FR2727197A1 - COOLING PROCESS AND TWO-CIRCUIT HEAT EXCHANGER - Google Patents
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Abstract
Procédé de refroidissement utilisant deux circuits de fluide caloporteur qui ont en commun un échangeur de chaleur multiple dont les tubes (3) sont reliés de façon rigide aux collecteurs (14) de deux boîtes à fluide (1, 2). Un premier circuit comprend un compartiment (4) d'une boîte à fluide (1) et le second circuit comprend deux compartiments (5, 6) de la même boîte à fluide, ces compartiments étant séparés par des cloisons transversales. Le compartiment aval (6) du second circuit est adjacent au compartiment (4) du premier circuit de telle façon que, dans les phases de fonctionnement où le fluide caloporteur circule dans le second circuit et non dans le premier circuit, le fluide circulant dans les tubes du second circuit les plus voisins de ceux du premier circuit soient déjà refroidis par des passes précédentes, ce qui limite les contraintes. Application aux circuits de refroidissement de véhicules automobiles.Cooling method using two heat transfer fluid circuits which have in common a multiple heat exchanger, the tubes (3) of which are rigidly connected to the collectors (14) of two fluid boxes (1, 2). A first circuit comprises a compartment (4) of a fluid box (1) and the second circuit comprises two compartments (5, 6) of the same fluid box, these compartments being separated by transverse partitions. The downstream compartment (6) of the second circuit is adjacent to the compartment (4) of the first circuit in such a way that, in the operating phases where the coolant circulates in the second circuit and not in the first circuit, the fluid circulating in the tubes of the second circuit closest to those of the first circuit are already cooled by previous passes, which limits the stresses. Application to the cooling circuits of motor vehicles.
Description
Procédé de refroidissement et échangeur de chaleur à deux circuitsCooling method and two-circuit heat exchanger
L'invention concerne les circuits de refroidissement à The invention relates to cooling circuits with
échangeurs de chaleur, en particulier pour véhicules automo- heat exchangers, in particular for motor vehicles
biles. Pour refroidir un moteur à combustion interne d'un véhicule biles. To cool an internal combustion engine in a vehicle
automobile, on utilise classiquement un circuit de refroidis- automotive, a cooling circuit is conventionally used
sement propre à faire circuler un fluide caloporteur, généralement de l'eau additionnée d'antigel, à travers le bloc moteur pour y prélever de l'énergie calorifique et la restituer au milieu extérieur par échange thermique avec de l'air dans un échangeur de chaleur, communément appelé sement suitable for circulating a heat transfer fluid, generally water with antifreeze, through the engine block to take heat energy there and restore it to the outside environment by heat exchange with air in a heat exchanger heat, commonly called
radiateur de refroidissement.cooling radiator.
Il est connu également d'utiliser ce fluide caloporteur dans un ou plusieurs circuits de refroidissement secondaires, notamment pour refroidir l'huile de lubrification du moteur ou encore pour refroidir l'air de suralimentation provenant It is also known to use this heat transfer fluid in one or more secondary cooling circuits, in particular for cooling the lubricating oil of the engine or also for cooling the charge air coming from
d'un turbo-compresseur.of a turbo-compressor.
Pour limiter l'encombrement et le coût de l'ensemble des circuits, FR-A- 2 634 546 propose d'y utiliser le même radiateur pour le refroidissement du fluide caloporteur. Ce document décrit en particulier un procédé de refroidissement, notamment du moteur thermique d'un véhicule automobile, utilisant au moins un premier circuit et un second circuit de fluide caloporteur qui ont en commun un échangeur-de chaleur multiple comprenant un faisceau de tubes de circulation de fluide caloporteur comportant au moins une rangée de tubes sensiblement parallèles, chaque tube traversant une paroi perforée ou collecteur d'au moins une boîte à fluide, cette To limit the size and the cost of all the circuits, FR-A-2 634 546 proposes to use the same radiator there for cooling the heat transfer fluid. This document describes in particular a method of cooling, in particular of the heat engine of a motor vehicle, using at least a first circuit and a second circuit of heat transfer fluid which have in common a multiple heat exchanger comprising a bundle of circulation tubes of heat transfer fluid comprising at least one row of substantially parallel tubes, each tube passing through a perforated wall or manifold of at least one fluid box, this
dernière étant divisée par des cloisons, au moins au voisi- the latter being divided by partitions, at least in the vicinity
nage du collecteur, en plusieurs compartiments dont chacun communique avec un sous-ensemble des tubes de la rangée, un premier desdits compartiments appartenant au premier circuit et au moins deux autres compartiments, parmi lesquels un second compartiment adjacent au premier, appartenant au second circuit dans lequel ils sont disposés en série par l'intermédiaire de tubes de circulation, procédé comportant des phases au cours desquelles le fluide caloporteur circule simultanément dans les premier et second circuits et d'autres phases au cours desquelles le fluide caloporteur circule dans swimming of the collector, in several compartments each of which communicates with a subset of the tubes of the row, a first of said compartments belonging to the first circuit and at least two other compartments, among which a second compartment adjacent to the first, belonging to the second circuit in which they are arranged in series by means of circulation tubes, process comprising phases during which the heat transfer fluid circulates simultaneously in the first and second circuits and other phases during which the heat transfer fluid circulates in
le second circuit et non dans le premier circuit. the second circuit and not in the first circuit.
Le premier circuit peut servir en particulier au refroi- The first circuit can be used in particular for cooling
dissement du moteur thermique, et le second circuit au refroidissement de l'air de suralimentation, le fluide caloporteur de ce second circuit circulant en plusieurs passes dans l'échangeur de chaleur pour être amené à une the heat engine, and the second circuit for cooling the charge air, the heat transfer fluid of this second circuit circulating in several passes in the heat exchanger to be brought to a
température plus basse que celui du premier circuit. lower temperature than that of the first circuit.
La figure 1 montre schématiquement un radiateur de refroi- Figure 1 shows schematically a cooling radiator
dissement conforme à l'enseignement de FR-A-2 634 546. Ce radiateur comprend deux boîtes à fluide 1 et 2 et un faisceau de tubes 3. La boîte à fluide 1 est divisée par des cloisons transversales en trois compartiments successifs 4, 5 et 6, deux tubulures d'entrée 7 et 8 débouchant respectivement dans les compartiments 4 et 5. La boîte à fluide 2 est divisée de la même façon en trois compartiments successifs 9, 10 et 11, deux tubulures de sortie 12 et 13 débouchant respectivement dans les compartiments 9 et 11. Un tel échangeur de chaleur peut être monté dans deux circuits de refroidissement, à savoir un circuit de refroidissement du moteur d'un véhicule automobile dans lequel le fluide caloporteur entre dans le Dissement in accordance with the teaching of FR-A-2 634 546. This radiator comprises two fluid boxes 1 and 2 and a bundle of tubes 3. The fluid box 1 is divided by transverse partitions into three successive compartments 4, 5 and 6, two inlet pipes 7 and 8 opening respectively into compartments 4 and 5. The fluid box 2 is similarly divided into three successive compartments 9, 10 and 11, two outlet pipes 12 and 13 opening respectively in compartments 9 and 11. Such a heat exchanger can be mounted in two cooling circuits, namely a cooling circuit of the engine of a motor vehicle in which the heat transfer fluid enters the
compartiment 4 par la tubulure 7, puis passe dans le compar- compartment 4 through tubing 7, then goes into the compar-
timent 9 par l'intermédiaire des tubes et en ressort par la tubulure 12, et un circuit de refroidissement d'air de suralimentation dans lequel le fluide caloporteur pénètre 9 through the tubes and out through the tubing 12, and a charge air cooling circuit into which the heat transfer fluid penetrates
dans le compartiment 5 par la tubulure 8, passe successive- in compartment 5 via tubing 8, successive pass-
ment dans les compartiments 10, 6 et 11 par l'intermédiaire in compartments 10, 6 and 11 via
des tubes et ressort par la tubulure 13. tubes and spring through the tubing 13.
Lorsque le fluide circule dans le second circuit et non dans le premier circuit (par exemple lors du démarrage du moteur à froid), les tubes reliant les compartiments 4 et 9, dans lesquels le fluide ne circule pas, sont à la température ambiante (par exemple 20 C), tandis que ceux reliant les compartiments 5 et 10 sont à peu près à la température du fluide à son entrée dans l'échangeur (par exemple 90'C), soit une différence de température de 70 C entre les deux sous- ensembles. Les tubes étant généralement reliés de façon rigide aux boîtes à fluide, par exemple par brasage aux collecteurs, la différence de dilatation résultant de cette différence de température entre deux sous-ensembles voisins When the fluid circulates in the second circuit and not in the first circuit (for example when starting the engine cold), the tubes connecting the compartments 4 and 9, in which the fluid does not circulate, are at ambient temperature (by example 20 C), while those connecting compartments 5 and 10 are approximately at the temperature of the fluid at its entry into the exchanger (for example 90 ° C.), that is to say a temperature difference of 70 C between the two sub - sets. The tubes being generally rigidly connected to the fluid boxes, for example by brazing to the manifolds, the difference in expansion resulting from this difference in temperature between two neighboring sub-assemblies
entraîne des contraintes mécaniques excessives. causes excessive mechanical stress.
Le but de l'invention est de remédier à cet inconvénient. The object of the invention is to remedy this drawback.
L'invention vise notamment un procédé tel que défini ci-des- The invention relates in particular to a method as defined above
sus, et prévoit que l'un au moins desdits compartiments appartenant au second circuit y est situé en amont dudit above, and provides that at least one of said compartments belonging to the second circuit is located there upstream of said
second compartiment.second compartment.
D'autres caractéristiques, complémentaires ou alternatives, de l'invention sont énoncées ci-après: - Les tubes sont reliés entre eux de façon rigide, à chacune Other characteristics, complementary or alternative, of the invention are set out below: - The tubes are rigidly connected to each other
de leurs extrémités.of their ends.
- Les tubes sont reliés entre eux de façon rigide par - The tubes are rigidly connected together by
l'intermédiaire du collecteur.through the collector.
- Le second compartiment est celui situé le plus en aval dans - The second compartment is the one furthest downstream in
le second circuit.the second circuit.
- Le fluide caloporteur du premier circuit et celui du second circuit pénètrent dans ledit échangeur de chaleur multiple - The heat transfer fluid of the first circuit and that of the second circuit penetrate into said multiple heat exchanger
respectivement par le premier compartiment et par un troi- respectively by the first compartment and by a third
sième compartiment de la boîte à fluide. 5th compartment of the fluid box.
- Le premier compartiment est le seul compartiment de la - The first compartment is the only compartment of the
boîte à fluide appartenant au premier circuit. fluid box belonging to the first circuit.
L'invention a également pour objet un échangeur de chaleur multiple convenant à la mise en oeuvre du procédé tel que The invention also relates to a multiple heat exchanger suitable for implementing the method such as
défini ci-dessus, comprenant un faisceau de tubes de circula- defined above, comprising a bundle of circulation tubes
tion de fluide caloporteur comportant au moins une rangée de tubes sensiblement parallèles, chaque tube traversant une paroi perforée ou collecteur d'au moins une boîte à fluide, cette dernière étant divisée par des cloisons, au moins au voisinage du collecteur, en plusieurs compartiments dont chacun communique avec un sous-ensemble des tubes de la rangée, un premier desdits compartiments appartenant à un premier circuit de fluide caloporteur et au moins un second tion of heat transfer fluid comprising at least one row of substantially parallel tubes, each tube passing through a perforated wall or manifold of at least one fluid box, the latter being divided by partitions, at least in the vicinity of the manifold, into several compartments, each communicates with a subset of the tubes of the row, a first of said compartments belonging to a first heat transfer fluid circuit and at least a second
compartiment, adjacent au premier, et un troisième comparti- compartment, adjacent to the first, and a third compartment
ment appartenant à un second circuit de fluide caloporteur dans lequel ils sont disposés en série par l'intermédiaire de tubes de circulation et le cas échéant de compartiments intermédiaires et/ou d'une autre boîte à fluide, caractérisé en ce que les premier et troisième compartiments sont reliés entre eux par un canal interne de la boîte à fluide pour être alimentés par une même tubulure d'entrée de fluide, ledit ment belonging to a second heat transfer fluid circuit in which they are arranged in series by means of circulation tubes and, where appropriate, intermediate compartments and / or another fluid box, characterized in that the first and third compartments are interconnected by an internal channel of the fluid box to be supplied by the same fluid inlet pipe, said
canal étant limité par une paroi adjacente au second compar- channel being bounded by a wall adjacent to the second compar-
timent et le cas échéant auxdits compartiments intermédiai- timent and where appropriate to said intermediate compartments
res. Dans le cas o les parois extérieures de la boîte à fluide, lesdites cloisons et ladite paroi du canal sont définies par une pièce moulée, l'une desdites parois extérieures présente avantageusement, dans le prolongement du canal, une ouverture res. In the case where the outer walls of the fluid box, said partitions and said channel wall are defined by a molded part, one of said outer walls advantageously has, in the extension of the channel, an opening
de démoulage qui peut être obturée par un bouchon. mold release which can be closed by a plug.
Les caractéristiques et avantages de l'invention seront The characteristics and advantages of the invention will be
exposés plus en détail dans la description ci-après, en se described in more detail in the description below, in
référant aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un échangeur de chaleur multiple connu, et a déjà été décrite plus haut; - la figure 2 est une vue analogue à la figure 1, relative à un échangeur de chaleur selon l'invention; et - la figure 3 est une vue partielle en coupe d'un autre referring to the attached drawings, in which: - Figure 1 is a schematic view of a known multiple heat exchanger, and has already been described above; - Figure 2 is a view similar to Figure 1, relating to a heat exchanger according to the invention; and - Figure 3 is a partial sectional view of another
échangeur de chaleur selon l'invention. heat exchanger according to the invention.
A la figure 2, les mêmes numéros de référence sont utilisés qu'à la figure 1 pour désigner des éléments identiques ou analogues. La portion de l'échangeur de chaleur utilisée par le circuit de refroidissement du moteur thermique, comprenant la tubulure d'entrée 7 et le compartiment 4 de la boite à In FIG. 2, the same reference numbers are used as in FIG. 1 to designate identical or analogous elements. The portion of the heat exchanger used by the cooling circuit of the heat engine, comprising the inlet pipe 7 and the compartment 4 of the box
fluide 1, un premier sous-ensemble des tubes 3, le comparti- fluid 1, a first subset of the tubes 3, the compartment
ment 9 et la tubulure de sortie 12 de la boite à fluide 2, est inchangée par rapport à la figure 1. En revanche, la portion utilisée par le circuit de refroidissement de l'air de suralimentation, dont la configuration interne est la même qu'à la figure 1, est orientée de façon différente. Le compartiment 6 est situé entre les compartiments 4 et 5, et le compartiment 11 entre les compartiments 9 et 10. Il en résulte que les tube de circulation du second circuit les plus proches des tubes de circulation du premier circuit sont ceux reliant les compartiments 6 et 11. Le fluide circulant ment 9 and the outlet pipe 12 of the fluid box 2, is unchanged with respect to FIG. 1. On the other hand, the portion used by the charge air cooling circuit, whose internal configuration is the same as 'in Figure 1, is oriented differently. Compartment 6 is located between compartments 4 and 5, and compartment 11 between compartments 9 and 10. As a result, the circulation tubes of the second circuit closest to the circulation tubes of the first circuit are those connecting compartments 6 and 11. The circulating fluid
dans ces tubes, déjà refroidi par deux passes (du comparti- in these tubes, already cooled by two passes (from the compartment
ment 5 au compartiment 10 et de ce dernier au compartiment 6), est par exemple à une température de 45'C, réduisant à 5 to compartment 10 and from the latter to compartment 6), is for example at a temperature of 45 ° C., reducing to
'C l'écart de température avec les tubes du premier sous- 'C the temperature difference with the tubes of the first sub-
ensemble quand il n'y circule pas de fluide, et limitant ainsi considérablement les contraintes produites par la together when there is no fluid circulating, and thus considerably limiting the stresses produced by the
dilatation différentielle.differential expansion.
Lorsque les deux circuits sont alimentés, et en reprenant les exemples chiffrés ci-dessus, le fluide circulant entre les compartiments 4 et 9 est à 90'C et celui circulant entre les compartiments 6 et 11 est à 45', soit une différence de température de 45'C, alors que dans la disposition de la figure 1 le fluide circulant dans les deux sous- ensembles de tubes voisins, entre les compartiments 4 et 9 et entre les When the two circuits are supplied, and using the examples given above, the fluid circulating between compartments 4 and 9 is at 90 ° C and that circulating between compartments 6 and 11 is at 45 ', a difference in temperature 45 ° C, while in the arrangement of Figure 1 the fluid flowing in the two sub-assemblies of neighboring tubes, between compartments 4 and 9 and between the
compartiments 5 et 10, était à la même température de 90'C. compartments 5 and 10, was at the same temperature of 90'C.
La disposition selon l'invention crée donc dans ce cas une dilatation différentielle qui n'existait pas dans l'état de la technique. Cependant, le résultat important est que la différence de température maximale, dans l'ensemble des phases de fonctionnement, entre des tubes voisins appartenant aux deux circuits est sensiblement plus faible (45'C) dans la configuration selon l'invention que dans la configuration The arrangement according to the invention therefore creates in this case a differential expansion which did not exist in the state of the art. However, the important result is that the maximum temperature difference, in all of the operating phases, between neighboring tubes belonging to the two circuits is significantly lower (45 ° C.) in the configuration according to the invention than in the configuration
connue (70 C).known (70 C).
Les mêmes numéros de référence sont de nouveau utilisés à la figure 3 qu'à la figure 2. La boîte à fluide 2 et le faisceau de tubes 3 de la figure 3 sont identiques aux éléments correspondants de la figure 2. La boîte à fluide 1 de la figure 3 diffère de celle de la figure 2 en ce que les compartiments 4 et 5, qui sont séparés l'un de l'autre par le compartiment 6 au contact de la plaque perforée ou collecteur 14 traversé par les tubes 3, sont reliés entre eux par un canal 15 à distance du collecteur, ce canal étant séparé du compartiment 6 par une paroi 16 s'étendant dans la direction longitudinale de la boîte à fluide. Le canal 15 permet d'alimenter les compartiments 4 et 5 à partir de la même tubulure d'entrée 7, la tubulure 8 étant supprimée, ce qui The same reference numbers are again used in FIG. 3 as in FIG. 2. The fluid box 2 and the tube bundle 3 of FIG. 3 are identical to the corresponding elements of FIG. 2. The fluid box 1 of FIG. 3 differs from that of FIG. 2 in that the compartments 4 and 5, which are separated from one another by the compartment 6 in contact with the perforated plate or collector 14 traversed by the tubes 3, are connected together by a channel 15 remote from the manifold, this channel being separated from the compartment 6 by a wall 16 extending in the longitudinal direction of the fluid box. The channel 15 makes it possible to supply the compartments 4 and 5 from the same inlet pipe 7, the pipe 8 being removed, which
simplifie l'ensemble du circuit de refroidissement. simplifies the entire cooling circuit.
La boîte à fluide 1 est formée par l'assemblage du collecteur 14 et d'une pièce moulée en matière plastique définissant les parois extérieures, la tubulure 7, les cloisons entre les compartiments et la paroi 16. Lors du moulage de cette pièce, un noyau est présent dans le canal 15. Lors du démoulage, ce The fluid box 1 is formed by assembling the manifold 14 and a molded plastic part defining the outer walls, the tubing 7, the partitions between the compartments and the wall 16. When molding this part, a nucleus is present in channel 15. During demolding, this
noyau est extrait par un mouvement dans la direction longitu- nucleus is extracted by a movement in the longitu-
dinale de la boîte à fluide, en laissant une ouverture 17 dans une paroi d'extrémité 18 de la boîte à fluide. Cette ouverture doit ensuite être obturée au moyen d'un bouchon 19, dinal of the fluid box, leaving an opening 17 in an end wall 18 of the fluid box. This opening must then be closed by means of a plug 19,
par exemple par soudage.for example by welding.
Dans les modes de réalisation décrits, les tubulures d'entrée des deux circuits sont sur la première boîte à fluide et les tubulures de sortie des deux circuits sont sur la seconde boîte à fluide. En variante, les deux tubulures d'entrée, et/ou les deux tubulures de sortie, peuvent être placées sur les deux boites à fluide respectivement. De même, les tubulures d'entrée et de sortie d'un même circuit peuvent se trouver sur la même boîte à fluide. La seconde boîte à fluide peut être supprimée totalement ou partiellement, les tubes In the embodiments described, the inlet pipes of the two circuits are on the first fluid box and the outlet pipes of the two circuits are on the second fluid box. Alternatively, the two inlet pipes, and / or the two outlet pipes, can be placed on the two fluid boxes respectively. Likewise, the inlet and outlet pipes of the same circuit can be on the same fluid box. The second fluid box can be totally or partially removed, the tubes
rectilignes correspondants étant remplacés deux à deux, de façon connue, par des tubes en U ou en épingle à cheveux. L'échangeur de chaleur selon l'invention peut être utilisé,5 outre les premier et second circuits, pour d'autres circuits. corresponding straight lines being replaced two by two, in a known manner, by U-shaped or hairpin tubes. The heat exchanger according to the invention can be used, in addition to the first and second circuits, for other circuits.
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1995
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