FR2988825A1 - Echangeur thermique, notamment pour vehicule - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un échangeur thermique, ledit échangeur comprenant un faisceau de tubes (2), permettant un échange de chaleur entre un fluide frigorigène circulant dans lesdits tubes (2) et un flux d'air extérieur, et un premier collecteur (4), ledit échangeur étant configuré pour établir une circulation en série pour le fluide frigorigène entre une première partie desdits tubes (2), débouchant dans une première partie (4a) dudit premier collecteur, ledit premier collecteur (4) et une seconde partie desdits tubes (2), débouchant dans une seconde partie (4b) dudit premier collecteur (4). Selon l'invention, ledit premier collecteur (4) comprend une cloison (12) configurée pour perturber la circulation du fluide entre la première et la seconde partie desdits tubes (2). L'invention est plus particulièrement destinée aux véhicules automobiles à motorisation électrique et/ou hybride.

Description

ECHANGEUR THERMIQUE, NOTAMMENT POUR VEHICULE L'invention concerne un échangeur thermique, notamment pour véhicules, en particulier véhicules électriques et/ou hybrides. Dans les véhicules à motorisation thermique, il est connu d'utiliser la chaleur dégagée par le moteur pour chauffer l'habitacle du véhicule. Dans les véhicules à motorisation électrique, la chaleur dégagée par la machine électrique servant à l'entrainement du véhicule est trop faible pour assurer une telle fonction. Un problème identique se pose, même si cela est dans un degré moindre, dans les véhicules hybrides, c'est-à-dire, à motorisation à la fois thermique et électrique. Pour résoudre ce problème, il a déjà été proposé de faire fonctionner des boucles de 15 climatisation de façon réversible. Elles sont ainsi configurées pour introduire alternativement de l'air froid ou de l'air chaud dans l'habitacle, ceci en fonction de la demande de l'utilisateur. Elles font appel à un échangeur thermique, situé en face avant du véhicule, pour être 20 balayé par un flux d'air à température ambiante passant à travers la calandre. Ledit échangeur sert à condenser le fluide frigorigène circulant dans la boucle de climatisation quand celle-ci est utilisée pour refroidir l'habitacle et évaporer ledit fluide dans le cas inverse, c'est-à-dire, quand la boucle de climatisation fonctionne en pompe à chaleur pour réchauffer l'habitacle. 25 Les performances thermiques de tels échangeurs sont difficiles à optimiser car les solutions permettant d'améliorer leur fonctionnement en tant que condenseur sont généralement opposées à celles permettant d'améliorer leur fonctionnement en tant qu'évaporateur. 30 Plus précisément, dans les condenseurs ou évaporateurs du type tubes intercalaires, il est connu de longue date qu'il est avantageux de faire circuler le fluide frigorigène en série dans des passes regroupant un nombre donné de tubes. Dans les condenseurs, il est également connu de longue date que faire décroître le nombre de tubes d'une passe à l'autre permet d'optimiser l'échange thermique tout en limitant les pertes de charge. L'homme du métier sait également qu'une telle répartition des tubes est par contre défavorable au fonctionnement des évaporateurs.
Une première solution pour éviter cette situation est d'inverser le sens de circulation du fluide dans l'échangeur mais une telle solution augmente la complexité de la boucle de climatisation.
Pour les échangeurs thermiques devant servir alternativement de condenseur et d'évaporateur, sans inversion du sens de circulation du fluide frigorigène dans l'échangeur, l'homme du métier est alors naturellement amené à proposer des échangeurs présentant une configuration la plus symétrique possible afin d'éviter de pénaliser un mode de fonctionnement par rapport à l'autre. Dans le cas d'échangeurs du type tubes intercalaires à plusieurs passes, ceci se traduit par l'utilisation de deux passes, présentant un nombre de tubes par passe identique ou à tout le moins restant proche d'une passe à l'autre. Cela étant, un problème particulièrement critique est le risque de givrage de l'échangeur en mode pompe à chaleur. L'apparition d'un tel phénomène tend à bloquer tout ou partie de l'échange thermique, du fait de l'augmentation de la perte de charge sur l'air. La dégradation de l'échange thermique due au givrage tend à baisser la température d'évaporation et la pression du fluide réfrigérant à l'intérieur de l'échangeur, ce qui augmente d'autant le risque de givrage de l'échangeur.
Un autre problème particulièrement critique a trait à la perte de charge interne à l'échangeur. En mode évaporateur, il est connu que la densité du fluide réfrigérant est plus faible qu'en mode condenseur ce qui a pour effet d'augmenter la perte de charge. Il paraît ainsi indispensable de chercher à réduire la perte de charge en fonctionnement évaporateur afin d'améliorer la performance thermique. Pour éviter un tel risque il a déjà été imaginé d'utiliser un nombre de tubes réduit dans la première passe, tout en plaçant cette première passe dans la partie basse de l'échangeur, l'échangeur étant positionné dans un plan sensiblement vertical et les tubes étant orientés sensiblement horizontalement. Des tests réalisés par le déposant viennent cependant de mettre en évidence qu'une partie des tubes d'un tel échangeur participent peu ou pas à l'échange. Il s'agit en particulier des tubes de la seconde passe se trouvant à proximité de la première passe. Il semble d'ailleurs que ce problème soit plus général et se rencontre également dans des échangeurs présentant un plus grand nombre de passes, une répartition différente des tubes par passe et/ou une orientation différente, notamment verticale, des tubes.
La présente invention vise à améliorer la situation et propose à cette fin un échangeur thermique, ledit échangeur comprenant un faisceau de tubes, permettant un échange de chaleur entre un fluide frigorigène circulant dans lesdits tubes et un flux d'air extérieur, et un premier collecteur, ledit échangeur étant configuré pour établir une circulation en série pour le fluide frigorigène entre une première partie desdits tubes, débouchant dans une première partie dudit premier collecteur, ledit premier collecteur et une seconde partie desdits tubes, débouchant dans une seconde partie dudit premier collecteur. Selon l'invention, ledit premier collecteur comprend une cloison configurée pour perturber la circulation du fluide entre les première et seconde parties desdits tubes. Le déposant a constaté que l'utilisation d'une telle cloison permet d'améliorer la distribution du fluide réfrigérant à l'intérieur des tubes du faisceau, ce qui a pour effet d'augmenter l'échange thermique tout en maîtrisant les pertes de charges, en particulier en mode de fonctionnement évaporateur. Bien qu'une telle cloison semble devoir accélérer le fluide frigorigène en diminuant sa section de passage et donc défavoriser l'alimentation les tubes se trouvant en aval, on constate au contraire une alimentation favorisée desdits tubes. Sans prétendre constituer une explication, un tel phénomène pourrait trouver son origine dans l'état diphasique du fluide frigorigène lors de son passage d'une passe à l'autre. Selon différents modes de réalisation, qui pourront être utilisés séparément ou en combinaison : - les tubes du faisceau sont répartis en une première et une seconde passe, correspondant respectivement à la première partie et à la seconde partie desdits tubes, - le faisceau est configuré pour que les passes soient orientées horizontalement lorsque l'échangeur est en utilisation, - la section de passage pour le fluide frigorigène dans la première passe représente 40 à 70%, notamment 50 à 70%, de la section de passage pour le fluide frigorigène du faisceau, - la section de passage pour le fluide frigorigène dans la première passe est strictement supérieure à 40%, notamment 50%, - la cloison se trouve à une distance d d'une zone de passage entre la première partie et la seconde partie dudit premier collecteur, et la cloison est positionnée au choix: - dans ladite première partie, la distance d étant inférieure à la moitié d'une longueur axiale de ladite première partie dudit premier collecteur, - dans ladite seconde partie, la distance d étant inférieure à la moitié de la longueur axiale de ladite seconde partie dudit premier collecteur, - la cloison se trouve au niveau de ladite zone de passage, - la cloison est configurée pour orienter préférentiellement le fluide frigorigène vers des tubes de la seconde partie de tubes se trouvant à proximité d'une cloison, dite de séparation, d'un second collecteur de l'échangeur dans lequel les tubes dudit faisceau débouchent, ladite cloison de séparation définissant ladite circulation en série, c'est-à-dire en plusieurs passes dans le faisceau, - lesdits tubes de la seconde partie de tubes se trouvant à proximité de ladite cloison de séparation se trouvent en regard d'un orifice de sortie du fluide frigorigène hors de l'échangeur, - la cloison de perturbation de la circulation du fluide frigorigène est un déflecteur orienté de façon à diriger le fluide frigorigène vers le faisceau, - la cloison de perturbation de la circulation du fluide frigorigène est disposée transversalement à un axe longitudinal du premier collecteur, - la cloison de perturbation de la circulation du fluide réfrigérant présente un ou plusieurs orifices de passage dudit fluide - les orifices de passage sont régulièrement répartis à la surface de la cloison de perturbation de la circulation du fluide frigorigène, - les orifices de passage sont répartis de façon à canaliser le fluide en direction des tubes de la seconde partie de tubes se trouvant à proximité de la cloison de séparation, - les orifices de passage sont plus nombreux et/ou de surface plus importante dans une moitié de la cloison de perturbation de la circulation du fluide frigorigène, se trouvant à proximité des tubes, - ledit échangeur est configuré pour être positionné en face avant de véhicule automobile, ledit véhicule étant, notamment, un véhicule électrique et/ou hybride. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 illustre en vue de face, de façon schématique, un exemple d'échangeur thermique conforme à l'invention, - la figure 2 illustre en perspective un premier exemple de réalisation d'une cloison de perturbation de la circulation du fluide frigorigène d'un échangeur conforme à l'invention, - les figures 3 à 9 illustrent en vue de face d'autres exemples de réalisation de ladite cloison, - la figure 10 illustre de façon schématique selon un plan de coupe axial, un exemple supplémentaire de réalisation de ladite cloison. Comme illustré à la figure 1, l'invention concerne un échangeur thermique 1 configuré pour fonctionner alternativement en mode évaporateur et en mode condenseur. Il s'agit en particulier d'un échangeur destiné à être utilisé dans une boucle de conditionnement d'air de l'habitacle d'un véhicule, notamment véhicule automobile, pouvant alternativement servir à réchauffer l'habitacle et à le climatiser. Ainsi, lorsqu'une demande de l'utilisateur correspondra à une demande de chauffage, la boucle fonctionnera en pompe à chaleur et l'échangeur servira d'évaporateur. Lorsque la demande de l'utilisateur correspondra à une demande de climatisation, la boucle fonctionnera en boucle de refroidissement et l'échangeur servira de condenseur. L'invention trouvera particulièrement ses applications dans les véhicules à motorisation électrique et/ou hybride, pour les raisons déjà développées plus haut.
Ledit échangeur comprend un faisceau de tubes 2, permettant un échange de chaleur entre un fluide frigorigène circulant dans lesdits tubes et un flux d'air extérieur. Il pourra pour cela être muni d'intercalaires 3, notamment d'intercalaires ondulés, situés entre les tubes 2 pour augmenter la surface d'échange entre les tubes et le flux d'air extérieur.
Ledit échangeur comprend ici un premier et second collecteurs 4, 5 dans lesquels les tubes débouchent par les extrémités opposées 2A desdits tubes 2. Lesdits tubes 2 sont, par exemple, parallèles les uns aux autres. Ils pourront être sensiblement de même longueur. Lesdits collecteurs 4, 5 sont ici parallèles et orientés sensiblement perpendiculairement aux tubes 2. De préférence, les tubes s'étendent de manière sensiblement parallèle à l'axe transversal du véhicule, les collecteurs s'étendant alors au droit des tubes.
La circulation du fluide frigorigène dans l'échangeur s'effectue en au moins deux passes. L'échangeur est ainsi configuré pour établir une circulation en série pour le fluide frigorigène en passant tout d'abord, selon une flèche repérée 6, dans une première partie 4 desdits tubes 2, débouchant dans une première partie 4a du premier collecteur 4, en passant ensuite, selon une flèche repérée 7, dans ledit premier collecteur 4 et en passant enfin, selon une flèche repérée 8, dans une seconde partie desdits tubes 2, débouchant dans une seconde partie 4b dudit premier collecteur 4. Le fluide réfrigérant circule dans l'échangeur du bas vers le haut, c'est-à-dire de la première passe disposée au dessous de la seconde passe selon un axe vertical du repère associé au véhicule.
Pour assurer la circulation en différentes passes, le premier collecteur 4 et/ou le second collecteur 5 sont munis de cloisons 9, dites de séparation, divisant lesdits collecteurs en différentes chambres 5a, 5b et forçant le fluide frigorigène à passer par les tubes 2 reliés à la chambre, dite amont, située d'un côté de l'une desdites cloisons de séparation, puis par le collecteur opposé et par les tubes reliés à la chambre, dite aval, se trouvant de l'autre côté de ladite cloison de séparation. Lesdites cloisons de séparation sont de préférence étanches. Les tubes 2 du faisceau sont ici répartis en une première passe et une seconde passe, correspondant respectivement à la première partie et à la seconde partie desdits tubes 2.
A la figure 1, lesdites passes sont séparées par un trait mixte. Dans un tel cas de figure, une unique cloison de séparation 9, située dans le second collecteur 5, au niveau de la séparation entre les passes, est utilisée. Elle est ici représentée en pointillés car elle se trouve à l'intérieur dudit second collecteur 5.
Ledit échangeur pourra en outre comprendre, par exemple, une entrée 10 et/ou une sortie 11 pour le fluide frigorigène, ici située sur le même collecteur, en l'occurrence le second collecteur 5.
Selon l'invention, ledit premier collecteur 4 comprend une cloison 12 configurée pour perturber la circulation du fluide entre la première partie et la seconde partie desdits tubes 2, à savoir, ici, la première passe et la seconde passe. Il a été constaté que ladite cloison 12 de perturbation de la circulation du fluide entre les deux passes permet de favoriser une meilleure répartition de l'écoulement du fluide frigorigène dans l'ensemble des tubes du faisceau, plus précisément lorsque cet écoulement s'opère du bas vers le haut. L'échange thermique est ainsi amélioré tout en maîtrisant les pertes de charge.
II est à noter que la ou les cloisons de perturbation de la circulation du fluide frigorigène sont de fonctions différentes de celles des cloisons de séparation. Les cloisons de séparation servent à définir une circulation en plusieurs passes dans le faisceau tandis que les cloisons de perturbation de la circulation du fluide frigorigène servent, ladite circulation en passe étant établie, à rendre turbulent l'écoulement du fluide lors de son passage d'une passe à l'autre. La ou les cloisons de perturbation de la circulation du fluide frigorigène se trouvant elles aussi à l'intérieur du ou des collecteurs, celle illustrée à la figure 1 est représentée en pointillés. Le fluide frigorigène dans la première passe représente, par exemple, 50 à 70% de la section de passage pour le fluide frigorigène du faisceau. Selon une première variante, la section de passage pour le fluide frigorigène est identique dans chaque passe. Autrement dit, si les tubes 2 du faisceau sont tous identiques, chaque passe présente le même nombre de tubes 2.
Cela étant, selon une autre variante, il a été constaté que l'on obtenait des résultats supérieurs en employant une section de passage pour le fluide frigorigène dans la première passe strictement supérieure à 50%, notamment de l'ordre de 60%. Grâce à ladite cloison de perturbation de l'écoulement du fluide, bien que l'on favorise alors le fonctionnement sous forme de condenseur, le fonctionnement sous forme d'évaporateur demeure satisfaisant. Autrement dit, selon cette autre variante, si les tubes 2 du faisceau sont tous identiques, la première passe comprend 50 à 70% des tubes, notamment 60% des tubes 2. Ladite cloison de perturbation 12 se trouve ici au niveau d'une zone de passage 13 entre la première 4a et la seconde partie 4b du premier collecteur 4. Cela étant, en variante, elle pourra être légèrement à distance. Plus précisément, elle pourra se trouver à une distance d de ladite zone de passage 13 en étant positionnée soit dans ladite première partie 4a, la distance d étant alors inférieure à la moitié d'une longueur axiale de ladite première partie 4a du premier collecteur 4, soit dans ladite seconde partie 4b, la distance d étant alors inférieure à la moitié de la longueur axiale de ladite seconde partie 4b du premier collecteur 4. La cloison 12 de perturbation de la circulation du fluide frigorigène pourra être configurée pour orienter préférentiellement le fluide frigorigène vers des tubes 2 de la seconde partie de tubes se trouvant à proximité de la cloison 9 de séparation se trouvant dans le second collecteur 5. On pourra constater que lesdits tubes 2 en cause sont ici en regard de la sortie 11 pour le fluide frigorigène, et disposés au dessus de la cloison 12 de perturbation. Selon un premier exemple de réalisation, la cloison 12 de perturbation de la circulation du fluide frigorigène est disposée, par exemple, transversalement, notamment perpendiculairement, à un axe longitudinal du premier collecteur et présente un ou plusieurs orifices de passage du fluide frigorigène. On entend par là que ladite cloison 12 de perturbation de la circulation du fluide frigorigène présente une périphérie venant en contact avec le premier collecteur 4 en épousant le contour intérieur de ce dernier. Lesdits orifices de passage sont, notamment, de section ronde ou rectangulaire. Ils sont débouchant et laissent passer ledit fluide frigorigène de ladite première 4a à ladite seconde 4b partie du premier collecteur 4. Les cloisons illustrées aux figures 2 à 9 correspondent à tel exemple de réalisation.
Selon les variantes des figures 2, 4 et 5, les orifices de passage 14 sont régulièrement répartis à la surface de la cloison. Selon la variante de la figure 3, il est prévu un orifice de passage 14 unique, notamment au centre de la cloison.35 Selon les variantes des figures 6 à 9, les orifices de passage 14 sont répartis de façon à canaliser le fluide frigorigène en direction des tubes de la seconde partie de tubes 2 se trouvant à proximité de la cloison de séparation 9 du second collecteur 5. Lesdits orifices de passage 14 sont ainsi plus nombreux et/ou de surface plus importante dans une moitié de la cloison se trouvant à proximité des tubes 2. Selon la variante de la figure 6, les orifices de passage 14 sont répartis en rangs parallèles, présentant chacun un même nombre d'orifices la section des orifices de passage étant croissante d'un rang à l'autre.
Selon la variante de la figure 7, les orifices de passage 14 sont de même section et répartis en rangs parallèles présentant un nombre croissant d'orifices. Selon la variante de la figure 8, les orifices de passage 14 s'étendent le long d'une même direction transversale et présentent la même dimension selon ladite direction transversale tandis que leur dimension selon la direction perpendiculaire à ladite direction transversale va croissant d'un orifice de passage 14 à l'autre. Selon la variante de la figure 9, les orifices de passage 14 s'étendent le long d'une même direction transversale et présentent une dimension croissante selon cette direction d'un orifice de passage 14 à l'autre, leur dimension selon la direction perpendiculaire à ladite direction transversale restant constante. En variante supplémentaire, non-illustrée, la cloison 12 de perturbation de la circulation du 25 fluide frigorigène pourra être constituée d'un élément du type filtre disposé transversalement dans le premier collecteur 4. Selon l'exemple de réalisation de la figure 10, la cloison 12 de perturbation de la circulation du fluide frigorigène est un déflecteur 15 orienté de façon à diriger le fluide 30 frigorigène vers le faisceau. Ledit déflecteur 15 s'étend sur une portion seulement du premier collecteur 4 et présente un bord libre 16 tourné vers la seconde partie 4b dudit collecteur 4. Ledit échangeur est, par exemple, en aluminium ou en alliage d'aluminium. Il est réalisé, 35 par exemple, par brasage. Les tubes 2 pourront être du type plat et/ou présenter plusieurs canaux de circulation pour le fluide frigorigène. Il s'agit, par exemple, de tubes extrudés ou de tubes munis d'un perturbateur interne définissant lesdits canaux. Les collecteurs 4, 5 sont, notamment, de section sensiblement rectangulaire. Ils pourront être formés d'une plaque collectrice, dans lequel lesdits tubes 2 sont introduits par des orifices correspondant, et d'un couvercle fermant, en combinaison avec deux cloisons d'extrémité, lesdits collecteurs. Ledit échangeur est en particulier configuré pour être positionné en face avant de véhicule automobile, selon une orientation sensiblement verticale, la circulation du fluide frigorigène ayant lieu, du bas vers le haut. Autrement dit, la première passe est, par exemple, la passe inférieure.

Claims (15)

  1. REVENDICATIONS1. Echangeur thermique, ledit échangeur comprenant un faisceau de tubes (2), permettant un échange de chaleur entre un fluide frigorigène circulant dans lesdits tubes (2) et un flux d'air extérieur, et un premier collecteur (4), ledit échangeur étant configuré pour établir une circulation en série pour le fluide frigorigène entre une première partie desdits tubes (2), débouchant dans une première partie (4a) dudit premier collecteur, ledit premier collecteur (4) et une seconde partie desdits tubes (2), débouchant dans une seconde partie (4b) dudit premier collecteur (4), ledit premier collecteur (4) comprenant une cloison (12) configurée pour perturber la circulation du fluide entre la première et la seconde partie desdits tubes (2).
  2. 2. Echangeur selon la revendication 1 dans lequel les tubes (2) du faisceau sont répartis en une première passe et une seconde passe, correspondant respectivement à la première partie et à la seconde partie desdits tubes (2).
  3. 3. Echangeur selon la revendication 2 dans lequel la section de passage pour le fluide frigorigène dans la première passe représente 40 à 70% de la section de passage pour le fluide frigorigène du faisceau.
  4. 4. Echangeur selon la revendication 2 dans lequel la section de passage pour le fluide frigorigène dans la première passe est strictement supérieure à 40%.
  5. 5. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel la cloison (12) se trouve à une distance d d'une zone de passage entre la première partie et la seconde partie dudit premier collecteur (4), et la cloison (12) est positionnée au choix: - dans ladite première partie (4a), la distance d étant inférieure à la moitié d'une longueur axiale de ladite première partie (4a) dudit premier collecteur (4), - dans ladite seconde partie (4b), la distance d étant inférieure à la moitié de la longueur axiale de ladite seconde partie (4b) dudit premier collecteur (4).
  6. 6. Echangeur selon la revendication 5 dans lequel la cloison (12) se trouve au niveau de ladite zone de passage.
  7. 7. Echangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la cloison (12) est configurée pour orienter préférentiellement le fluide frigorigène vers des tubes de la seconde partie de tubes (2) se trouvant à proximité d'une cloison (9), dite de séparation, d'un second collecteur (5) de l'échangeur dans lequel les tubes (2) dudit faisceau débouchent, ladite cloison de séparation (9) définissant ladite circulation en série.
  8. 8. Echangeur selon la revendication 7 dans lequel lesdits tubes de la seconde partie de tubes (2) se trouvant à proximité de ladite cloison de séparation (9) se trouvent en regard d'un orifice de sortie (11) du fluide frigorigène hors de l'échangeur.
  9. 9. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la cloison (12) de perturbation de la circulation du fluide réfrigérant présente un ou plusieurs orifices (14) de passage dudit fluide.
  10. 10. Echangeur selon la revendication 9 dans lequel les orifices de passage (14) de fluide réfrigérant sont régulièrement répartis à la surface de la cloison (12) de perturbation de la circulation du fluide frigorigène.
  11. 11. Echangeur selon la revendication 9 dans lequel les orifices de passage (14) sont répartis de façon à canaliser le fluide en direction des tubes de la seconde partie de tubes (2) se trouvant à proximité de la cloison de séparation (9).
  12. 12. Echangeur selon la revendication 9 ou 11 dans lequel les orifices de passage (14) sont plus nombreux et/ou de surface plus importante dans une moitié de la cloison (12) de perturbation de la circulation du fluide frigorigène, se trouvant à proximité des tubes (2).
  13. 13. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 dans lequel la cloison (12) de perturbation de la circulation du fluide frigorigène est disposée transversalement à un axe longitudinale du premier collecteur.
  14. 14. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 dans lequel la cloison (12) de perturbation de la circulation du fluide frigorigène est un déflecteur (15) orienté de façon à diriger le fluide frigorigène vers le faisceau.35
  15. 15. Echangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel ledit échangeur est configuré pour être positionné en face avant de véhicule automobile.
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