FR2808320A1

FR2808320A1 - High pressure heat exchanger for vehicle air conditioning comprises calibrated element in heat exchanger wall which ruptures when refrigerant fluid pressure exceeds threshold value

Info

Publication number: FR2808320A1
Application number: FR0005416A
Authority: FR
Inventors: Stephane Avequin
Original assignee: Valeo Thermique Moteur SA
Current assignee: Valeo Thermique Moteur SA
Priority date: 2000-04-27
Filing date: 2000-04-27
Publication date: 2001-11-02
Anticipated expiration: 2020-04-27
Also published as: FR2808320B1

Abstract

The heat exchanger comprises a calibrated element (24) housed in a wall (28) of the heat exchanger designed to rupture when the refrigerant fluid pressure exceeds a given threshold. This then allows the fluid to escape through a chosen place in the wall.

Description

Echangeur chaleur à haute pression pour circuit de climatisation, notamment de véhicule automobile L'invention rapporte aux échangeurs de chaleur, notamment pour véhicule automobile. Heat exchanger high pressure heat for circuit air conditioning, particular motor vehicle The invention relates to heat exchangers, especially for motor vehicles.

Elle concerne plus particulièrement un échangeur de chaleur pour un circuit de climatisation, propre à être parcouru un fluide réfrigérant sous haute pression. It relates more particularly to a heat exchanger for an air conditioning circuit, suitable for being traversed a refrigerant fluid under high pressure.

Un circuit climatisation classique est parcouru par fluide réfrigérant, généralement un composé fluoré, qui présent sous deux phases différentes, à savoir une phase gazeuse et phase liquide. A conventional air conditioning circuit is traversed by refrigerant fluid, generally a fluorinated compound, which present in two different phases, namely a gaseous phase and liquid phase.

Le fluide réfrigérant en phase gazeuse est comprimé par compresseur, transformé ensuite en phase liquide dans un condenseur balayé par un flux d'air, puis détendu à basse pression par un détendeur et, finalement, transformé en phase gazeuse dans un évaporateur traversé par un flux d'air, et ainsi de suite. The refrigerant fluid in the gas phase is compressed by a compressor, then converted into a liquid phase in a condenser swept by an air flow, then expanded at low pressure by an expander and finally converted into a gas phase in an evaporator traversed by a flow. air, and so on.

De tels circuits de climatisation classiques ont pour principal inconvénient d'utiliser des fluides réfrigérants qui, en cas de fuite, dégagent dans l'atmosphère des composés néfastes pour l'environnement. Such conventional air conditioning circuits have the main disadvantage of using refrigerants which, in case of leakage, release into the atmosphere compounds harmful to the environment.

A l'heure actuelle, on cherche de plus en plus à remplacer ces fluides réfrigérants fluorés par des fluides moins nocifs, en particulier par des composés naturels, tels que par exemple le dioxyde de carbone. At present, there is increasing interest in replacing these fluorinated refrigerant fluids with less harmful fluids, in particular with natural compounds, such as, for example, carbon dioxide.

Un tel circuit de climatisation utilisant des fluides moins nocifs comprend essentiellement un compresseur, un refroidis seur à gaz (encore appelé "gas cooler", terme anglo-saxon), un échangeur de chaleur interne, un détendeur, un évaporateur et un accumulateur. Ainsi le condenseur classique est remplacé par un refroidis seur gaz qui libère de la chaleur sous une haute pression variable. Such an air conditioning circuit using less harmful fluids essentially comprises a compressor, a gas cooler (also called "gas cooler", an English term), an internal heat exchanger, a pressure reducer, an evaporator and an accumulator. Thus the conventional condenser is replaced by a gas cooler which releases heat under a variable high pressure.

Dans tel refroidisseur à gaz, la pression du fluide réfrigérant peut atteindre des valeurs de l'ordre 450 bars qui sont donc supérieures aux pressions de l'ordre de bars obtenues dans les circuits de climatisation classique Ceci oblige à réaliser des composants particuliers, de résistance plus élevée, et selon une technologie qui généralement différente de celle des échangeurs de chaleur classique. In such a gas cooler, the pressure of the refrigerant can reach values of the order of 450 bars, which are therefore higher than the pressures of the order of bars obtained in conventional air-conditioning circuits. This requires the production of particular components, of resistance higher, and according to a technology that generally differs from that of conventional heat exchangers.

I1 en resulte que les échangeurs de chaleur utilisés dans circuits de climatisation qui fonctionnent avec un fluide réfrigérant non fluoré doivent présenter des épaisseurs plus importantes et des proximités réduites entre les éléments constitutifs des échangeurs de chaleur. As a result, the heat exchangers used in air conditioning circuits that operate with a non-fluorinated refrigerant fluid must have greater thicknesses and reduced proximities between the constituent elements of the heat exchangers.

Ceci conduit d'une part à un risque d'explosion important d'autre part, à de fortes pertes de charge interne. L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvé nients précités. This leads on the one hand to a high risk of explosion on the other hand, to high internal pressure losses. The object of the invention is in particular to overcome the above-mentioned disadvantages.

Elle vise en particulier à procurer un échangeur de chaleur à haute pression pour circuit de climatisation qui susceptible de résister aux explosions, en cas de surpression due à un dysfonctionnement du circuit de climatisation. L'invention vise également à procurer un tel échangeur chaleur qui peut être utilisé, soit comme condenseur dans un circuit de climatisation classique utilisant un fluide réfrigérant fluoré, soit encore comme refroidisseur à dans un circuit de climatisation utilisant un fluide réfrigé rant non fluoré. L invention propose à cet effet un échangeur de chaleur du type défini précédemment, lequel comprend un élément calibré logé dans une paroi de l'échangeur de chaleur, en un emplace ment choisi, et conçu pour se rompre dans le cas où la pression du fluide réfrigérant dépasse un seuil donné, ce qui permet à ce fluide réfrigérant de s'échapper vers l'extérieur l'emplacement choisi de la paroi. It aims in particular to provide a high pressure heat exchanger for air conditioning circuit that can withstand explosions, in case of overpressure due to a malfunction of the air conditioning circuit. The invention also aims to provide such a heat exchanger which can be used either as a condenser in a conventional air conditioning circuit using a fluorinated refrigerant, or as a cooler in an air conditioning circuit using a non-fluorinated refrigerant fluid. The invention proposes for this purpose a heat exchanger of the type defined above, which comprises a calibrated element housed in a wall of the heat exchanger, in a chosen location, and designed to break in the case where the pressure of the fluid refrigerant exceeds a given threshold, which allows this refrigerant to escape to the outside of the chosen location of the wall.

Ainsi, en cas de surpression, l'élément calibré est rompu et le fluide réfrigérant sous haute pression s'échappe vers 1 extérieur par l'emplacement choisi de la paroi. Thus, in case of overpressure, the calibrated element is broken and the high-pressure refrigerant escapes to outside 1 by the chosen location of the wall.

I en résulte que le fluide réfrigérant ainsi libéré s'é chappe dans une région choisie pour n'entraîner des dommages ni aux passagers du véhicule, ni à des parties vitales du vehicule. As a result, the refrigerant thus released escapes in a selected region to cause damage neither to the vehicle passengers nor to vital parts of the vehicle.

outre, cette solution offre l'avantage que, une fois la cause du dysfonctionnement réparée, le circuit de climatisa tion peut être à nouveau rempli après avoir refermé l'échan geur de chaleur. Moreover, this solution offers the advantage that, once the cause of the malfunction has been repaired, the cooling circuit can be filled again after closing the heat exchanger.

Autrement dit, l'échangeur de chaleur peut être réparé avec mise en place d'un nouvel élément calibré, puis reutilisé. l'expression "élément calibré", on entend designer un élément rapporté sur une paroi de l'échangeur de chaleur et conçu pour se rompre dès que la pression interne l'échan geur de chaleur dépasse un seuil déterminé, lequel est fonction du type d'échangeur de chaleur et de nature du fluide réfrigérant utilisé. In other words, the heat exchanger can be repaired with implementation of a new calibrated element, then reutilisé. the term "calibrated element" is understood to mean an element attached to a wall of the heat exchanger and designed to rupture as soon as the internal pressure of the heat exchanger exceeds a determined threshold, which is a function of the type of heat exchanger. heat exchanger and nature of the refrigerant used.

Dans une forme préférée de l'invention, l'élément calibré est réalisé sous la forme d'une cloison, par exemple en forme de pastille, emboîtée en force dans une ouverture de la paroi. Cet élément calibré présente avantageusement un profil étagé, pour former moyen de retenue. L'élément calibré est avantageusement métallique par exemple en aluminium ou alliage à base d'aluminium. In a preferred form of the invention, the calibrated element is in the form of a partition, for example in the form of a tablet, nested by force in an opening of the wall. This calibrated element advantageously has a stepped profile to form a retaining means. The calibrated element is advantageously metallic for example aluminum or aluminum-based alloy.

Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, la paroi fait partie d'une boîte collectrice de l'échangeur de chaleur. In a preferred embodiment of the invention, the wall forms part of a header box of the heat exchanger.

I1 est envisageable aussi que cette paroi fasse partie d'une bride d'entrée de l'échangeur de chaleur. It is also conceivable that this wall is part of an inlet flange of the heat exchanger.

Dans une application préférentielle de l'invention, l'échan geur chaleur est réalisé sous la forme d'un refroidisseur à gaz IL peut aussi être réalisé sous la forme d' condenseur classique. In a preferred application of the invention, the heat exchanger is made in the form of a gas cooler IL can also be realized in the form of conventional condenser.

Dans description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, lesquels - la figure 1 est une vue de face, avec arrachement partiel, d'un echangeur pour circuit de climatisation réalisé selon une première forme de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue partielle en perspective éclatée de l'échangeur de chaleur de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en coupe de l'échangeur de chaleur des figures 1 et 2 au niveau de l'élément calibré ; - la figure 4 est une vue de face d'un échangeur de chaleur selon autre forme de réalisation de l'invention; et - la figure 5 est une vue partielle en coupe avec arrachement d'un échangeur de chaleur selon l'invention niveau du raccordement d'un tube et d'une boîte collectrice. On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente un échan geur de chaleur propre à faire partie d'un circuit de climatisation, dans l'exemple de véhicule automobile. In the following description, which is given by way of example only, reference is made to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a partly broken front view of an exchanger for an air conditioning circuit made according to a first embodiment. of the invention; - Figure 2 is a partial exploded perspective view of the heat exchanger of Figure 1; FIG. 3 is a sectional view of the heat exchanger of FIGS. 1 and 2 at the level of the calibrated element; FIG. 4 is a front view of a heat exchanger according to another embodiment of the invention; and - Figure 5 is a partial sectional view with tearing of a heat exchanger according to the invention level of the connection of a tube and a header. Referring first to Figure 1 which shows a heat exchanger clean part of an air conditioning circuit, in the example of a motor vehicle.

Cet échangeur de chaleur peut consister, soit en un conden- seur pour un circuit de climatisation classique, soit en un refroidisseur à gaz pour un circuit de climatisation fonc tionnant avec un fluide réfrigérant non fluoré. Dans le premier cas, le fluide réfrigérant est habituellement un composé fluoré, tandis que dans le second cas, le fluide réfrigérant est un composé naturel, en particulier du dioxyde de carbone. This heat exchanger may consist of either a condenser for a conventional air-conditioning circuit, or a gas cooler for an air-conditioning circuit operating with a non-fluorinated refrigerant. In the first case, the coolant is usually a fluorinated compound, while in the second case, the coolant is a natural compound, especially carbon dioxide.

L'échangeur de chaleur comprend un faisceau 10 formé d'une multiplicité de tubes plats 12 disposés parallèlement entre eux et entre lesquels sont placés des intercalaires 14, de forme ondulée, qui constituent des ailettes d'échange de chaleur. The heat exchanger comprises a beam 10 formed of a plurality of flat tubes 12 arranged parallel to each other and between which are placed interleaves 14, of corrugated shape, which constitute heat exchange fins.

Le faisceau 10 est monté entre deux boîtes collectrices tubulaires : une boîte collectrice d'entrée 16 et une boîte collectrice de sortie 18. Ces deux boîtes sont munies respectivement d'une tubulure d'entrée 20 et d'une tubulure de sortie 22. The beam 10 is mounted between two tubular manifolds: an inlet manifold 16 and an outlet manifold 18. These two boxes are respectively provided with an inlet manifold 20 and an outlet manifold 22.

Le fluide réfrigérant à l'état gazeux, et sous haute pres sion, pénètre dans la boîte collectrice 16 par la tubulure 20, comme montré par la flèche F1. I1 circule ensuite dans le faisceau 10 en une ou plusieurs passes et échange ainsi de la chaleur avec un flux d'air qui balaye ce faisceau. Le fluide réfrigérant est ainsi refroidi et il quitte l'échangeur par la tubulure 22, comme montré par la flèche F2. The refrigerant fluid in the gaseous state, and under high pressure, enters the manifold 16 through the manifold 20, as shown by the arrow F1. I1 then flows in the beam 10 in one or more passes and thus exchanging heat with a stream of air that scans this beam. The coolant is thus cooled and it leaves the exchanger through the pipe 22, as shown by the arrow F2.

Le fluide réfrigérant en phase gazeuse, qui pénètre dans l'échangeur de chaleur, peut se trouver à une pression très élevée, typiquement de l'ordre de 100 bars pour un condenseur d'un circuit de climatisation classique, et typiquement de l'ordre de 450 bars pour un circuit de climatisation fonc tionnant avec un fluide réfrigérant non fluoré. I1 en résulte que, en cas de dysfonctionnement entraînant une surpression du fluide réfrigérant dans l'échangeur de chaleur, celui-ci peut exploser, avec les conséquences dramatiques que l'on peut imaginer. The refrigerant fluid in the gas phase, which enters the heat exchanger, can be at a very high pressure, typically of the order of 100 bar for a condenser of a conventional air conditioning circuit, and typically of the order 450 bar for an air conditioning circuit operating with a non-fluorinated refrigerant fluid. As a result, in the event of a malfunction resulting in an overpressure of the refrigerant in the heat exchanger, it can explode, with the dramatic consequences that one can imagine.

Pour cela, la boîte collectrice 16 est munie d' élément ca libré 24 placé en un emplacement choisi de la boîte collec trice , ici dans un compartiment d'entrée de la boîte collectrice. For this, the manifold 16 is provided with free-form element 24 placed at a selected location of the collector box, here in an inlet compartment of the manifold.

Comme on peut le voir sur la figure 2, la boîte collectrice 16 présente, en section transversale, une forme oblongue terminée, d'un côté, par une paroi semi-circulaire 26 et, du côté opposé, par une paroi généralement plane 28. Ces parois 26 et 28 sont réunies par deux parois 30, généralement planes et parallèles entre elles. As can be seen in FIG. 2, the collecting box 16 has, in cross-section, an oblong shape terminated on one side by a semi-circular wall 26 and, on the opposite side, by a generally flat wall 28. These walls 26 and 28 are joined by two walls 30, generally flat and parallel to each other.

La paroi 26 comporte des ouvertures (non représentées) pour recevoir les extrémités des tubes 12 du faisceau. En outre, cette paroi 26 est revêtue d'une plaque 32, de forme générale semi-circulaire, destinée à faciliter le brasage des extrémi tés des tubes avec la boîte collectrice 16. The wall 26 has openings (not shown) for receiving the ends of the tubes 12 of the beam. In addition, this wall 26 is coated with a plate 32, of generally semicircular shape, intended to facilitate brazing of the ends of the tubes with the manifold 16.

La paroi 28 comporte une ouverture 32, de forme générale circulaire (figures 2 et 3) dans laquelle est emmanchée en force 1 élément calibré 24. Ce dernier est réalisé sous la forme d'une cloison métallique, encore appelée pastille, avantageusement à base d'aluminium. I1 comprend une forme étagée de manière à définir une partie interne 34 qui possède un diamètre extérieur sensiblement égal au diamètre intérieur de l'ouverture 32, et une partie externe 36 possédant un diamètre supérieur et formant butée de retenue. The wall 28 has an opening 32 of generally circular shape (FIGS. 2 and 3) in which is force-fitted 1 calibrated element 24. The latter is made in the form of a metal partition, also called a pellet, advantageously based on 'aluminum. It comprises a stepped shape so as to define an inner portion 34 which has an outer diameter substantially equal to the inner diameter of the opening 32, and an outer portion 36 having a larger diameter and forming a retaining stop.

Cet élément calibré est conçu pour se rompre, c'est-à-dire se détacher de la paroi, dans le cas où la pression du fluide réfrigérant à l'intérieur de l'échangeur de chaleur, et spécialement à l'intérieur de la boîte collectrice 16, dépasse un seuil choisi. Ainsi, en cas de dysfonctionnement, le fluide réfrigérant gazeux s'échappe par l'ouverture 32 qui se trouve ainsi libérée. L'ouverture 32 est placée en un endroit choisi, ce qui permet alors au fluide refrigérant de s'échapper vers l'extérieur dans une région du véhicule qui ne risque pas de créer de dommages aux passagers du véhicule et à des parties vitales de celui-ci. This calibrated element is designed to break, i.e. to separate from the wall, in the case where the pressure of the coolant inside the heat exchanger, and especially inside the collector box 16, exceeds a chosen threshold. Thus, in the event of a malfunction, the gaseous refrigerant escapes through the opening 32 which is thus released. The opening 32 is placed in a chosen location, which then allows the refrigerant fluid to escape outwardly in a region of the vehicle that is not likely to cause damage to the vehicle passengers and vital parts of the vehicle. -this.

Dans l'exemple de la figure 1, l'ouverture 32 est placée dans un compartiment d'entrée de la boîte collectrice 16 et à l'opposé du faisceau, mais il pourrait s'agir d'un autre endroit. In the example of Figure 1, the opening 32 is placed in an inlet compartment of the manifold 16 and opposite the beam, but it could be another place.

Dans le cas de la figure 4, tubulure d'entrée de l'échan geur de chaleur est réalisée sous la forme d'une bride d'entrée 38 en forme de T présentant une branche latérale 40. L'élément calibré 24 est monte à l'extrémité de cette branche 40. In the case of FIG. 4, the inlet pipe of the heat exchanger is made in the form of a T-shaped inlet flange 38 having a lateral branch 40. The calibrated element 24 is raised to the end of this branch 40.

Ainsi, en cas de surpression anormale, l'élément calibré 24 se rompt et le fluide réfrigérant en phase gazeuse s'échappe par l'extrémité de la branche 40. Thus, in the event of abnormal overpressure, the calibrated element 24 breaks and the cooling fluid in the gas phase escapes through the end of the branch 40.

Dans tous les cas, le fluide réfrigérant s'échappe dans des conditions contrôlées, empêchant tout risque d'explosion de l'échangeur et tous dommages aux passagers ou au véhicule lui-même. In all cases, the refrigerant escapes under controlled conditions, preventing any risk of explosion of the exchanger and any damage to passengers or the vehicle itself.

Ultérieurement, il est possible de remettre en place un autre élément calibré, puis de remplir à nouveau le circuit de climatisation pour assurer remise en fonctionnement de l'installation. Subsequently, it is possible to replace another calibrated element, then refill the air conditioning circuit to ensure the operation of the facility.

On se réfère maintenant à figure 5 qui montre un passage 42 pour recevoir l'extrémité d'un tube 12 du faisceau. Ce passage présente ici une forme polygonale, par exemple triangulaire, au lieu d'une section droite comme dans les échangeurs de chaleur classiques. Cette configuration particulière permet de limiter les pertes de charges inter nes. Referring now to Figure 5 which shows a passage 42 for receiving the end of a tube 12 of the beam. This passage here has a polygonal shape, for example triangular, instead of a cross section as in conventional heat exchangers. This particular configuration makes it possible to limit the internal losses of charges.

L'invention trouve une application particulière aux échan geurs de chaleur pour circuit de climatisation de véhicule automobile. The invention finds particular application to heat exchangers for air conditioning circuit of a motor vehicle.

L'échangeur de chaleur peut être notamment un condenseur classique ou un refroidisseur à gaz pour circuit fonctionnant avec un fluide réfrigérant de type composé naturel, tel que le dioxyde de carbone.The heat exchanger may be in particular a conventional condenser or a gas cooler for circuit operating with a refrigerant fluid of natural compound type, such as carbon dioxide.

Claims

Claims 1 Heat exchanger for an air conditioning circuit, capable of being traversed by a high-pressure refrigerant, characterized in that it comprises a calibrated element (24) housed in a wall (28, 40) of the heat exchanger, at a chosen location, and designed to break in the case the pressure of the refrigerant exceeds a given threshold, which allows the refrigerant to escape to the outside the chosen location of the wall. 2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the calibrated element (24) is in the form of a partition fitted in force in an opening (32) of the wall (28, 40). 3. Heat exchanger according to one of claims and 2, characterized in that the calibrated element (24) has a stepped profile. 4. Heat exchanger according to one of claims 1 to 3, characterized in that the calibrated element (24) is metalli que. 5. Heat exchanger according to one of claims 1 to 4, characterized in that the wall (28) is part of a header () of the heat exchanger. 6. Heat exchanger according to one of claims 1 to 4, characterized in that the wall (40) is part of an inlet flange (38) of the heat exchanger. 7. Heat exchanger according to one of claims 1 to 6, characterized in that it is realized in the form of a gas cooler. 8. Heat exchanger according to one of claims 1 to 6, characterized in that it is in the form of a condenser.