FR3042262A1 - Echangeur thermique comprenant au moins un tube de liaison - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un échangeur thermique (1) comprenant un faisceau de tubes (2) permettant un échange de chaleur entre un fluide circulant dans les tubes (2) et un corps, et un collecteur (4), l'échangeur thermique (1) étant configuré pour établir une circulation en série du fluide entre une première passe (6) de l'échangeur thermique (1) et une seconde passe (7) de l'échangeur thermique (1), la première passe (6) correspondant à une première partie des tubes (2) du faisceau de tubes, débouchant dans une première partie (4a) du collecteur (4), la seconde passe (7) correspondant à une seconde partie des tubes (2) du faisceau de tubes, débouchant dans une seconde partie (4b) du collecteur (4), l'échangeur thermique (1) comprenant un tube de liaison (8) extérieur au collecteur (4), le tube de liaison (8) étant connecté entre la première partie (4a) et la seconde partie (4b) du collecteur (4) pour permettre une circulation du fluide entre la première passe (6) et la seconde passe (7).
Description
ECHANGEUR THERMIQUE COMPRENANT AU MOINS UN TUBE DE
LIAISON L'invention concerne un échangeur thermique, notamment pour véhicule automobile, en particulier pour un véhicule électrique et/ou hybride, comprenant un faisceau de tubes permettant un échange de chaleur entre un fluide circulant dans les tubes et un corps (liquide ou solide), et un collecteur, l’échangeur thermique étant configuré pour établir une circulation en série du fluide entre une première passe de l’échangeur thermique et une seconde passe de l’échangeur thermique, la première passe correspondant à une première partie des tubes du faisceau de tubes, débouchant dans une première partie du premier collecteur, la seconde passe correspondant à une seconde partie des tubes du faisceau de tubes, débouchant dans une seconde partie du premier collecteur. Généralement, un tel échangeur thermique travaille en tant qu’évaporateur ou en tant que condenseur pour une boucle thermodynamique du véhicule automobile.
Cette boucle thermodynamique fonctionne à partir d’un flux d’air extérieur soit en mode climatisation pour refroidir en mode climatisation pour refroidir l’habitacle et/ou les batteries du véhicule, l’habitacle du véhicule automobile, soit, particulièrement pour un véhicule automobile électrique ou hybride, aussi en mode pompe à chaleur, afin dans ce cas d’introduire de l’air chaud dans l’habitacle.
Toutefois, lorsque l’échangeur thermique fonctionne en tant qu’évaporateur, il existe un risque que le fluide ne circule pas correctement dans certains tubes, qui ne participent donc pas ou peu à l’échange thermique. Cela réduit les possibilités d’échange avec le flux d’air extérieur ou avec la batterie avec laquelle il est en contact, et abaisse l’efficacité de l’échangeur thermique.
Afin de résoudre cet inconvénient, le document WO 13149879A1 décrit un échangeur thermique comprenant une grille de distribution perforée, ou tamis, dans le collecteur, ce qui permet de perturber la circulation du fluide.
Ceci a pour effet d’améliorer l’homogénéité de la distribution du fluide dans les tubes de chaque passe.
Toutefois, l’utilisation d’une telle grille tend à augmenter les pertes de charge dans l’échangeur thermique, diminuant significativement la performance thermique de la boucle thermodynamique. En outre, il se révèle difficile d’optimiser l’emplacement de la grille ainsi que ses dimensions pour obtenir la meilleure efficacité possible.
Le but de l’invention est de remédier au moins partiellement à ces inconvénients. A cet effet, la présente invention a pour objet un échangeur thermique comprenant : - un faisceau de tubes permettant un échange de chaleur entre un fluide circulant dans les tubes et un corps, et - un premier collecteur, l’échangeur thermique étant configuré pour établir une circulation en série du fluide entre une première passe de l’échangeur thermique et une seconde passe de l’échangeur thermique, la première passe correspondant à une première partie des tubes du faisceau de tubes, débouchant dans une première partie du collecteur, la seconde passe correspondant à une seconde partie des tubes du faisceau de tubes, débouchant dans une seconde partie du collecteur, et caractérisé en ce que l’échangeur thermique comprend un tube de liaison extérieur au premier collecteur, le tube de liaison étant connecté entre la première partie et la seconde partie du premier collecteur pour permettre la circulation du fluide entre la première et la seconde passe.
Grâce au tube de liaison extérieur, l’homogénéité de la distribution du fluide à l'intérieur des tubes du faisceau se trouve améliorée, ce qui a pour effet d'augmenter l'échange thermique entre le fluide et le corps (le corps pouvant être un liquide ou un solide), tout en maîtrisant les pertes de charges, en particulier en mode évaporateur. En outre, étant donné que le tube de liaison est situé à l’extérieur du collecteur, il peut facilement être installé sur le collecteur sans nécessiter d’autres modifications substantielles de l’échangeur thermique.
Selon différents modes de réalisation, qui pourront être utilisés séparément ou en combinaison : - le collecteur comprend une cloison entre la première partie et la seconde partie du collecteur, la cloison étant configurée pour permettre la circulation de la totalité du fluide par le tube de liaison entre la première passe et la seconde passe ; - les tubes du faisceau de tubes s’étendent parallèlement les uns aux autres selon un plan principal, dit d’empilement, le tube de liaison étant connecté à la première partie et à la seconde partie du collecteur selon une direction formant un angle avec le plan d’empilement compris entre -90° et 90° ; - le tube de liaison est connecté à la première partie et à la seconde partie du collecteur transversalement au plan d’empilement ; - le tube de liaison est connecté à la première partie et à la seconde partie du collecteur parallèlement au plan d’empilement ; - le tube de liaison est connecté de façon rigide respectivement à la première partie et la seconde partie du collecteur par brasage ou par soudage ; - l’échangeur thermique comprend des éléments de support fixés respectivement à la première partie et à la seconde partie du collecteur, les éléments de support étant configurés pour maintenir le tube de liaison connecté à la première partie et à la seconde partie du collecteur ; - une section de passage du fluide dans le tube de liaison est comprise entre 60% et 100% d’une section de passage du fluide dans la première partie et/ou la seconde partie du collecteur ; et - l’échangeur thermique est un évapo-condenseur. 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, dans lesquels : - la figure 1 représente une vue de dessus d’un échangeur thermique selon l’invention ; - la figure 2 représente une vue de dessus d’une autre réalisation d’un échangeur thermique selon l’invention ; - la figure 3 représente schématiquement une vue de dessus partielle d’un mode de fixation d’un tube de liaison à un collecteur d’un échangeur thermique selon l’invention ; et - la figure 4 représente une vue partielle en perspective d’une connexion d’un tube de liaison à un collecteur d’un échangeur thermique selon l’invention.
Comme illustrée sur la figure 1, l’invention concerne un échangeur thermique 1. L’échangeur thermique 1 est par exemple en métal, par exemple en aluminium ou en alliage d’aluminium. Il est réalisé par brasage. L’échangeur thermique 1 est avantageusement configuré pour fonctionner alternativement en mode évaporateur ou en mode condenseur.
En particulier, l’échangeur thermique 1 est destiné à être utilisé dans une boucle thermodynamique d’un véhicule, pouvant servir alternativement soit à réchauffer l’habitacle, soit à refroidir l’habitacle et/ou les batteries du véhicule. Afin de réchauffer l’habitacle, l’échangeur thermique 1 est dans une boucle thermodynamique qui fonctionne en pompe à chaleur. Afin de refroidir l’habitacle et/ou les batteries, l’échangeur thermique 1 est dans une boucle thermodynamique qui fonctionne en boucle de climatisation. L’échangeur thermique 1 peut par exemple être un évaporateur lorsque la boucle thermodynamique fonctionne en pompe à chaleur, et un condenseur lorsque la boucle thermodynamique fonctionne en boucle de climatisation, ou inversement. L’invention trouve une application particulière dans les véhicules à motorisation électrique et/ou hybride. L’échangeur thermique 1 comprend un faisceau de tubes 2, permettant un échange de chaleur entre un fluide circulant dans les tubes 2 et un corps (liquide ou solide) extérieur aux tubes 2.
Le fluide peut plus particulièrement être un fluide réfrigérant ou frigorigène. Le corps peut plus particulièrement être un flux d’air extérieur, notamment lorsqu’il s’agit de refroidir ou de réchauffer l’habitacle du véhicule. Le corps peut être également un solide ou un liquide, notamment pour refroidir les batteries du véhicule.
Selon la réalisation de la figure 1, le faisceau de tubes 2 est situé à l’intérieur de plaques pour augmenter la surface d’échange entre les tubes 2 et le corps.
En variante, selon la réalisation de la figure 2, le faisceau de tubes 2 est muni d’intercalaires 3, notamment ondulés, situés entre les tubes 2.
Les tubes 2 peuvent être de type plat, à section circulaire ou de toute autre forme, permettant la circulation du fluide. L’échangeur thermique 1 comprend un collecteur 4. Comme représenté sur la figure 1, l’échangeur thermique 1 comprend plus précisément un premier collecteur 4 et un second collecteur 5. Les collecteurs 4, 5 sont notamment de section sensiblement rectangulaire ou cylindrique.
Les tubes 2 débouchent dans le premier collecteur 4 et le deuxième collecteur 5 par des extrémités opposées 2a, 2b. Chaque tube 2 est en communication fluidique avec le premier collecteur 4 et le second collecteur 5 au niveau de chacune de ses extrémités 2a, 2b.
Les tubes 2 s’étendent de façon rectiligne entre leurs extrémités 2a, 2b. Les tubes 2 s’étendent parallèlement les uns aux autres selon un plan principal, dit d’empilement P1. Ils peuvent être sensiblement de même longueur.
Le premier collecteur 4 et le deuxième collecteur 5 sont parallèles et orientés sensiblement perpendiculairement aux tubes 2 dans le plan d’empilement P1. L’échangeur thermique 1 peut en outre comprendre une entrée 12 et/ou une sortie du fluide 13, représentées selon la réalisation de la figure 1 respectivement sur le second collecteur 5 et le premier collecteur 4.
La circulation du fluide dans l’échangeur thermique 1 s’effectue entre au moins une première passe 6 et une seconde passe 7. La première passe correspond à une première partie des tubes 2 du faisceau de tubes débouchant dans une première partie 4a du premier collecteur 4. La seconde passe 7 correspond à une seconde partie des tubes 2 du faisceau de tubes débouchant dans une seconde partie 4b du premier collecteur 4.
La première passe 6 et la seconde passe 7 comprennent chacune une pluralité de tubes 2 du faisceau de tubes. La première passe 6 et la seconde passe 7 peuvent en particulier comprendre chacune deux tubes 2 ou plus de deux tubes 2.
La première passe 6 et la seconde passe 7 sont consécutives l’une de l’autre, c’est-à-dire que la première passe 6 et la seconde passe 7 sont accolées l’une à l’autre, et ne sont pas séparées fluidiquement par une autre passe, ou par des tubes directement interposés entre elles. En particulier, la première passe 6 et la seconde passe 7 sont situées de chaque côté, à équidistance d’un plan secondaire, dit de séparation P2. Le plan de séparation P2 est transversal au plan d’empilement P1.
Pour assurer la circulation du fluide entre les différentes passes 6, 7, l’échangeur thermique 1 comprend un tube de liaison 8.
Le tube de liaison 8 est extérieur au premier collecteur 4.
Le tube de liaison 8 peut par exemple avoir une section circulaire ou toute autre forme de section. La section de passage du fluide dans le tube de liaison 8 est préférentiellement comprise entre 60% et 100% de la section de passage du fluide dans la première partie 4a et/ou la seconde partie 4b du collecteur 4.
Le tube de liaison 8 s’étend entre deux parties d’extrémité 8a, 8b.
Selon la réalisation de la figure 1, le tube de liaison 8 a une forme arrondie en arc de cercle.
En variante, selon la réalisation des figures 2, 3 et 4, le tube de liaison 8 a une forme générale en U, les deux parties d’extrémité 8a, 8b du tube de liaison 8 étant parallèles l’une de l’autre et prolongées entre elles par une portion de liaison 8c agencée transversalement.
Les parties d’extrémité 8a, 8b du tube de liaison 8 sont respectivement connectées à la première partie 4a et à la seconde partie 4b du premier collecteur 4, par exemple par brasage ou par soudage.
Selon la réalisation de la figure 3, l’échangeur thermique 1 peut en outre comprendre des éléments de support 14 configurés pour maintenir les parties d’extrémités 8a, 8b du tube de liaison 8 à la première partie 4a et à la seconde partie 4a du premier collecteur 4.
Comme visible sur les figures, le tube de liaison 8 est connecté dans une zone centrale Z1 de la première partie 4a et/ou dans une zone centrale Z2 de la seconde partie 4b du premier collecteur 4. En particulier, selon la réalisation des figures 1 et 4 dans lesquelles les première et seconde passes 6, 7 comprennent chacune deux tubes 2, les parties d’extrémité 8a du tube de liaison 8 sont connectés à la première partie 4a et à la seconde partie 4b du premier collecteur 4 à équidistance des extrémités 2a des tubes 2.
Le tube de liaison 8 forme un angle avec le plan d’empilement P1 compris entre -90 degrés et 90 degrés.
Selon la réalisation de la figure 3, les parties d’extrémité 8a, 8b du tube de liaison 8 sont connectées à la première partie 4a et à la seconde partie 4b du premier collecteur 4 parallèlement au plan d’empilement P1.
En variante, selon la réalisation de la figure 4, les parties d’extrémité 8a, 8b du tube de liaison 8 sont connectées à la première partie 4a et à la seconde partie 4b du premier collecteur 4 transversalement au plan d’empilement P1, c’est-à-dire en formant un angle a avec le plan d’empilement P1 égal à -90 degrés ou 90 degrés.
Le collecteur 4 comprend une cloison 9 située entre la première partie 4a et la seconde partie 4b du premier collecteur 4. La cloison 9 est configurée pour permettre la circulation de la totalité du fluide par le tube de liaison 8 entre la première passe 6 et la seconde passe 7. Autrement dit, la cloison 9 obture complètement le premier collecteur 4 entre la première partie 4a et la deuxième partie 4b du premier collecteur 4. L’échangeur thermique 1 est configuré pour établir une circulation en série du fluide en passant tout d’abord dans la première passe 6, (dans une sens représenté par la flèche 10), débouchant dans la première partie 4a du premier collecteur 4, en passant ensuite dans le tube de liaison 8 (dans une sens représenté par la flèche 16), en passant dans la seconde partie 4b du premier collecteur 4, puis enfin dans la seconde passe 7 (dans un sens représenté par la flèche 11). La totalité du fluide passant par la première passe 6 circule ensuite par la seconde passe 7. Comme représenté sur les figures, les sens de circulation 10, 11 respectivement dans la première passe 6 et la deuxième passe 7 sont opposés l’un à l’autre.
On décrit ci-après les avantages d’un échangeur thermique 1 comprenant un tube de liaison 8 selon l’invention.
Il a été constaté que le passage du fluide par le tube de liaison 8 permet de favoriser une meilleure répartition de l’écoulement du fluide dans l’ensemble des tubes 2 de la seconde passe 7.
En particulier, le tube de liaison 8 permet d’orienter le fluide vers les tubes 2 de la seconde passe 7 se trouvant à proximité de la première passe 6, ou encore les plus proches du plan de séparation P2.
Des expériences réalisées sur un échangeur thermique 1 initialement à une température de 40 degrés Celsius, montrent que l’utilisation d’un tube de liaison 8 selon l’invention permet d’obtenir des températures sensiblement homogènes dans tous les tubes 2 de la seconde passe 7. En particulier, la différence de température entre deux tubes 2 de la seconde passe 7 est alors inférieure à 1,5 degré Celsius, alors que cette différence de température atteint jusqu’à 7 degrés Celsius en l’absence de tube de liaison 8 selon l’invention, et lorsque le fluide circule directement par le premier collecteur 4 entre les deux passes 6, 7. L’efficacité thermique de l’échangeur thermique 1 est améliorée tout en maîtrisant les pertes de charge.
Comme représenté sur la figure 1, l’échangeur thermique 1 peut comprendre plus de deux passes en série les unes avec les autres. L’échangeur thermique 1 peut par exemple comprendre une troisième passe 15, voire davantage de passes en série. Comme cela a été précédemment décrit ci-dessus, un tube de liaison 8 permet également de connecter la deuxième passe 7 à la troisième passe 15 (le second collecteur 5 faisant alors office de premier collecteur selon la description ci-dessus), et ainsi de suite.
Bien évidemment, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment et fournis uniquement à titre d'exemple. Elle englobe diverses modifications, formes alternatives et autres variantes que pourra envisager l'homme du métier dans le cadre de la présente invention et notamment toutes combinaisons des différents modes de fonctionnement décrits précédemment, pouvant être pris séparément ou en association.
Claims (8)
- REVENDICATIONS1. Echangeur thermique (1 ) comprenant : - un faisceau de tubes (2) permettant un échange de chaleur entre un fluide circulant dans les tubes (2) et un corps, et - un collecteur (4), l’échangeur thermique (1) étant configuré pour établir une circulation en série du fluide entre une première passe (6) de l’échangeur thermique (1) et une seconde passe (7) de l’échangeur thermique (1), la première passe (6) correspondant à une première partie des tubes (2) du faisceau de tubes, débouchant dans une première partie (4a) du collecteur (4), la seconde passe (7) correspondant à une seconde partie des tubes (2) du faisceau de tubes, débouchant dans une seconde partie (4b) du collecteur (4), caractérisé en ce que l’échangeur thermique (1) comprend un tube de liaison (8) extérieur au collecteur (4), le tube de liaison (8) étant connecté entre la première partie (4a) et la seconde partie (4b) du collecteur (4) pour permettre une circulation du fluide entre la première passe (6) et la seconde passe (7).
- 2. Echangeur (1) selon la revendication 1, dans lequel le collecteur (4) comprend une cloison (9) entre la première partie (4a) et la seconde partie (4b) du collecteur (4), la cloison (9) étant configurée pour permettre la circulation de la totalité du fluide par le tube de liaison (8) entre la première passe (6) et la seconde passe (7).
- 3. Echangeur (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les tubes (2) du faisceau de tubes s’étendent parallèlement les uns aux autres selon un plan principal, dit d’empilement (P1), le tube de liaison (8) étant connecté à la première partie (4a) et à la seconde partie (4b) du collecteur (4) selon une direction formant un angle (a) avec le plan d’empilement (P1) compris entre -90° et 90 degrés.
- 4. Echangeur (1) selon la revendication 3, dans lequel le tube de liaison (8) est connecté à la première partie (4a) et à la seconde partie (4b) du collecteur (4) transversalement au plan d’empilement (P1).
- 5. Echangeur (1) selon la revendication 3, dans lequel le tube de liaison (8) est connecté à la première partie (4a) et à la seconde partie (4b) du collecteur (4) parallèlement au plan d’empilement (P1).
- 6. Echangeur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le tube de liaison (8) est connecté de façon rigide respectivement à la première partie (4a) et la seconde partie (4b) du collecteur (4) par brasage ou par soudage.
- 7. Echangeur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant des éléments de support (14) fixés respectivement à la première partie (4a) et à la seconde partie (4b) du collecteur (4), les éléments de support (14) étant configurés pour maintenir le tube de liaison (8) connecté à la première partie (4a) et à la seconde partie (4b) du collecteur (4).
- 8. Echangeur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une section de passage du fluide dans le tube de liaison (8) est comprise entre 60% et 100% d’une section de passage du fluide dans la première partie (4a) et/ou la seconde partie (4b) du collecteur (4).
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04268128A (ja) * | 1991-02-20 | 1992-09-24 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 熱交換器 |
| DE19957945A1 (de) * | 1999-12-02 | 2001-06-07 | Behr Gmbh & Co | Kondensator mit Unterkühlstrecke |
| DE10322165A1 (de) * | 2003-05-16 | 2004-12-09 | Valeo Klimasysteme Gmbh | Kältemittel-Kühlwärmetauscher |
-
2015
- 2015-10-13 FR FR1559700A patent/FR3042262B1/fr not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04268128A (ja) * | 1991-02-20 | 1992-09-24 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 熱交換器 |
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| FR3042262B1 (fr) | 2019-04-19 |
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