérieur 9, qui se comporte, selon cette configuration, comme un condenseur en réchauffant le flux d'air 2 qui le traverse. Puis, le fluide réfrigérant FR traverse l'organe de détente 18 pour pénétrer ensuite à l'intérieur de l'échangeur de chaleur extérieur 6 par l'intermédiaire du deuxième orifice 16. Le fluide réfrigérant FR traverse l'échangeur de chaleur extérieur 6, qui se comporte, selon cette configuration, comme un évaporateur et est évacué hors de l'échangeur de chaleur extérieur 6 par l'intermédiaire du premier orifice 15 pour rejoindre la vanne quatre voies 17 configurée de sorte à faire circuler le fluide réfrigérant FR vers l'accumulateur 8, puis le compresseur 5. Dans cette configuration, il est recherché un échangeur de chaleur extérieur 6 qui est configuré de manière à capter le plus de chaleur possible à l'air extérieur 7. Selon cette deuxième variante de réalisation, le fluide réfrigérant FR circule dans des sens inversés à l'intérieur de l'échangeur de chaleur extérieur 6 selon le mode de fonctionnement de la boucle de climatisation 3. Plus précisément, en « mode refroidissement », le fluide réfrigérant FR circule depuis le premier orifice 15, en relation avec la vanne quatre voies 17, jusqu'à un deuxième orifice 16, en relation avec l'organe de détente 18. Autrement dit, dans ce mode de fonctionnement, le premier orifice 15 constitue un orifice d'entrée du fluide réfrigérant FR à l'intérieur de l'échangeur de chaleur extérieur 6 tandis que le deuxième orifice 16 constitue un orifice de sortie du fluide réfrigérant FR hors de l'échangeur de chaleur 6.
A l'inverse, en « mode chauffage », le fluide réfrigérant FR circule depuis le deuxième orifice 16, en relation avec l'organe de détente 18, jusqu'au premier orifice 15, en relation avec la vanne quatre voies 17. Autrement dit, dans ce mode de fonctionnement, le premier orifice 15 constitue un orifice de sortie du fluide réfrigérant FR hors de l'échangeur de chaleur extérieur 6 tandis que le deuxième orifice 16 constitue un orifice d'entrée du fluide réfrigérant FR à l'intérieur de l'échangeur de chaleur 6.
Pour optimiser les échanges thermiques entre le fluide réfrigérant FR et le flux d'air extérieur 7, la différence entre la section de passage du fluide réfrigérant FR en entrée de l'échangeur de chaleur extérieur 6 et la section de passage du fluide réfrigérant FR en sortie de l'échangeur de chaleur extérieur 6 n'est pas un critère à prendre en compte puisque le premier orifice 15 et le deuxième orifice 16 sont soit un orifice d'entrée soit un orifice de sortie, selon les configurations. La présente invention propose avantageusement un échangeur de chaleur extérieur 6 qui permette d'atteindre les meilleures performances possibles entre, d'une part, un fonctionnement optimisé en « mode refroidissement » et en « mode chauffage » et, d'autre part, entre deux configurations opposées dans lesquelles le premier orifice 15 est soit un orifice d'entrée du fluide réfrigérant FR à l'intérieur de l'échangeur de chaleur 6, soit un orifice de sortie du fluide réfrigérant FR hors de l'échangeur de chaleur 6, et inversement pour le deuxième orifice 16.
Le résultat recherché est atteint en proposant un échangeur de chaleur 6 tel que celui illustré sur les figures 5 et 6 qui sont des illustrations schématiques d'un échangeur de chaleur selon la présente invention.
L'échangeur de chaleur 6 est un échangeur à au moins deux passes comprenant un nombre N de tubes 19 répartis en au moins deux séries de tubes 19. L'exemple des figures 5 et 6 comporte uniquement deux séries de tubes 19. Toutefois, la présente invention est également applicable aux échangeurs de chaleur comportant plus de deux séries de tubes 19.
Préférentiellement, l'échangeur de chaleur 6 est un échangeur à deux passes comprenant un nombre N de tubes 19 répartis en deux séries de tubes 19. Selon l'exemple des figures 5 et 6, une première série de tubes 19 comprend un nombre
N1 de tubes 19. Une deuxième série de tubes 19 comprend un nombre N2 de tubes 19. Ainsi, le nombre N de tubes 19 de l'échangeur de chaleur 6 est égal à la somme du nombre N1 de tubes 19 de la première série de tubes 19 et du nombre N2 de tubes 19 de la deuxième série de tubes 19.
La première série de tubes 19 est comprise entre un premier collecteur 21 et un deuxième collecteur 22. Préférentiellement, la première série de tubes 19 est comprise entre un premier compartiment 20 du premier collecteur 21 et le deuxième collecteur 22. La deuxième série de tubes 19 est comprise entre le deuxième collecteur 22 et un troisième collecteur 23. Avantageusement, et tel que présenté sur les figures 5 et 6, le troisième collecteur est réalisé par un deuxième compartiment 23 du premier collecteur 21.
Les tubes 19 sont identiques les uns aux autres et présentent une section A égale de l'un à l'autre des tubes 19. Il en résulte que la section de passage du fluide réfrigérant FR en entrée de l'échangeur de chaleur extérieur 6 est proportionnelle au nombre N1 de tubes 19 de la première série. De même, la section de passage du fluide réfrigérant FR en sortie de l'échangeur de chaleur extérieur 6 est directement proportionnelle au nombre N2 de tubes 19 de la deuxième série.
Selon un mode préférentiel de réalisation le premier collecteur 21 et le deuxième collecteur 22 sont ménagés à des extrémités opposées respectives de l'échangeur de chaleur 6. Le premier collecteur 21 est constitué du premier compartiment 20 et du deuxième compartiment 23 qui sont agencées de façon étanche l'un par rapport à l'autre. Le premier compartiment 20 est juxtaposé au deuxième compartiment 23. Le premier compartiment 20 est pourvu du premier orifice 15 tandis que le deuxième compartiment 23 est doté du deuxième orifice 16. Un intercalaire 24 est interposé entre deux tubes 19 adjacents pour faciliter un échange de chaleur entre le fluide réfrigérant FR et le flux d'air extérieur 7.
Les tubes 19 sont disposés parallèlement les uns aux autres, les N1 tubes 19 de la première série étant parcouru par le fluide réfrigérant FR dans un premier sens S1 tandis que les N2 tubes 19 de la deuxième série sont parcourus par le fluide réfrigérant dans un deuxième sens S2 opposé au premier sens S1.
Selon un autre mode de réalisation non représenté, les N2 tubes 19 de la deuxième série peuvent être parcourus par le fluide réfrigérant, alternativement et/ou successivement, dans un deuxième sens S2, opposé au premier sens S1 , pour une partie des N2 tubes 19 de la deuxième série, et dans le premier sens S1 pour l'autre partie des N2 tubes 19 de la deuxième série.
Plus particulièrement sur la figure 5, le premier orifice 15 de l'échangeur de chaleur extérieur 6 constitue un orifice d'entrée du fluide réfrigérant FR à l'intérieur de l'échangeur de chaleur extérieur 6 et le deuxième orifice 16 de l'échangeur de chaleur extérieur 6 constitue un orifice de sortie du fluide réfrigérant FR hors de l'échangeur de chaleur 6. L'échangeur de chaleur extérieur
6 selon la figure 5 est apte à être intégré dans la boucle de climatisation 3 selon les modes de fonctionnement illustrés sur les figures 1 à 3.
Plus particulièrement sur la figure 6, le premier orifice 15 de l'échangeur de chaleur extérieur 6 constitue un orifice de sortie du fluide réfrigérant FR hors de l'échangeur de chaleur extérieur 6 et le deuxième orifice 16 de l'échangeur de chaleur extérieur 6 constitue un orifice d'entrée du fluide réfrigérant FR à l'intérieur de l'échangeur de chaleur 6. L'échangeur de chaleur extérieur 6 selon la figure 6 est apte à être intégré dans la boucle de climatisation 3 selon le mode de fonctionnement illustré sur la figure 4. Les performances thermiques d'un tel échangeur de chaleur 6 sont optimisées à partir de la caractéristique de l'échangeur de chaleur 6 qui réside en un rapport N1/N compris entre 10% et 50%. Ainsi selon la présente invention, moins de la moitié des N tubes de l'échangeur de chaleur 6 est comprise entre le premier compartiment 20 et le deuxième collecteur 22. Autrement dit, selon la présente invention, l'échangeur de chaleur 6 vérifie l'inéquation N1• N2.
Une telle distribution de la circulation du fluide réfrigérant FR à l'intérieur de l'échangeur de chaleur 6 offre une performance optimale pour un fonctionnement optimisé en « mode refroidissement » et en « mode chauffage » mais aussi entre deux configurations opposées de circulation du fluide réfrigérant FR à l'intérieur de l'échangeur de chaleur 6 respectivement illustrées sur les figures 5 et 6. Ainsi, les concepteurs d'un tel échangeur de chaleur 6 sont à même d'offrir un unique échangeur de chaleur 6 apte à fonctionner de manière optimisée sur une boucle de climatisation 3 relativement quelconque à l'intérieur de laquelle circule un fluide réfrigérant FR, indifféremment constitué par un hydrofluorocarbure, en particulier le fluide connu sous la dénomination R134a, ou un composé à base d'hydrofluoro-oléfine, notamment le fluide connu sous la dénomination HFO1234yf. Sur les figures 7 à 12, le fluide réfrigérant FR est le R134a et l'échangeur de chaleur extérieur 6 présente une surface frontale prise perpendiculairement à la direction d'écoulement de l'air extérieur 7, c'est-à-dire parallèlement aux plans des figures 5 et 6. Préférentiellement, la surface frontale varie de 20 dm2 à 31.8 dm2.
Les figures 7 et 8 représentent l'évolution de la puissance échangée P en « mode refroidissement » entre le fluide réfrigérant FR et le flux d'air extérieur 7 en fonction du rapport N1/N pour des vitesses d'écoulement du flux d'air extérieur 7 à travers l'échangeur de chaleur 6 respectivement de 1 ,5 m/s, 2 m/s et 3 m/s.
Plus particulièrement, la figure 7 présente l'évolution de la puissance échangée P de l'échangeur de chaleur 6 ayant la surface frontale égale à 31 ,8 dm2 tandis que la figure 8 présente l'évolution de la puissance échangée P de l'échangeur de chaleur 6 ayant la surface frontale égale à 20 dm2. Dans les deux cas, la puissance échangée P est maximale lorsque le rapport N1/N est le plus élevé possible.
Bien que les figures 7 et 8 présentent deux exemples d'évolution de la puissance échangée P de l'échangeur de chaleur 6 pour deux valeurs spécifiques de la surface frontale, la présente invention n'est pas limitée à ces valeurs et s'applique également aux échangeurs de chaleur 6 ayant d'autre valeur de surface frontale. Les figures 9 et 10 représentent l'évolution de la puissance échangée P en « mode chauffage » entre le fluide réfrigérant FR et le flux d'air extérieur 7 représentent rapport N1/N pour des températures du flux d'air extérieur 7 en amont de l'échangeur de chaleur extérieur 6 respectivement à 0°C, à -5°C et à - 1 O9C.
Plus particulièrement, la figure 9 présente l'évolution de la puissance échangée P de l'échangeur de chaleur 6 ayant la surface frontale égale à 31 ,8 dm2 tandis que la figure 10 présente l'évolution de la puissance échangée P de l'échangeur de chaleur 6 ayant la surface frontale égale à 20 dm2. Dans les deux cas, la puissance échangée P est maximale lorsque le rapport N1/N est le moins élevé possible. Bien que les figures 7 à 10 présentent deux exemples d'évolution de la puissance échangée P de l'échangeur de chaleur 6 pour deux valeurs spécifiques de la surface frontale, la présente invention n'est pas limitée à ces valeurs et s'applique également aux échangeurs de chaleur 6 ayant d'autre valeur de surface frontale. II est alors possible de déterminer un ratio R proportionnel au produit des puissances échangées P selon chacun des deux modes envisagées. L'évolution du ratio R est représentée sur la figure 1 1 pour une surface frontale de 20 dm2 et sur la figure 12 pour une surface frontale de 31 ,8 dm2. Sur les figures 1 1 et 12, le ratio R optimisé, c'est-à-dire le ratio R le plus grand, se trouve pour un rapport N1/N compris entre 30% et 50%. Plus particulièrement, le ratio R est optimisé pour un rapport N1/N compris entre 35% et 45%, préférentiellement de l'ordre de 40%.
Les figures 13 à 15 sont des représentations graphiques de l'évolution d'une puissance échangée entre un deuxième type de fluide réfrigérant circulant à l'intérieur de l'échangeur de chaleur représenté sur les figures 5 et 6 et un air extérieur traversant l'échangeur de chaleur selon divers agencements de l'échangeur de chaleur.
Sur les figures 13 à 15, le fluide réfrigérant FR est le HFO1234yf et l'échangeur de chaleur 6 présente une surface frontale prise perpendiculairement à la direction d'écoulement du flux d'air extérieur 7 de l'ordre de 31 ,8 dm2.
La figure 13 représente l'évolution de la puissance échangée P en « mode refroidissement » entre le fluide réfrigérant FR et le flux d'air extérieur 7 en fonction du N1/N pour des vitesses d'écoulement de l'air extérieur 7 à travers l'échangeur de chaleur 6 respectivement de 1 ,5 m/s, 2 m/s et 3 m/s. La puissance échangée P est maximale lorsque le rapport N1/N est le plus élevé possible.
La figure 14 représente l'évolution de la puissance échangée P en « mode chauffage » entre le fluide réfrigérant FR et le flux d'air extérieur 7 en fonction du N1/N pour des températures du flux d'air extérieur 7 en entrée de l'échangeur de chaleur extérieur 6 respectivement à 0°C, à -5°C et à -10°C. La puissance échangée P est maximale lorsque le rapport N1/N est le moins élevé possible. II est alors possible de déterminer un ratio R proportionnel au produit des puissances échangées P selon chacun des deux modes envisagées. L'évolution du ratio R est représentée sur la figure 14. Le ratio R optimisé, c'est-à-dire le ratio R le plus grand, se trouve pour un rapport N1/N compris entre 35% et 50%. Plus particulièrement, le ratio R est optimisé pour un rapport N1/N compris entre 40% et 50%, préférentiellement de l'ordre de 45%.
Par ailleurs, pour un fluide réfrigérant FR, indifféremment un hydrofluorocarbure, notamment le fluide connu sous la dénomination R134a, ou un composé à base d'hydrofluoro-oléfine, en particulier le fluide connu sous la dénomination HFO1234yf, et dans le cas où la circulation du fluide réfrigérant FR change de sens à l'intérieur de l'échangeur de chaleur 6, le rapport N1/N optimisé est compris entre 15% et 35%, Plus particulièrement, le ratio R est optimisé pour un rapport N1/N compris entre 15% et 25%, préférentiellement de l'ordre de 20%.
Il doit être bien entendu toutefois que ces exemples de fonctionnement sont donnés à titre d'illustration de l'objet de l'invention. Bien évidemment, l'invention n'est pas limitée à ces modes de réalisation décrits précédemment et fournis uniquement à titre d'exemple. Elle englobe diverses modifications, formes alternatives et autres variantes que pourra envisager l'homme du métier dans le cadre de la présente invention et notamment toutes combinaisons des différents modes de réalisation décrits précédemment.

Claims

Revendications
1.- Echangeur de chaleur (6) à au moins deux passes comprenant N tubes (19) répartis en deux séries de tubes (19), dont une première série comportant N1 tubes (19) compris entre un premier collecteur (21 ) et un deuxième collecteur (22), et une deuxième série comportant N2 tubes (19) compris entre le deuxième collecteur (22) et un troisième collecteur (23), caractérisé en ce qu'un rapport N1/N est compris entre 15% et 50%.
2.- Echangeur de chaleur (6) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le rapport N1/N est compris entre 35% et 50%, préférentiellement entre 40% et 50%.
3.- Echangeur de chaleur (6) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le rapport N1/N est égal à 35%.
4.- Echangeur de chaleur (6) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le rapport N1/N est égal à 40%.
5.- Echangeur de chaleur (6) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le rapport N1/N est égal à 45%.
6.- Echangeur de chaleur (6) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le rapport N1/N est égal à 55%.
7.- Echangeur de chaleur (6) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le rapport N1/N est compris entre 15% et 35%, préférentiellement entre 15% et 25%.
8.- Echangeur de chaleur (6) selon la revendication 1 ou 7, caractérisé en ce que le rapport N1/N est égal à 15%.
9.- Echangeur de chaleur (6) selon la revendication 1 ou 7, caractérisé en ce que le rapport N1/N est égal à 20%.
10.- Echangeur de chaleur (6) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier collecteur (21 ) comprend un premier compartiment (20) et un deuxième compartiment (23), le troisième collecteur étant réalisé par le deuxième compartiment (23) du premier collecteur (21 ).
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