FR2944590A1 - Echangeur de chaleur a microcanaux - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un échangeur de chaleur à microcanaux (10) comprenant au moins un collecteur (14) pour distribuer du fluide et une pluralité de tubes (12) s'étendant à partir du au moins un colleteur (14). Au moins un tube (12) de la pluralité de tubes (12) a une section transversale sensiblement curviligne et comprend une pluralité d'orifices s'étendant à partir d'une première extrémité de chaque tube (12) jusqu'à une seconde extrémité de chaque tube (12), les orifices pouvant transporter le fluide à travers ces derniers. Une pluralité d'ailettes (16) est positionnée le long d'une longueur de la pluralité de tubes. L'invention concerne en outre un procédé pour extraire l'énergie thermique d'un écoulement via un échangeur de chaleur à microcanaux (10).

Description

ECHANGEUR DE CHALEUR A MICROCANAUX
La présente invention concerne généralement les échangeurs de chaleur à microcanaux. Plus spécifiquement, cette description concerne des configurations de tube pour des échangeurs de chaleur à microcanaux.
Les échangeurs de chaleur à microcanaux sont utilisés dans une grande variété d'applications, comprenant le secteur automobile, le secteur résidentiel et l'aéronautique. Comme représenté sur la figure 9, un échangeur de chaleur à microcanaux typique 100 comprend une pluralité de tubes plats 102 ayant chacun une pluralité d'orifices 104 à travers ceuxùci. Les tubes 102 sont typiquement agencés de sorte qu'une surface plate 106 de chaque tube 102 est sensiblement horizontale. L'air s'écoule à travers un réseau d'ailettes 108 qui s'étendent à partir des tubes 102, alors qu'un réfrigérant liquide ou biphasé s'écoule à travers la pluralité d'orifices 104. En raison de la haute densité de surface d'ailette 108 et de la surface de tube 102, pendant le procédé d'échange de chaleur, cependant, l'échangeur de chaleur à microcanaux est soumis à l'accumulation d'humidité et de condensat, et également à l'accumulation de gel. Ce problème est amplifié dans les échangeurs dans lesquels les tubes 102 sont agencés de sorte que la surface plate 106 est sensiblement horizontale lorsque l'humidité se collecte et reste sur les surfaces plates 106. L'accumulation d'humidité et de gel rend le fonctionnement de l'échangeur de chaleur moins efficace en augmentant la résistance à l'écoulement et la résistance thermique dans l'échangeur de chaleur.
En outre, l'accumulation d'humidité provoque la corrosion et les piqûres des surfaces de tube 102, diminuant ainsi leur durée de vie. L'art accueillerait bien une configuration d'échangeur de chaleur à microcanaux qui maintient la densité de surface élevée d'un échangeur de chaleur à microcanaux typique tout en réduisant l'accumulation d'humidité qui réduit l'efficacité. Selon un aspect de l'invention, un échangeur de chaleur à microcanaux comprend au moins un collecteur pour distribuer du fluide et une pluralité de tubes s'étendant à partir du au moins un collecteur. Au moins un tube de la pluralité de tubes a une section transversale sensiblement curviligne et comprend une pluralité d'orifices s'étendant à partir d'une première extrémité de chaque tube vers une seconde extrémité de chaque tube, les orifices pouvant transporter le fluide à travers ces derniers. Une pluralité d'ailettes est positionnée le long d'une longueur de la pluralité de tubes.
Selon un autre aspect de l'invention, un procédé pour extraire l'énergie thermique d'un écoulement comprend les étapes consistant à pousser un réfrigérant d'un collecteur dans une pluralité de flux de tubes en communication d'écoulement avec le collecteur. Au moins un tube de la pluralité de tubes a une section transversale sensiblement curviligne et comprend une pluralité d'orifices s'étendant à partir d'une première extrémité de chaque tube jusqu'à une seconde extrémité de chaque tube, les orifices pouvant transporter du fluide à travers ces derniers. Le réfrigérant est poussé le long d'une longueur des tubes via la pluralité d'orifices.
L'écoulement est poussé sur une pluralité d'ailettes en communication thermique avec la pluralité de tubes et l'énergie thermique est transférée vers le réfrigérant via la pluralité d'ailettes. De manière avantageuse, au moins un tube peut comprendre une partie creuse s'étendant le long de sa longueur. La pluralité d'orifices peut être disposée entre la partie creuse et une paroi extérieure du tube. De manière avantageuse, le procédé peut en outre comprendre l'étape consistant à boucher la partie creuse au niveau d'une extrémité pour empêcher le fluide d'entrer dans la partie creuse.
De manière avantageuse, le au moins un tube de la pluralité de tubes peut avoir une section transversale sensiblement circulaire. De manière avantageuse, le au moins un tube de la pluralité de tubes peut avoir une section transversale sensiblement en forme de profil aérodynamique.
De manière avantageuse, le procédé peut comprendre en outre les étapes suivantes : laisser s'écouler le réfrigérant à travers un premier tube (12) de la pluralité de tubes (12) ; laisser s'écouler le réfrigérant à travers un connecteur en forme de U (40) disposé entre le premier tube (12) et un second tube (12) de la pluralité de tubes (12) ; et laisser s'écouler le réfrigérant à travers le second tube (12).
De manière avantageuse, au moins deux tubes de la pluralité de tubes peuvent être configurés pour améliorer les interactions entre l'écoulement d'air entre eux afin d'améliorer le transfert de chaleur. De manière avantageuse, chaque ailette de la pluralité d'ailettes peut comprendre au moins une ouverture d'ailette à travers laquelle au moins un tube de la pluralité de tubes passe. De manière avantageuse, le procédé peut en outre comprendre l'étape consistant à pousser l'écoulement au-delà d'au moins une grille de transfert disposée dans la pluralité d'ailettes pour améliorer la capacité de transfert de chaleur. Ces avantages et caractéristiques ainsi que d'autres ressortiront plus clairement d'après la description suivante prise conjointement aux dessins. Le sujet, qui est considéré en tant qu'invention, est particulièrement mis en valeur et clairement revendiqué dans les revendications à la fin de la description. Les caractéristiques et avantages précédents ainsi que les autres de l'invention ressortiront plus clairement d'après la description détaillée suivante prise conjointement aux dessins d'accompagnement, dans lesquels : la figure 1 est une vue en perspective d'un mode de réalisation d'un échangeur de chaleur à microcanaux ; la figure 2 est une autre vue de l'échangeur de chaleur à microcanaux de la figure 1 ; la figure 3 est un mode de réalisation en variante de l'échangeur de chaleur à microcanaux de la figure 1 ; la figure 4 est une vue en coupe d'un mode de réalisation d'un tube d'un échangeur de chaleur à microcanaux ; la figure 5 est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation d'un tube d'un échangeur de chaleur à microcanaux ; la figure 6 est une vue en coupe encore d'un autre mode de réalisation d'un tube d'un échangeur de chaleur à microcanaux ; la figure 7 est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation d'un échangeur de chaleur à microcanaux ; la figure 8 est une vue en perspective d'un échangeur de chaleur à microcanaux ayant des connecteurs en forme de U disposés au niveau des extrémités du tube ; et la figure 9 est une vue en perspective d'un échangeur de chaleur à microcanaux typique. La description détaillée explique les modes de réalisation de l'invention, conjointement aux avantages et aux caractéristiques, à titre d'exemple en référence aux dessins. Illustré sur la figure 1, on trouve un mode de réalisation d'un échangeur de chaleur à microcanaux 10. L'échangeur de chaleur 10 comprend une pluralité de tubes 12 s'étendant à partir d'au moins un collecteur 14. Deux collecteurs 14 sont illustrés sur la figure 1, mais il faut noter que d'autres quantités de collecteurs 14, par exemple un ou trois collecteurs 14, sont envisagées dans la présente portée. Chaque tube 12 de la pluralité de tubes 12 est raccordé à au moins un collecteur 14, par exemple par brasage, ou d'autres moyens de raccordement appropriés. Disposée sur la pluralité de tubes 12, on trouve une rangée d'ailettes 16. Les ailettes 16 peuvent être composées d'ailettes pliées comme représenté sur la figure 2 ou de plaques d'ailette individuelles 16 comme représenté sur la figure 3, et peuvent en outre comprendre des grilles de transfert 18 ou des améliorations similaires pour améliorer la capacité de transfert de chaleur des ailettes 16. Comme représenté sur la figure 4, les ailettes 16 ont des ouvertures d'ailette 20 qui peuvent être réalisées par exemple par une opération de découpe à l'emporte-pièce. Les ouvertures d'ailette 20 permettent le passage d'un tube 12 de la pluralité de tubes 12 à travers ces dernières. Chaque ailette 16 peut avoir plusieurs ouvertures d'ailette 20 de sorte que plusieurs tubes 12 peuvent passer à travers chaque ailette 16. Par exemple, comme représenté sur la figure 4, chaque ailette 16 a deux ouvertures d'ailette 20 qui permettent le passage de deux tubes 12 à travers chaque ailette 16. Il faut cependant noter que d'autres quantités d'ouvertures d'ailette 20 peuvent être disposées dans chaque ailette 16, par exemple trois ou quatre ouvertures d'ailette 20. Dans certains modes de réalisation, les ouvertures d'ailette 20 ont un collier 22 s'étendant au moins partiellement autour d'un périmètre des ouvertures d'ailette 20 afin de déterminer un espacement entre les ailettes 16 adjacentes. Dans certains modes de réalisation, les ailettes 16 peuvent être brasées sur les tubes 12 au niveau de chaque ouverture d'ailette 20 afin de fixer les ailettes 16 en position par rapport aux tubes 12 et afin d'améliorer le contact thermique entre les ailettes 16 et les tubes 12. Dans certains modes de réalisation, comme représenté sur la figure 4, chaque tube 12 de la pluralité de tubes 12 peut avoir une section transversale sensiblement circulaire, avec une pluralité d'orifices 24 agencée autour d'un axe central 26 du tube 12, et dans certains modes de réalisation s'étendant à partir d'une première extrémité jusqu'à une seconde extrémité du tube 12. Les orifices 24 ont une largeur de l'ordre d'environ 0,1 mm à environ 5 mm. Comme représenté sur la figure 4, les orifices 24 peuvent avoir une section transversale circulaire ou, dans certains modes de réalisation, comme représenté sur la figure 5, les orifices 24 peuvent avoir des sections transversales qui ont un secteur circulaire. Il faut noter que les formes transversales de l'orifice 24 représenté sur les figures 4 et 5 sont simplement des exemples, et que d'autres formes transversales des tubes sont envisagées dans la présente portée. En outre, les formes et les tailles des orifices 24 à l'intérieur d'un seul tube 12 ou tout au long de plusieurs tubes 12 de l'échangeur de chaleur à microcanaux 10 peuvent être modifiées afin d'améliorer la performance de l'échangeur de chaleur à microcanaux 10. En référence à nouveau à la figure 4, dans certains modes de réalisation, le tube 12 peut avoir une partie creuse 28 qui s'étend à travers le tube 12 le long de sa longueur. La partie creuse 28 peut avoir une section transversale circulaire comme représenté sur la figure 4, ou peut avoir une autre forme si nécessaire. Dans le mode de réalisation de la figure 4, la partie creuse 28 est positionnée au niveau de l'axe central 26, mais il faut noter que dans certains modes de réalisation, la partie creuse 28 peut être décalée de l'axe central 26. Dans de tels modes de réalisation, les orifices 24 sont agencés en rangée entre la partie creuse 28 et une surface externe 30 du tube 12. La partie creuse 28 réduit la quantité de matériau nécessaire pour fabriquer le tube 12, qui peut être formé par un procédé d'extrusion ou un autre procédé approprié. La partie creuse 28 est bouchée au niveau d'au moins une extrémité du tube 12 avant le fonctionnement de l'échangeur de chaleur à microcanaux 10 afin d'empêcher le réfrigérant de contourner les orifices 24 et/ou de continuer à s'écouler à travers la partie creuse 28.
En référence maintenant à la figure 6, les tubes 12 peuvent avoir des formes transversales différentes des formes circulaires. Par exemple, comme représenté sur la figure 6, les tubes 12 peuvent avoir une forme transversale en forme de goutte ou de profil aérodynamique.
Dans certains modes de réalisation, la section transversale en forme de profil aérodynamique peut comprendre la partie creuse 28 avec les orifices 24 agencés en rangée entre la section creuse 28 et la surface externe 30. Les tubes 12 ayant une section transversale en forme de goutte ou de profil aérodynamique améliorent la chute de pression sur les tubes 12, fournissent un meilleur transfert de chaleur et améliorent l'évacuation de l'humidité des tubes 12. En référence à la figure 7, dans des configurations de l'échangeur de chaleur à microcanaux 10 dans lesquelles plusieurs tubes 12 passent à travers chaque ailette 16, les tubes 12 sont disposés étroitement les uns par rapport aux autres de sorte qu'il existe des interactions des écoulements 36, par exemple des écoulements d'air, passant entre les tubes 12, par exemple dans une première rangée 32 et une seconde rangée 34. Pour tirer partie de et améliorer les interactions pour augmenter le transfert de chaleur, la forme et/ou le positionnement des tubes 12 peut être ajusté(e) (peuvent être ajustés) finement. Par exemple, les tubes 12 dans la seconde rangée 34 peuvent être positionnés de sorte qu'ils sont sensiblement entre les tubes 12 adjacents de la première rangée 32 de sorte qu'un écoulement 36 dirigé au niveau des tubes 12 de la seconde rangée 34 n'est pas protégé par les tubes 12 de la première rangée 32. En outre, un bord de fuite 38 des tubes dans la première rangée 32 peut être pivoté vers un tube 12 adjacent de la seconde rangée 34, faisant ainsi pivoter l'écoulement 36 vers les tubes 12 de la seconde rangée 34 pour améliorer le transfert de chaleur.
Dans certains modes de réalisation, l'échangeur de chaleur à microcanaux 10 est une configuration à plusieurs passages, signifiant que chaque tube 12 peut passer à travers la pluralité d'ailettes 16 plus d'une fois. Comme représenté sur la figure 8, ceci peut être réalisé en prévoyant au moins un connecteur en forme de U 40 au moins au niveau d'une extrémité de chaque tube 12. Le connecteur 40 peut être soudé sur le tube 12 et est configuré pour diriger l'écoulement de réfrigérant à partir d'une première partie de tube 42 en passant par le connecteur 40 et le rediriger dans une seconde partie de tube 44 afin de passer à nouveau par la pluralité d'ailettes 16. Dans certains modes de réalisation, la première partie de tube 42 est disposée dans la première rangée 32 et la seconde partie de tube 44 est disposée dans la seconde rangée 34. Alors que l'invention a été décrite de manière détaillée conjointement à un nombre limité de modes de réalisation, on peut facilement comprendre que l'invention n'est pas limitée à de tels modes de réalisation décrits. Au lieu de cela, l'invention peut être modifiée pour comprendre n'importe quel nombre de variantes, modifications, substitutions ou agencements équivalents non décrits jusqu'à présent, mais qui sont envisagés dans la portée de l'invention. De plus, alors que plusieurs modes de réalisation de l'invention ont été décrits, il faut comprendre que les aspects de l'invention peuvent comprendre uniquement certains des modes de réalisation décrits. Par conséquent, l'invention ne doit pas être interprétée comme étant limitée par la description précédente, mais uniquement limitée par la portée des revendications jointes.

Claims (15)

  1. REVENDICATIONS1. Echangeur de chaleur à microcanaux (10), comprenant : au moins un collecteur (14) pour distribuer du fluide ; une pluralité de tubes (12) s'étendant à partir du au moins un collecteur (14), au moins un tube (12) de la pluralité de tubes (12) ayant : une section transversale sensiblement curviligne ; et une pluralité d'orifices (24) s'étendant à partir d'une première extrémité de chaque tube (12) jusqu'à une seconde extrémité de chaque tube (12), les orifices (24) pouvant transporter le fluide à travers ces derniers ; et une pluralité d'ailettes (16) disposée le long d'une longueur de la pluralité de tubes (12).
  2. 2. Echangeur de chaleur à microcanaux (10) selon la revendication 1, dans lequel le au moins un tube (12) de la pluralité de tubes (12) comprend une partie creuse (28) s'étendant le long de sa longueur, la pluralité d'orifices (24) étant disposée entre la partie creuse (28) et une paroi extérieure (30) du tube (12).
  3. 3. Echangeur de chaleur à microcanaux (10) selon la revendication 2, dans lequel la partie creuse (28) est bouchée au niveau d'une extrémité pour empêcher le fluide de pénétrer dans la partie creuse (28).
  4. 4. Echangeur de chaleur à microcanaux (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le au moins un tube (12) de la pluralité de tubes (12) a une section transversale sensiblement circulaire.
  5. 5. Echangeur de chaleur à microcanaux (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le au moins un tube (12) de la pluralité de tubes (12) a une section transversale sensiblement en forme de profil aérodynamique.
  6. 6. Echangeur de chaleur à microcanaux (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel au moins deux tubes (12) de la pluralité de tubes (12) sont raccordés au niveau d'une extrémité via un connecteur en forme de U (40).
  7. 7. Echangeur de chaleur à microcanaux (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel au moins deux tubes (12) de la pluralité de tubes (12) sont configurés pour améliorer les interactions avec un écoulement (36) entre eux afin d'améliorer le transfert de chaleur.
  8. 8. Echangeur de chaleur à microcanaux (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel chaque ailette (16) de la pluralité d'ailettes (16) comprend au moins une ouverture d'ailette (20) à travers laquelle au moins un tube (12) de la pluralité de tubes (12) passe.
  9. 9. Echangeur de chaleur à microcanaux (10) selon la revendication 8, dans lequel la au moins une ouverture d'ailette (20) comprend un collier (22) afin de déterminer l'espacement entre les ailettes (16) adjacentes de la pluralité d'ailettes (16).
  10. 10. Echangeur de chaleur à microcanaux (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel au moins une ailette (16) de la pluralité d'ailettes (16) comprend au moins une grille de transfert (18) pour améliorer la capacité de transfert de chaleur de la pluralité d'ailettes (16).
  11. 11. Echangeur de chaleur à microcanaux (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel chaque orifice (24) de la pluralité d'orifices (24) a une largeur de l'ordre d'environ 0,1 mm à environ 5 mm.
  12. 12. Procédé pour extraire l'énergie thermique d'un écoulement, comprenant les étapes suivantes : pousser un réfrigérant provenant d'un collecteur (14) dans une pluralité de tubes (12) en communication d'écoulement avec le collecteur (14), au moins un tube (12) de la pluralité de tubes (12) comprenant : une section transversale sensiblement curviligne ; et une pluralité d'orifices (24) s'étendant à partir d'une première extrémité de chaque tube (12) jusqu'à une seconde extrémité de chaque tube (12), les orifices (24) pouvant transporter le fluide à travers ces derniers ; le réfrigérant étant poussé le long d'une longueur des tubes (12) via la pluralité d'orifices (24) ; pousser un écoulement sur une pluralité d'ailettes (16) en communication thermique avec la pluralité de tubes (12) afin de transférer l'énergie thermique vers le réfrigérant via la pluralité d'ailettes (16).
  13. 13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel le au moins un tube (12) de la pluralité de tubes (12) comprend une partie creuse (28) s'étendant le long de sa longueur, la pluralité d'orifices (24) étant disposée entre la partie creuse (28) et une paroi extérieure (30) du tube (12).
  14. 14. Procédé selon la revendication 13, comprenant l'étape consistant à boucher la partie creuse (28) au niveau d'une extrémité pour empêcher le fluide de pénétrer dans la partie creuse (28).
  15. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, comprenant les étapes suivantes : laisser s'écouler le réfrigérant à travers un premier tube (12) de la pluralité de tubes (12) ; laisser s'écouler le réfrigérant à travers un connecteur en forme de U (40) disposé entre le premier tube (12) et un second tube (12) de la pluralité de tubes (12) ; et laisser s'écouler le réfrigérant à travers le second tube (12).
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