FR2717256A1 - Motor vehicle heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention concerne un échangeur de chaleur pour un véhicule automobile, notamment pour le chauffage de l'habitacle, comportant un bloc d'échange thermique formé par une multiplicité de tubes parallèles d'échange thermique et d'ailettes, et au moins un réservoir d'eau, les extrémités des tubes d'échange thermique étant reçues dans un fond porte-tubes du réservoir d'eau. The invention relates to a heat exchanger for a motor vehicle, in particular for heating the passenger compartment, comprising a heat exchange block formed by a multiplicity of parallel heat exchange tubes and fins, and at least one tank. of water, the ends of the heat exchange tubes being received in a tube holder bottom of the water tank.
Dans la demande de brevet allemand DE-C-36 19 265 on décrit un échangeur de chaleur comportant au moins un tube d'échange thermique, l'échangeur de chaleur comportant un fond porte-tubes en matière plastique, tandis qu'au moins une tubulure de raccordement est prévue pour recevoir le tube d'échange thermique. La tubulure de raccordement possède une gorge annulaire, dans laquelle est inséré à force le tube d'échange thermique de sorte que l'extrémité du tube est serrée entre une bague extérieure et une bague intérieure de la tubulure de raccordement. La section transversale de passage de la bague intérieure est légèrement inférieure à la section transversale intérieure du tube d'échange thermique, mais l'écoulement du fluide d'échange thermique n'est pas notablement affecté par cet agencement. In German patent application DE-C-36 19 265, a heat exchanger comprising at least one heat exchange tube is described, the heat exchanger comprising a plastic tube holder bottom, while at least one connection tubing is provided to receive the heat exchange tube. The connection tube has an annular groove, into which the heat exchange tube is forced into so that the end of the tube is clamped between an outer ring and an inner ring of the connection tube. The cross section of passage of the inner ring is slightly less than the inner cross section of the heat exchange tube, but the flow of the heat exchange fluid is not significantly affected by this arrangement.
Dans le cas d'échangeurs de chaleur comportant une multiplicité de tubes d'échange thermique parallèles, la charge des différents tubes avec le fluide d'échange thermique peut être très différente, ce qui dépend notamment de la position respective de la tubulure d'arrivée ou de la tubulure de retour dans les réservoirs d'eau logeant les tubes d'échange thermique. De ce fait on obtient en partie des profils de température sur la largeur du bloc d'échange thermique, qui ne correspondent pas aux exigences effectivement requises. In the case of heat exchangers comprising a multiplicity of parallel heat exchange tubes, the charge of the different tubes with the heat exchange fluid can be very different, which depends in particular on the respective position of the inlet manifold or return tubing in the water tanks housing the heat exchange tubes. As a result, temperature profiles are obtained in part over the width of the heat exchange block, which do not correspond to the requirements actually required.
En outre, d'après la demande de brevet allemand
DE-A-33 28 913 on connaît un dispositif pour fixer des tubes dans une plaque d'extrémité, l'extrémité du tube d'échange thermique étant serrée, au moyen d'un rivet creux, contre la paroi du perçage d'une ouverture de la plaque de fond. Ce système de liaison conduit cependant au fait que l'on cintre le tube d'échange thermique dans la zone située à côté de la plaque de fond afin que l'extrémité intérieure du rivet creux puisse être coudée de manière à établir une liaison par formes complémentaires avec le tube et la plaque de fond. Le diamètre intérieur du rivet creux est légèrement inférieur au diamètre intérieur du tube d'échange thermique de sorte qu'on obtient pour les sections transversales de passage, des rapports similaires à ceux de l'objet de la demande de brevet allemand DE-A36 19 265 déjà mentionnée.Furthermore, according to the German patent application
DE-A-33 28 913 a device is known for fixing tubes in an end plate, the end of the heat exchange tube being clamped, by means of a hollow rivet, against the wall of the bore of a opening the bottom plate. This connection system, however, leads to the fact that the heat exchange tube is bent in the area located next to the bottom plate so that the inner end of the hollow rivet can be bent so as to form a connection complementary with the tube and the bottom plate. The internal diameter of the hollow rivet is slightly smaller than the internal diameter of the heat exchange tube so that one obtains for the cross sections of passage, similar ratios to those of the subject of the German patent application DE-A36 19 265 already mentioned.
C'est pourquoi la présente invention a pour but d'indiquer un échangeur de chaleur du type mentionné plus haut, dans lequel le profil de température sur la largeur du bloc d'échange thermique - peut être fixé individuellement. This is why the present invention aims to indicate a heat exchanger of the type mentioned above, in which the temperature profile over the width of the heat exchange block - can be fixed individually.
Ce problème est résolu dans un échangeur de chaleur du type indiqué plus haut grâce au fait que dans le trajet d'écoulement d'au moins un tube d'échange thermique est prévu un étranglement, dont le rapport de la section transversale de passage (diamètre) à la section transversale intérieure du tube se situe dans une gamme comprise entre 1:2 et 1:6. This problem is solved in a heat exchanger of the type indicated above thanks to the fact that in the flow path of at least one heat exchange tube is provided a constriction, the ratio of the cross section of passage (diameter ) to the inner cross-section of the tube is in a range between 1: 2 and 1: 6.
L'avantage essentiel de l'invention réside dans le fait que le réglage d'un profil individuel de température dans l'échangeur de chaleur est possible grâce à une modification du débit respectif de passage dans chaque tube d'échange thermique. Sous l'effet de l'étranglement du fluide d'échange thermique, la chute de pression dans le tube respectif d'échange thermique augmente de sorte qu'au moyen du débit de passage, on peut influer sur l'énergie thermique transmise. The essential advantage of the invention resides in the fact that the adjustment of an individual temperature profile in the heat exchanger is possible thanks to a modification of the respective flow rate of passage in each heat exchange tube. Under the effect of the throttling of the heat exchange fluid, the pressure drop in the respective heat exchange tube increases so that by means of the passage rate, the transmitted thermal energy can be influenced.
Selon une forme de réalisation préférée de l'objet de l'invention, le rapport des sections transversales est compris entre 1:2,7 et 1:3. Avec de tels rapports entre les sections transversales, on peut influer d'une manière suffisante sur le débit du fluide d'échange thermique sans que le niveau de bruit augmente d'une manière notable. Dans des échangeurs de chaleur, qui sont utilisés sous la forme de corps chauffants pour des dispositifs de chauffage de véhicules automobiles, les sections transversales intérieures de tous les tubes d'échange thermique sont habituellement identiques. Afin que le profil de température ne présente aucune modification brusque - d'une manière rapportée à la largeur du bloc - il est approprié d'échelonner les sections transversales de passage de tubes voisins, c'est-à-dire que les sections transversales de passage d'au moins deux étranglements sont différentes. Dans le cas d'une multiplicité de tubes d'échange thermique, il peut être également avantageux d'équiper des groupes de plusieurs tubes avec des étranglements ayant une même section transversale. According to a preferred embodiment of the subject of the invention, the ratio of the cross sections is between 1: 2.7 and 1: 3. With such cross-sectional relationships, the flow rate of the heat exchange fluid can be influenced sufficiently without the noise level increasing significantly. In heat exchangers, which are used as heaters for motor vehicle heaters, the interior cross sections of all heat exchange tubes are usually identical. So that the temperature profile does not show any sudden change - in a way related to the width of the block - it is appropriate to stagger the cross sections of passage of neighboring tubes, i.e. the cross sections of at least two throttles are different. In the case of a multiplicity of heat exchange tubes, it may also be advantageous to equip groups of several tubes with throttles having the same cross section.
De façon appropriée, les étranglements sont disposés aux extrémités des tubes d'échange thermique. Il est particulièrement avantageux que les étranglements soient agencés sous la forme de bagues intérieures qui pénètrent dans les extrémités des tubes. Ces bagues intérieures peuvent prendre appui - en étant équipées d'un collet correspondant - sur la face du fond porte-tubes, qui est tournée vers le réservoir d'eau; une autre possibilité consiste cependant également dans le fait que ces bagues intérieures font partie intégrante des tubulures de raccordement et sont par conséquent réalisées d'un seul tenant avec le fond porte-tubes réalisé en matière plastique. Pour le fonctionnement, il suffit de prévoir simplement un étranglement pour un tube d'échange thermique. Cet étranglement peut être disposé éventuelle ment sur l'extrémité côté arrivée ou côté sortie du tube d'échange thermique. I1 est également possible de prévoir des étranglements sur les deux extrémités des tubes d'échange thermique et, dans un tel cas, on peut choisir les sections transversales légèrement supérieures à ce qu'elles seraient dans le cas d'un seul étranglement pour chaque tube. Suitably, the throttles are arranged at the ends of the heat exchange tubes. It is particularly advantageous that the throttles are arranged in the form of inner rings which penetrate into the ends of the tubes. These inner rings can bear - by being fitted with a corresponding collar - on the face of the tube-holder bottom, which faces the water tank; another possibility, however, also consists in the fact that these inner rings form an integral part of the connection pipes and are therefore produced in a single piece with the tube-holder base made of plastic. For operation, it suffices to simply provide a constriction for a heat exchange tube. This constriction can optionally be arranged on the end on the inlet side or on the outlet side of the heat exchange tube. It is also possible to provide constrictions on the two ends of the heat exchange tubes and, in such a case, it is possible to choose the cross sections slightly greater than what they would be in the case of a single constriction for each tube. .
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels
- la figure 1 représente une coupe longitudinale d'un réservoir d'eau d'un échangeur de chaleur;
- la figure 2 représente la vue en plan d'un fond porte-tubes;
- la figure 3 représente une tubulure de raccordement selon une représentation à plus grande échelle; et
- la figure 4 représente un bloc d'échange thermique avec des exemples de profils de température différents.Other characteristics and advantages of the present invention will emerge from the description given below taken with reference to the appended drawings, in which
- Figure 1 shows a longitudinal section of a water tank of a heat exchanger;
- Figure 2 shows the plan view of a tube holder bottom;
- Figure 3 shows a connecting pipe according to a representation on a larger scale; and
- Figure 4 shows a heat exchange block with examples of different temperature profiles.
Sur la figure 1, on a représenté une coupe longitudinale d'un réservoir d'eau 5 d'un échangeur de chaleur 6, et on n'a représenté, de cet échangeur de chaleur 6, que la partie du bloc d'échange thermique 7, qui est voisine du réservoir d'eau 5. Le réservoir d'eau 5 comprend un couvercle cintré 8 comportant une tubulure de raccordement 9 ainsi qu'un fond 10, qui est relié, d'une manière étanche aux liquides, au couvercle 8. In Figure 1, there is shown a longitudinal section of a water tank 5 of a heat exchanger 6, and there is shown, of this heat exchanger 6, that the part of the heat exchange block 7, which is adjacent to the water tank 5. The water tank 5 comprises a curved cover 8 comprising a connection tube 9 as well as a bottom 10, which is connected, in a liquid-tight manner, to the cover 8.
Le bloc d'échange thermique 7 est constitué par un paquet d'ailettes 11 situées les unes au-dessus des autres et par des tubes d'échange thermique 12 qui traversent ce paquet de nervures et sont parallèles. Le fond porte-tubes 10 est constitué par une multiplicité de tubulures de raccordement 13, 13', 13", 13*, dans lesquelles sont logées, d'une manière étanche aux liquides, des extrémités 14 des tubes d'échange thermique 12. Dans l'exemple de réalisation représenté, les sections transversales de tous les tubes d'échange thermique 12 sont identiques. The heat exchange block 7 is constituted by a pack of fins 11 located one above the other and by heat exchange tubes 12 which pass through this pack of ribs and are parallel. The tube-holder base 10 is constituted by a multiplicity of connection pipes 13, 13 ′, 13 ", 13 *, in which are housed, in a liquid-tight manner, ends 14 of the heat exchange tubes 12. In the embodiment shown, the cross sections of all the heat exchange tubes 12 are identical.
La figure 3 représente une tubulure de raccordement semblable 22 selon une représentation à plus grande échelle et on voit clairement que la tubulure de raccordement 22 possède une gorge annulaire 15, dans laquelle est enfoncée l'extrémité d'un tube. La bague intérieure 21, qui est située radialement à l'intérieur de la gorge annulaire 15, de la tubulure de raccordement 22 comporte une partie cintrée 17, qui pénètre dans le trajet d'écoulement 16, ce qui conduit à la formation d'un étranglement 18 dans le trajet d'écoulement 16. FIG. 3 shows a similar connection tube 22 in an enlarged representation and it is clearly seen that the connection tube 22 has an annular groove 15, in which the end of a tube is pressed. The inner ring 21, which is located radially inside the annular groove 15, of the connecting pipe 22 has a curved portion 17, which enters the flow path 16, which leads to the formation of a throttle 18 in the flow path 16.
Un agencement similaire à celui de la figure 3 est prévu dans la tubulure de raccordement du fond portetubes 10 de la figure 1. Des tubulures de raccordement 13', 13", 13* sont équipées d'étranglements 18, qui possèdent des sections transversales ayant des diamètres différents d2, d3 et d4. Une tubulure de raccordement 13 est prévue sans étranglement et possède un diamètre d1. Dans le cas de l'exemple de réalisation de la figure 1, l'agencement est tel que les étranglements 18 possédant la section transversale la plus faible (diamètre d4) sont disposés à proximité de la tubulure de raccordement 9, et les sections transversales des étranglements augmentent lorsque la distance augmente à partir de cette tubulure de raccordement. En ce qui concerne la tubulure de raccordement 13 située à l'extrémité du réservoir d'eau 5, il s'agit d'une forme de réalisation, dans laquelle seule la bague intérieure, qui est nécessaire pour loger l'extrémité 14 du tube, du fond porte-tubes est prévue de sorte qu'en cet emplacement il existe la section transversale normale de passage (diamètre d1). An arrangement similar to that of FIG. 3 is provided in the connection tube of the tube holder base 10 of FIG. 1. Connection tubes 13 ′, 13 ", 13 * are equipped with throttles 18, which have cross sections having different diameters d2, d3 and d4. A connecting pipe 13 is provided without constriction and has a diameter d1. In the case of the embodiment of FIG. 1, the arrangement is such that the constrictions 18 having the cross section the smallest transverse cross section (diameter d4) are arranged near the connection pipe 9, and the cross sections of the throttles increase as the distance increases from this connection pipe. As regards the connection pipe 13 located at the end of the water tank 5, this is an embodiment, in which only the inner ring, which is necessary to accommodate the end 14 of the tube, of the fon d tube holder is provided so that in this location there is the normal passage cross section (diameter d1).
Sur la figure 2, on a représenté une vue en plan d'un fond porte-tubes, dans lequel on a choisi une autre répartition de la section transversale de passage (diamètre d1) ou des sections transversales d'étranglement (diamètres d2, d3, d4) pour les différents raccords de tubes, que ce qui était prévu sur la figure 1. Les tubulures de raccordement 13 sans étranglement possèdent la section transversale de diamètre d1, et en outre il est prévu des tubulures de raccordement 13' possédant la section d'étranglement correspondant à d2, ainsi que des tubulures de raccordement 13" possédant une section transversale plus rétrécie correspondant à d3 et d'autres tubulures de raccordement 13* possédant la section transversale de passage extrêmement étroite correspondant à d4. La disposition des différentes sections transversales de passage ou d'étranglement (diamètres d1 à d4) - par rapport aux différents tubes d'échange thermique 12 - peut être choisie librement et peut être accordée sur le profil de température désiré dans le bloc d'échange thermique 7. In Figure 2, there is shown a plan view of a tube-holder bottom, in which another distribution of the cross section of passage (diameter d1) or of the cross section of throttle (diameters d2, d3) has been chosen , d4) for the various tube connections, as what was provided in FIG. 1. The connection pipes 13 without constriction have the cross section of diameter d1, and in addition there are connection pipes 13 'having the section restrictor corresponding to d2, as well as connecting pipes 13 "having a narrower cross section corresponding to d3 and other connecting pipes 13 * having the extremely narrow passage cross section corresponding to d4. The arrangement of the different sections transverse passage or throttle (diameters d1 to d4) - compared to the different heat exchange tubes 12 - can be chosen freely and little t be tuned to the desired temperature profile in the heat exchange block 7.
Les allures de différents profils de température sont représentées sur la figure 4. Sur cette figure, on a représenté un échangeur de chaleur 20, qui comprend un bloc d'échange thermique 23 possédant des réservoirs d'eau supérieur et inférieur 24, 25. Dans le réservoir d'eau 24 il est prévu une arrivée 26, tandis que deux raccords de retour 27, 28 sont prévus dans le réservoir d'eau supérieur 25. Sur la largeur du bloc d'échange thermique 23, on peut obtenir une répartition de température correspondant à la courbe TAlil-T1rel, pour laquelle la température augmente depuis le centre du bloc de transfert thermique 23 en direction des bords latéraux. Ceci permet d'obtenir que les tubes médians possèdent un étranglement ayant une section transversale faible, tandis que la section transversale de l'étranglement augmente pour les tubes d'échange thermique qui sont de plus en plus éloignés du raccord d'arrivée 26. The paces of different temperature profiles are shown in Figure 4. In this figure, there is shown a heat exchanger 20, which comprises a heat exchange block 23 having upper and lower water tanks 24, 25. In the water tank 24 there is an inlet 26, while two return connections 27, 28 are provided in the upper water tank 25. Over the width of the heat exchange block 23, a distribution of temperature corresponding to the TAlil-T1rel curve, for which the temperature increases from the center of the heat transfer block 23 towards the side edges. This makes it possible to obtain that the middle tubes have a constriction having a small cross section, while the cross section of the constriction increases for the heat exchange tubes which are increasingly distant from the inlet fitting 26.
Dans le cas d'une charge plus importante des tubes d'échange thermique situés dans la zone médiane du bloc d'échange thermique 23 et dans le cas d'une charge plus faible des tubes latéraux, on obtient un profil correspondant à la courbe TAli3-TAre3. Sous l'effet d'un étranglement plus important des tubes d'échange thermique situés dans la partie de droite du bloc d'échange thermique 23 et d'un étranglement plus faible de la section transversale de passage pour les tubes situés dans la partie gauche du bloc d'échange thermique 23, on obtient un profil de température tel que représenté par la courbe TAli3TAre2. In the case of a higher load of the heat exchange tubes located in the middle zone of the heat exchange block 23 and in the case of a lower load of the side tubes, a profile corresponding to the curve TAli3 is obtained. -TAre3. Under the effect of a larger constriction of the heat exchange tubes located in the right part of the heat exchange block 23 and a smaller constriction of the cross section of passage for the tubes located in the left part from the heat exchange block 23, a temperature profile is obtained as represented by the curve TAli3TAre2.
En principe il est possible de disposer les étranglements soit dans le fond porte-tubes du réservoir d'eau inférieur 24, soit dans le fond porte-tubes du réservoir d'eau supérieur 25. En outre, il est possible de prévoir des étranglements aussi bien dans le réservoir d'eau inférieur que dans le réservoir d'eau supérieur 24, 25, auquel cas on peut choisir la section transversale d'étranglement légèrement plus grande que la section transversale d'étranglement, étant donné que les pertes de charge, qui apparaissent sous l'effet de l'étranglement, s'additionnent. In principle, it is possible to arrange the throttles either in the tube-holder bottom of the lower water tank 24, or in the tube-holder bottom of the upper water tank 25. In addition, it is possible to provide throttles also well in the lower water tank than in the upper water tank 24, 25, in which case it is possible to choose the throttle cross section slightly larger than the throttle cross section, since the pressure losses, which appear under the effect of strangulation, add up.
Dans les exemples de réalisation décrits, les étranglements possèdent une section transversale circulaire, mais on peut également imaginer des sections transversales ayant d'autres formes. In the exemplary embodiments described, the throttles have a circular cross section, but one can also imagine cross sections having other shapes.
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