FR3061953B1 - Echangeur thermique et tube associe - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un échangeur thermique (1) à assemblage mécanique, comprenant une pluralité d'éléments d'échange thermique (5), et une pluralité de tubes (3) assemblés mécaniquement aux éléments d'échange thermique (5), les tubes (3) comprenant respectivement une enveloppe externe (30) délimitant un canal pour la circulation d'un premier fluide, et ledit échangeur (1) étant configuré pour la circulation d'un deuxième fluide autour des tubes (3) et entre les éléments d'échange thermique (5) selon une direction générale d'écoulement (E). Selon l'invention, les enveloppes externes (30) des tubes (3) présentent respectivement en section transversale une forme profilée comprenant : - à une extrémité un bord d'attaque (31) configuré pour faire face au deuxième fluide, - à l'autre extrémité un bord de fuite (33) configuré pour être en aval du bord d'attaque (31) selon la direction générale d'écoulement (E) du deuxième fluide, et - une surface d'extrados (35) sensiblement courbée et une surface d'intrados (37), jointes par le bord d'attaque (31) et le bord de fuite (33). L'invention concerne également un tube (3) pour un tel échangeur thermique (1).

Description

Échangeur thermique et tube associé L’invention se rapporte au domaine des échangeurs thermiques, notamment pour véhicules automobiles. L’invention concerne en particulier un tube pour un tel échangeur thermique. L’invention concerne plus précisément un échangeur thermique dit mécanique. Dans ce cas, les éléments de l’échangeur thermique sont assemblés de façon mécanique, à savoir à température ambiante, par exemple par sertissage, et sans brasure, c’est-à-dire sans apport de matière. L’assemblage mécanique ne comporte pas d’étape de brasage des éléments formant l’échangeur thermique.

Un tel échangeur mécanique comprend des tubes, dans lesquels un fluide caloporteur est destiné à circuler, et des éléments d’échange thermique tels que des ailettes reliées à ces tubes. En particulier, les ailettes sont perforées de manière à pouvoir être traversées par les tubes, et les tubes sont assemblés mécaniquement aux ailettes superposées par expansion des tubes.

Cependant, dans un échangeur thermique de type mécanique, on observe dans certains cas des défauts de contact entre les tubes et les ailettes, notamment au niveau des bords ou collets bordant les trous de passage des tubes.

En effet, lors de l’expansion des tubes, ces derniers en se déformant tendent à élargir les bords délimitant les trous de passage des tubes dans les ailettes. Or, l’expansion des tubes est suivie d’un léger retour élastique des tubes en sens inverse de l’expansion. H en résulte que la liaison n’est pas continue entre les tubes et les collets des ailettes après expansion. La liaison se fait de manière ponctuelle en fonction de la géométrie des tubes et des paramètres d’expansion. Autrement dit, des interstices peuvent être présents entre les tubes et les bords des trous ménagés sur les ailettes, formant des passages d’air réduisant les performances de l’échangeur thermique.

Afin d’augmenter le contact entre les tubes et les ailettes, il est connu de disposer des rondelles en matériau à mémoire de forme à l’extérieur des collets des ailettes de façon à les pousser contre les tubes.

Selon une autre solution connue, il a été proposé d’utiliser des tubes en matériau à mémoire de forme dont le diamètre augmente fortement à haute température, pour améliorer le contact avec les ailettes.

Cependant les solutions proposées sont relativement complexes à mettre en œuvre et coûteuses, notamment en termes de matériaux. L’invention a donc pour objectif de pallier au moins partiellement ces problèmes de l’art antérieur en proposant un échangeur thermique pour lequel le contact thermique est amélioré entre le tube et les ailettes à l’état assemblé et en fonctionnement de l’échangeur thermique. A cet effet l’invention a pour objet un échangeur thermique à assemblage mécanique, notamment pour véhicule automobile, ledit échangeur comprenant une pluralité d’éléments d’échange thermique et une pluralité de tubes assemblés mécaniquement aux éléments d’échange thermique, les tubes comprenant respectivement une enveloppe externe délimitant un canal pour la circulation d’un premier fluide, et ledit échangeur étant configuré pour la circulation d’un deuxième fluide autour des tubes et entre les éléments d’échange thermique selon une direction générale d’écoulement.

Selon l’invention, les enveloppes externes des tubes présentent respectivement en section transversale une forme profilée comprenant : à une extrémité un bord d’attaque configuré pour faire face au deuxième fluide, à l’autre extrémité un bord de fuite configuré pour être en aval du bord d’attaque selon la direction générale d’écoulement du deuxième fluide, et une surface d’extrados sensiblement courbée et une surface d’intrados, jointes par le bord d’attaque et le bord de fuite.

La forme profilée des enveloppes externes des tubes permet de créer un effet de portance lors de l’écoulement du deuxième fluide de façon à déplacer les tubes contre les éléments d’échange thermique. On utilise ainsi le déplacement du deuxième fluide tel qu’un flux d’air à travers l’échangeur thermique pour maintenir les tubes en pression contre les éléments d’échange thermique et ainsi améliorer l’efficacité de l’échangeur thermique.

Ledit échangeur peut en outre comporter une ou plusieurs caractéristiques suivantes, prises séparément ou en combinaison : les éléments d’échange thermique sont réalisés sous forme d’ailettes, le bord d’attaque est une surface sensiblement arrondie et le bord de fuite est une surface sensiblement en forme de coin, la forme profilée est asymétrique par rapport à une ligne de corde joignant le bord d’attaque et le bord de fuite, la forme profilée est symétrique par rapport à une ligne de corde joignant le bord d’attaque et le bord de fuite, les tubes sont respectivement agencés de sorte que la ligne de corde joignant le bord d’attaque et le bord de fuite est configurée pour être inclinée par rapport à la direction générale d’écoulement du deuxième fluide, la surface d’extrados de chaque tube est convexe avec sa convexité orientée vers l’extérieur du tube, la surface d’intrados de chaque tube est concave avec sa concavité orientée vers l’intérieur du tube, l’échangeur thermique comprend au moins une rangée d’une pluralité de tubes parallèles, l’échangeur thermique comporte au moins une plaque de maintien des éléments d’échange thermique, les tubes sont agencés de sorte que la convexité de la surface d’extrados de chaque tube est orientée vers ladite au moins une plaque de maintien, l’échangeur thermique comprend au moins deux rangées de tubes, dans chaque rangée les tubes étant disposés parallèles les uns aux autres, et les tubes dans deux rangées adjacentes étant orientés dans des directions opposées, l’échangeur thermique comprend au moins une rangée de tubes, ladite rangée comprenant au moins deux groupes de tubes, dans chaque groupe les tubes étant disposés parallèles les uns aux autres, et les tubes dans deux groupes successifs étant orientés dans des directions opposées, l’échangeur thermique comprend au moins une rangée de tubes agencés en opposition deux à deux, l’échangeur thermique comprend au moins une première et une deuxième rangées de tubes adjacentes, telles que les tubes de la deuxième rangée sont agencés dans le prolongement des tubes de la première rangée, les tubes comprennent respectivement une unique enveloppe externe délimitant le canal pour la circulation du premier fluide, les tubes sont respectivement dépourvus d’une enveloppe interne agencée à l’intérieur de l’enveloppe externe. L’invention concerne également un tube pour échangeur thermique mécanique tel que défini précédemment, le tube étant configuré pour être assemblé mécaniquement à une pluralité d’éléments d’échange thermique de l’échangeur thermique.

Selon l’invention, le tube comprend une enveloppe externe délimitant un canal pour la circulation d’un premier fluide et présentant en section transversale une forme profilée.

La forme profilée comprend : à une extrémité un bord d’attaque destiné à faire face à un deuxième fluide destiné à circuler autour du tube selon une direction générale d’écoulement, à l’autre extrémité un bord de fuite configuré pour être en aval du bord d’attaque selon la direction générale d’écoulement du deuxième fluide, et une surface d’extrados sensiblement courbée et une surface d’intrados jointes par le bord d’attaque et le bord de fuite.

La forme profilée est asymétrique par rapport à une ligne de corde joignant le bord d’attaque et le bord de fuite.

Une telle forme profilée permet d’abaisser la résistance de contact thermique entre le tube et les éléments d’échange thermique tels que des ailettes, après assemblage mécanique de l’échangeur thermique, lors de l’écoulement du deuxième fluide autour du tube. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d’un ensemble de tubes et d’ailettes d’un échangeur thermique mécanique, - la figure 2 est une vue schématique de face d’un tube de l’échangeur de la figure 1 traversant une ailette après expansion du tube, - la figure 3 est une vue agrandie de la forme profilée en section transversale d’un tube des figures 1 et 2, - la figure 4a illustre une première variante pour la disposition des tubes traversant une ailette, - la figure 4b illustre une deuxième variante pour la disposition des tubes traversant une ailette, - la figure 4c illustre une troisième variante pour la disposition des tubes traversant une ailette, - la figure 4d illustre une quatrième variante pour la disposition des tubes traversant une ailette, - la figure 5 est une vue agrandie d’une portion de la figure 1 sur laquelle une résultante aérodynamique et ses composantes sont schématisées, - la figure 6 est une vue schématique de face d’un tube traversant une ailette et en appui contre l’ailette, sous l’effet de la résultante aérodynamique lors de l’écoulement d’un flux d’air autour du tube, - la figure 7 est une vue en perspective d’une portion de tube traversant une ailette, - la figure 8 est un graphe montrant une courbe d’évolution du coefficient de portance en fonction d’un angle d’incidence par rapport au flux d’air, - la figure 9a illustre de façon schématique un contact de l’ordre de 5% entre l’enveloppe externe d’un tube et le bord d’un trou de passage pour le tube ménagé sur une ailette, - la figure 9b illustre de façon schématique un contact de l’ordre de 50% entre l’enveloppe externe d’un tube et le bord d’un trou de passage pour le tube ménagé sur une ailette, - la figure 9c illustre de façon schématique un contact de l’ordre de 100% entre l’enveloppe externe d’un tube et le bord d’un trou de passage pour le tube ménagé sur une ailette, et - la figure 10 est un schéma comparatif illustrant les turbulences générées en aval d’un tube de section circulaire selon l’art antérieur et d’un tube de forme profilée selon l’invention.

Sur ces figures, les éléments identiques portent les mêmes références.

Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s’appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées ou interchangées pour fournir d’autres réalisations.

Dans la description, on peut indexer certains éléments, comme par exemple premier élément ou deuxième élément. Dans ce cas, il s’agit d’un simple indexage pour différencier et dénommer des éléments proches mais non identiques. Cette indexation n’implique pas une priorité d’un élément par rapport à un autre et on peut aisément interchanger de telles dénominations sans sortir du cadre de la présente description. Cette indexation n’implique pas non plus un ordre dans le temps. L’invention concerne un échangeur thermique 1, notamment destiné à équiper un véhicule automobile, et dont certains éléments sont partiellement représentés sur la figure 1. L’échangeur thermique 1 est de type mécanique. Par échangeur thermique 1 mécanique on entend que les différents éléments formant l’échangeur thermique 1 sont fixés mécaniquement entre eux, par exemple par sertissage.

On a représenté sur la figure 1 des tubes 3 et des éléments d’échange thermique 5, tels que des ailettes 5, d’un tel échangeur thermique 1.

Les tubes 3 ont chacun une forme générale allongée. Les tubes 3 sont disposés selon une ou plusieurs rangées en traversant respectivement une pluralité d’ailettes 5 superposées.

Un premier fluide est destiné à circuler dans les tubes 3. Un deuxième fluide, tel qu’un flux d’air, est destiné à circuler entre les ailettes 5 et autour des tubes 3. Dans la suite de la description, il est fait référence à un flux d’air, mais la description s’applique pour un autre deuxième fluide tel que de l’eau. La direction générale et le sens d’écoulement du flux d’air traversant l’échangeur thermique 1 sont représentés de façon schématique par les flèches E sur la figure 1.

De façon connue, l’échangeur thermique 1 comporte en outre deux boites collectrices (non représentées) dans lesquelles les extrémités des tubes 3 débouchent à l’état assemblé de l’échangeur thermique 1.

Les ailettes 5 ont une forme générale sensiblement plane dans l’exemple illustré. Elles sont avantageusement réalisées en aluminium ou en alliage d’aluminium.

Les ailettes 5 sont agencées dans l’échangeur thermique 1 de façon sensiblement parallèle entre elles et perpendiculaire aux directions longitudinales des tubes 3.

Les tubes 3 sont reliés aux ailettes 5 par fixation mécanique, à savoir par expansion des tubes 3, de sorte que les tubes 3 se retrouvent serrés dans les ailettes 5. On parle également dans ce cas de sertissage des tubes 3 dans les ailettes 5. Pour ce faire, les ailettes 5 sont respectivement munies de trous de passage 7 des tubes 3 tel que cela est représenté sur la figure 2. Ces trous de passage 7 sont délimités chacun par un bord 9. Chaque tube 3 est enfilé dans une série de trous 7 alignés des ailettes 5.

Comme on peut le voir sur la figure 2, dans certains cas, après expansion ou sertissage d’un tube 3 dans une ailette 5, il peut exister un défaut de contact entre le tube 3 et l’ailette 5 qu’il traverse au niveau du trou de passage 7. Ainsi, sur la figure 2, on a représenté des interstices 11 correspondant au défaut de contact entre le tube 3 et le bord 9 ou collet qui l’entoure.

En se référant de nouveau à la figure 1, les tubes 3 sont quant à eux avantageusement réalisés en aluminium ou en alliage d’aluminium.

Chaque tube 3 comprend un canal pour la circulation du premier fluide. Pour ce faire, les tubes 3 comprennent respectivement une enveloppe externe 30 délimitant le canal de circulation pour le premier fluide. En particulier, les tubes 3 comportent respectivement une seule enveloppe externe 30 sans enveloppe interne disposée à l’intérieur de cette enveloppe externe 30. L’enveloppe externe 30 comporte en section transversale une forme profilée, plus précisément un profil d’aile d’avion, dont une vue agrandie est représentée sur la figure 3. Cette forme profilée est aérodynamique et présente (voir figures 1 et 3) : à une extrémité, un bord d’attaque 31 destiné à faire face au flux d’air, et à l’autre extrémité, un bord de fuite 33.

Le bord d’attaque 31 est à l’avant ou en amont en référence à la direction générale d’écoulement E du flux d’air. Et, le bord de fuite 33 est à l’arrière ou en aval du bord d’attaque 31 en référence à la direction générale d’écoulement E du flux d’air.

Le bord de fuite 33 est aminci par rapport au bord d’attaque 31. En particulier, le bord d’attaque 31 est une surface sensiblement arrondie et le bord de fuite 33 est une surface sensiblement en forme de coin ou définissant un secteur angulaire. Le bord de fuite 33 peut être moins aminci par rapport au bord d’attaque 31 que selon les profils NACA développés pour les ailes d’avion.

Une ligne de corde lc représentée en pointillés sur la figure 3 joint le bord d’attaque 31 et le bord de fuite 33. Cette ligne de corde lc est avantageusement inclinée par rapport à la direction d’écoulement du deuxième fluide dont un vecteur vitesse v est représenté sur la figure 3.

Selon les variantes de réalisation illustrées sur les figures 1 à 7, la forme profilée est asymétrique par rapport à la ligne de corde lc. En alternative, la forme profilée peut être symétrique par rapport à la ligne de corde lc.

La forme profilée de chaque tube 3 présente en outre une surface d’extrados 35. On parle également de surface d’aspiration. La forme profilée du tube 3 présente encore une surface d’intrados 37. On parle également de surface de pression. Les surfaces d’extrados 35 et d’intrados 37 sont jointes par le bord d’attaque 31 et le bord de fuite 33.

La surface d’extrados 35 est sensiblement courbée. La surface d’intrados 37 peut également être sensiblement courbée. Selon les exemples illustrés sur les figures 1 à 7, la surface d’extrados 35 est convexe avec sa convexité orientée vers l’extérieur du tube 3, et la surface d’intrados 37 est concave avec sa concavité orientée vers l’intérieur du tube 3. En variante, les deux surfaces d’extrados 35 et d’intrados 37 peuvent être convexes avec leurs convexités orientées vers l’extérieur du tube 3.

Les tubes 3 sont disposés selon une ou plusieurs rangées, et dans chaque rangée les tubes 3 peuvent être parallèles ou non. A titre d’exemple et de façon non exhaustive, différents agencements des tubes 3 sont représentés sur les figures 1 et 4a à 4d. Selon ces différents agencements, les surfaces d’extrados 35 et d’intrados 37 sont orientées différemment.

Selon une première variante de réalisation illustrée sur la figure 4a, dans chaque rangée les tubes 3 sont agencés en opposition deux à deux. Autrement dit, dans chaque rangée les tubes 3 sont alternativement orientés selon une première direction et selon une deuxième direction opposée. Sur la figure 4a, les tubes 3 sont alternativement disposés avec leurs surfaces d’extrados 35 orientées vers le haut ou vers le bas en référence à la disposition des éléments sur la figure 4a.

Afin de faciliter la compréhension de la figure 4a, les tubes 3 avec leurs surfaces d’extrados 35 orientées vers le haut sont désignés par la référence 3a et les tubes 3 avec leurs surfaces d’extrados 35 orientées vers le bas sont désignés par la référence 3b. Ainsi, pour les tubes 3a, la surface d’extrados 35 correspond à la surface supérieure et la surface d’intrados 37 correspond à la surface inférieure. A l’inverse, pour les tubes 3b, la surface d’extrados 35 correspond à la surface inférieure et la surface d’intrados 37 correspond à la surface supérieure.

Selon cette première variante, les tubes 3 sont agencés par paires de tubes 3a et 3b symétriques par une symétrie axiale d’axe sensiblement parallèle à la direction d’écoulement E du flux d’air. Cet axe de symétrie est schématisé par la ligne XI en pointillés sur la figure 4a.

En outre, selon cette première variante de réalisation les tubes 3a, 3b ne sont pas disposés selon un espacement constant. L’espacement est par exemple constant entre chaque paire de tubes 3 a et 3b.

Enfin, selon cette première variante de réalisation, les tubes 3a, 3b peuvent être agencés selon plusieurs rangées, et les tubes 3a et 3b d’une deuxième rangée adjacente à une première rangée peuvent être agencés de façon décalée par rapport aux tubes 3 a et 3b de la première rangée. En d’autres termes, le premier tube 3a ou 3b de la deuxième rangée n’est pas aligné avec le premier tube 3a ou 3b de la première rangée selon la direction d’écoulement E du flux d’air.

Selon une deuxième variante illustrée sur les figures 1 et 4b, les tubes 3 de chaque rangée sont agencés parallèles les uns aux autres. Cette solution permet un gain de place par rapport à la première variante de réalisation de la figure 4a.

De plus, selon la deuxième variante de réalisation, les tubes 3 peuvent être agencés selon plusieurs rangées, et les tubes 3 dans deux rangées adjacentes sont orientés dans deux directions opposées. Ainsi, les rangées de tubes 3 sont alternativement orientées selon les deux directions opposées d’amont en aval selon le sens d’écoulement du flux d’air. Selon l’exemple illustré, les rangées de tubes 3 sont alternativement orientées vers le haut et vers le bas. Comme précédemment, afin de faciliter la lecture de la figure 4b, les tubes 3 avec leurs surfaces d’extrados 35 orientées vers le haut sont référencés 3a et les tubes 3 avec leurs surfaces d’extrados 35 orientées vers le bas sont référencés 3b.

Par exemple, les tubes 3a d’une première rangée sont disposés avec leurs surfaces d’extrados 35 orientées vers le haut en référence à la disposition des éléments sur la figure 4b et les tubes 3b de la deuxième rangée adjacente sont disposés avec leurs surfaces d’extrados 35 orientées vers le bas. Ainsi, pour les tubes 3a de la première rangée la surface d’extrados 35 correspond à la surface supérieure et la surface d’intrados 37 correspond à la surface inférieure. A l’inverse, pour les tubes 3b de la deuxième rangée la surface d’extrados 35 correspond à la surface inférieure et la surface d’intrados 37 correspond à la surface supérieure.

De plus, les tubes 3b de la deuxième rangée peuvent être agencés dans le prolongement des tubes 3a de la première rangée. En particulier, selon l’exemple illustré avec les rangées de tubes 3a, 3b alternativement orientées selon une direction ou l’autre, les bords d’attaque 31 des tubes 3b de la deuxième rangée sont respectivement agencés dans le prolongement des bords de fuite 33 des tubes 3a de la première rangée. A l’inverse, on peut prévoir que les bords de fuite 33 des tubes 3b de la deuxième rangée soient agencés dans le prolongement des bords d’attaque 31 des tubes 3a de la première rangée.

Une telle disposition opposée entre deux rangées et dans le prolongement des tubes 3 de la rangée précédente permet de créer des canaux de circulation pour le flux d’air sensiblement continus entre les tubes 3 des différentes rangées, tel que schématisé par la flèche E’ en pointillés sur la figure 4b. Ces canaux de circulation pour le flux d’air suivent le contour des tubes 3 et définissent une forme sensiblement sinusoïdale dans cet exemple.

Enfin les tubes 3 de chaque rangée sont disposés les uns par rapport aux autres avec le même espacement entre les tubes 3. Cet espacement peut également être le même pour toutes les rangées de tubes 3.

Une troisième variante de réalisation est illustrée sur la figure 4c dans laquelle chaque rangée comprend au moins deux groupes de tubes 3. Dans chaque groupe les tubes 3 sont disposés parallèlement les uns aux autres, et les tubes 3 dans deux groupes successifs sont orientés dans des directions opposées.

Par exemple, pour une rangée, les tubes 3 d’un premier groupe sont disposés avec leurs surfaces d’extrados 35 orientées vers le haut en référence à la disposition des éléments sur la figure 4c et les tubes 3 d’un deuxième groupe successif pour la même rangée, sont orientés avec leurs surfaces d’extrados 35 orientées vers le bas. Comme précédemment, afin de faciliter la lecture de la figure 4c, les tubes 3 avec leurs surfaces d’extrados 35 orientées vers le haut sont référencés 3a et les tubes 3 avec leurs surfaces d’extrados 35 orientées vers le bas sont référencés 3b. Ainsi, pour les tubes 3a du premier groupe, la surface d’extrados 35 correspond à la surface supérieure et la surface d’intrados 37 correspond à la surface inférieure. A l’inverse, pour les tubes 3b du deuxième groupe la surface d’extrados 35 correspond à la surface inférieure et la surface d’intrados 37 correspond à la surface supérieure.

Selon cette troisième variante, deux groupes de tubes 3 successifs sont agencés de façon symétrique selon une symétrie axiale d’axe sensiblement parallèle à la direction d’écoulement E du flux d’air. Cet axe de symétrie est schématisé par la ligne X2 en pointillés sur la figure 4c.

Chaque rangée peut comporter plus de deux groupes de tubes 3 agencés en opposition. Les groupes de tubes 3 comportent avantageusement le même nombre de tubes 3. Dans l’exemple illustré, les groupes de tubes 3 comportent respectivement trois tubes 3. Bien entendu, le nombre de tubes 3 peut être adapté selon les besoins.

Enfin de façon similaire à la deuxième variante de réalisation, les tubes 3 peuvent être disposés selon plusieurs rangées et les tubes 3 de la deuxième rangée peuvent être disposés dans le prolongement des tubes 3 de la première rangée.

Selon une quatrième variante illustrée sur la figure 4d, les tubes 3 peuvent être disposés selon une ou plusieurs rangées en étant tous orientés selon la même direction. Dans l’exemple illustré, les tubes 3 sont disposés avec leurs surfaces d’extrados 35 orientées vers le haut en référence à la disposition des éléments sur la figure 4d.

Selon cette quatrième variante, l’échangeur thermique 1 comporte en outre une plaque 13 de maintien des ailettes 5, formant une joue latérale qui est fixée aux boites collectrices (non représentées) de l’échangeur thermique 1. La plaque de maintien 13 est agencée du côté de l’ailette 5 vers lequel sont orientées les surfaces d’extrados 35 des tubes 3.

En outre, quel que soit le mode de réalisation, la forme profilée des tubes 3 est configurée pour que lors de l’écoulement du flux d’air autour des tubes 3, le flux d’air puisse s’écouler plus rapidement sur la surface d’extrados 35 du tube 3. Il en résulte que la pression exercée sur la surface d’extrados 35 du tube 3 est inférieure à la pression exercée sur la surface d’intrados 37 du tube 3. En fonctionnement, lors de l’écoulement autour des tubes 3 du deuxième fluide, dans cet exemple un flux d’air, de façon similaire à une aile d’avion, des zones de dépression et de surpression sont générées autour de chaque tube 3, créant ainsi une force F (voir figure 5), appelée résultante aérodynamique lorsque le deuxième fluide est de l’air. Cette résultante aérodynamique F a deux composantes : une portance L, perpendiculaire au vecteur vitesse du flux d’air v, et une traînée D, parallèle au vecteur vitesse du flux d’air v et de même sens.

La portance L est la projection verticale de la résultante aérodynamique F. la portance est orientée de la surface d’intrados 37 vers la surface d’extrados 35. La portance est orientée vers le haut par exemple pour les tubes 3a des figures 4a à 4c, ou tous les tubes 3 de la figure 4d. Au contraire, la portance est orientée vers le bas pour les tubes 3b des figures 4a à 4c. Afin de faciliter la lecture des figures 4a à 4d, lorsque la portance est orientée vers le haut elle est notée La et lorsqu’elle est orientée vers le bas elle est notée Lb.

En référence aux figures 5 et 6, sous l’effet de la résultante aérodynamique F, et en particulier de la portance L, les tubes 3 sont déplacés et plus précisément leurs surfaces d’extrados 35 sont poussées contre l’ailette 5. On assure ainsi un bon contact au moins sur la moitié du tube avec les ailettes, ce qui permet un meilleur rendement qu’un contact moyen sur tout le tour du tube 3. L’agencement des tubes 3 en opposition deux à deux (figure 4a) ou avec une orientation alternée de deux rangées de tubes adjacentes (figure 4b) ou avec une orientation alternée par groupe de tubes 3 de chaque rangée (figure 4c) permet de compenser cet effet de portance de sorte que les ailettes 5 ne sont pas déplacées. Selon la variante de la figure 4d, c’est la plaque de maintien 13 qui permet de compenser l’effet de portance et d’empêcher le déplacement des ailettes 5.

La portance L en newtons (N) est déterminée selon l’équation (a) suivante : (a) : L = -pv ACL (avec p : la masse volumique du flux d’air en kg/m , v : la vitesse du flux d’air en m/s, A : une surface de référence sur le tube en m , et Cl : le coefficient de portance).

La traînée D est la projection horizontale de la résultante aérodynamique F et est déterminée selon l’équation (b) suivante : (b) : D = -pv ACd (avec p : la masse volumique du flux d’air en kg/m , v : la vitesse du flux d’air en m/s, A : une surface de référence sur le tube en m , et Cd : le coefficient de traînée).

La masse volumique du flux d’air p est de l’ordre de 1.3 kg/m .

La vitesse du flux d’air est comprise dans une plage de l’ordre de 5 m/s à 10 m/s.

En se référant plus particulièrement à la figure 7, la surface de référence A sur le tube 3 correspond à l’aire du tube 3 autour de laquelle s’écoule le flux d’air, à savoir entre deux ailettes 5. La surface de référence A est égale à la longueur Lt de tube 3 entre deux ailettes 5 multipliée par la largeur lt de tube 3, selon l’équation (c) suivante : (c) A = Lt X lt (avec Lt : la longueur de tube, et lt : la largeur de tube). A titre d’exemple, la surface de référence A est de l’ordre de 0.000012 m . Bien entendu, la forme des tubes 3 peut être adaptée de façon à augmenter la surface de référence A et donc augmenter la portance L.

Par ailleurs, en référence aux figures 5 et 7, l’aire A2 de tube 3 à l’intérieur d’une ailette 5, égale à la largeur lt de tube 3 multipliée par l’épaisseur ea de l’ailette 5 selon l’équation (d), est de l’ordre de 0.00000078 m2 : (d) A2 = lt X ea (avec lt : la largeur de tube, et ea : l’épaisseur d’une ailette).

Les coefficients de portance Cl et de traînée Cd sont choisis en fonction d’un angle d’incidence a ou angle d’attaque voulu, c’est-à-dire, en référence à la figure 3, l’angle formé par la ligne de corde lc et le vecteur vitesse du flux d’air v. On constate sur le graphique de la figure 8 montrant l’évolution du coefficient de portance Cl en fonction de l’angle d’incidence a, que la limite pour une portance maximale se situe pour un angle d’incidence a situé entre 15° et 20°, au-delà il y a une chute de la portance ou décrochage. A titre d’exemple, le coefficient portance Cl est choisi de l’ordre de 1 et le coefficient de traînée Cd est choisi de l’ordre de 0.04.

Avec ces caractéristiques, on obtient pour chaque portion de tube 3 entre deux ailettes 5, une résultante aérodynamique F et ses composantes : portance L et traînée D, dans les plages données en Newton (N) dans le tableau 1 suivant :

Tableau 1

Ces données étant représentatives pour la surface de référence A entre deux ailettes 5, il convient de multiplier les valeurs par le nombre d’ailettes 5 pour avoir une estimation sur toute la longueur d’un tube 3. Ainsi, on observe pour un échangeur thermique 1 comprenant une centaine d’ailettes 5, une portance L maximale de Tordre de 0.75N à IN par tube 3. Selon un exemple particulier, les tubes 3 mesurent respectivement 600mm de long.

En outre, en se référant de nouveau aux figures 5 et 6, lors de l’écoulement du flux d’air, lorsqu’un tube 3 est poussé contre le bord 9 du trou de passage 7 de l’ailette 5 qui l’entoure du fait de la portance L, la pression exercée entre le tube 3 et l’ailette 5 dépend de la surface de contact effective entre le tube 3, en particulier sa surface d’extrados 35, et le bord 9 du trou de passage 7 associé pour le tube 3 ménagé sur l’ailette 5.

Sur les figures 9a à 9c, on a représenté de façon schématique et illustrative, différentes proportions de contact entre une surface du tube 3 (courbes en trait plein) et le bord 9 d’un trou de passage 7 ménagé sur l’ailette 5 (courbes en tirets). Sur la figure 9a, le contact entre le tube 3 et le bord 9 est de Tordre de 5%, sur la figure 9b de Tordre de 50% et sur la figure 9c de Tordre de 100%. Bien entendu, la pression exercée est plus importante lorsqu’il y a moins de surface de contact entre le tube 3 et l’ailette 5, comme cela est repris dans le tableau 2 suivant :

Tableau 2

Autrement dit, pour un contact de l’ordre de 5%, la pression maximale est de l’ordre de 200g/cm , pour un contact de l’ordre de 50%, la pression maximale est de l’ordre de 20g/cm , tandis que pour un contact optimisé de l’ordre de 100%, la pression maximale est de l’ordre de lOg/cm .

Ainsi, plus le contact est amélioré entre un tube 3 et une ailette 5, la pression effective diminue.

Enfin, comme cela est représenté de façon schématique sur la figure 10, pour un même nombre de Reynolds donné, la forme du profil du tube 3 influe sur l’écoulement du flux d’air autour des tubes 3. En effet, la forme profilée du tube 3 similaire à une aile d’avion telle que détaillée précédemment permet de réduire les turbulences en aval du tube 3 selon la direction d’écoulement E du flux d’air, par rapport à un tube 3’ de section transversale circulaire selon l’état de la technique connu. Ces turbulences sont désignées de façon générale et schématique par la référence 15. Ceci permet donc de réduire la chute de pression.

Ainsi, lorsque le véhicule roule à une vitesse suffisante pour mettre en mouvement le flux d’air ou lorsqu’un ventilateur est mis en route pour mettre en mouvement ce flux d’air, la différence de pression crée une portance sur chaque tube 3 qui pousse le tube 3, en particulier sa surface d’extrados 35 contre le bord 9 délimitant un trou de passage 7 sur l’ailette 5. Cette surface d’extrados 35 de chaque tube 3 vient obturer les interstices 11 de façon à assurer une jonction thermique de qualité entre le tube 3 et le bord 9 qui l’entoure. Le contact entre les ailettes 5 et les tubes 3 augmente, ce qui diminue la résistance thermique et donc permet une meilleure conduction thermique entre les tubes 3 et les ailettes 5, augmentant ainsi les performances de l’échangeur thermique 1.

En outre, la forme profilée permet d’augmenter le contact entre le flux d’air et les tubes 3 et ainsi la convection.

Claims (15)

1. REVENDICATIONS

   1. Échangeur thermique (1) à assemblage mécanique, notamment pour véhicule automobile, - ledit échangeur (1) comprenant une pluralité d’éléments d’échange thermique (5), et une pluralité de tubes (3; 3 a, 3b) assemblés mécaniquement aux éléments d’échange thermique (5) par expansion des tubes, les tubes (3; 3a, 3b) comprenant respectivement une enveloppe externe (30) délimitant un canal pour la circulation d’un premier fluide, et - ledit échangeur (1) étant configuré pour la circulation d’un deuxième fluide autour des tubes (3; 3a, 3b) et entre les éléments d’échange thermique (5) selon une direction générale d’écoulement (£), caractérisé en ce que les enveloppes externes (30) des tubes (3; 3 a, 3b) présentent respectivement en section transversale une forme profilée comprenant : - à une extrémité un bord d’attaque (31) configuré pour faire face au deuxième fluide, - à l’autre extrémité un bord de fuite (33) configuré pour être en aval du bord d’attaque (31) selon la direction générale d’écoulement (£) du deuxième fluide, et - une surface d’extrados (35) sensiblement courbée et une surface d’intrados (37), jointes par le bord d’attaque (31) et le bord de fuite (33).
2. 2. Échangeur thermique (1) selon la revendication 1, dans lequel la forme profilée est asymétrique par rapport à une ligne de corde (lc) joignant le bord d’attaque (31) et le bord de fuite (33).
3. 3. Échangeur thermique (1) selon la revendication 1, dans lequel la forme profilée est symétrique par rapport à une ligne de corde (lc) joignant le bord d’attaque (31) et le bord de fuite (33).
4. 4. Échangeur thermique (1) selon l’une des revendications 2 ou 3, dans lequel les tubes (3; 3a, 3b) sont respectivement agencés de sorte que la ligne de corde (lc) joignant le bord d’attaque (31) et le bord de fuite (33) est configurée pour être inclinée par rapport à la direction générale d’écoulement (£) du deuxième fluide.
5. 5. Échangeur thermique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la surface d’extrados (35) de chaque tube (3 ; 3a, 3b) est convexe avec sa convexité orientée vers l’extérieur du tube (3; 3a, 3b).
6. 6. Échangeur thermique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la surface d’intrados (37) de chaque tube (3 ; 3a, 3b) est concave avec sa concavité orientée vers l’intérieur du tube (3; 3a, 3b).
7. 7. Échangeur thermique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant au moins une rangée d’une pluralité de tubes (3; 3a, 3b) parallèles.
8. 8. Échangeur thermique (1) selon les revendications 5 et 7, comportant au moins une plaque (13) de maintien des éléments d’échange thermique (5), et dans lequel les tubes (3 ; 3a, 3b) sont agencés de sorte que la convexité de la surface d’extrados (35) de chaque tube (3 ; 3a, 3b) est orientée vers ladite au moins une plaque (13) de maintien.
9. 9. Échangeur thermique (1) selon la revendication 7, comprenant au moins deux rangées de tubes (3; 3a, 3b), dans chaque rangée les tubes (3; 3a, 3b) étant disposés parallèles les uns aux autres, et les tubes (3; 3a, 3b) dans deux rangées adjacentes étant orientés dans des directions opposées.
10. 10. Échangeur thermique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant au moins une rangée de tubes (3; 3a, 3b), ladite rangée comprenant au moins deux groupes de tubes (3; 3a, 3b), dans chaque groupe les tubes (3; 3a, 3b) étant disposés parallèles les uns aux autres, et les tubes (3; 3a, 3b) dans deux groupes successifs étant orientés dans des directions opposées.
11. 11. Échangeur thermique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant au moins une rangée de tubes (3; 3a, 3b) agencés en opposition deux à deux.
12. 12. Échangeur thermique (1) selon l’une quelconque des revendications 7 à 11, comprenant au moins une première et une deuxième rangées de tubes (3; 3a, 3b) adjacentes, et dans lequel les tubes (3b) de la deuxième rangée sont agencés dans le prolongement des tubes (3a) de la première rangée.
13. 13. Échangeur thermique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les tubes (3 ; 3a, 3b) comprennent respectivement une unique enveloppe externe (30) délimitant le canal pour la circulation du premier fluide.
14. 14. Échangeur thermique (1) selon la revendication précédente, dans lequel les tubes (3 ; 3a, 3b) sont respectivement dépourvus d’une enveloppe interne agencée à l’intérieur de l’enveloppe externe (30).
15. 15. Tube (3; 3a, 3b) pour échangeur thermique (1) mécanique selon l’une quelconque des revendications précédentes, le tube (3; 3a, 3b) étant configuré pour être assemblé mécaniquement à une pluralité d’éléments d’échange thermique (5) de l’échangeur thermique (1) par expansion des tubes, caractérisé en ce que : - le tube (3; 3a, 3b) comprend une enveloppe externe (30) délimitant un canal pour la circulation d’un premier fluide et présentant en section transversale une forme profilée avec : • à une extrémité un bord d’attaque (31) destiné à faire face à un deuxième fluide destiné à circuler autour du tube (3) selon une direction générale d’écoulement (£), • à l’autre extrémité un bord de fuite (33) configuré pour être en aval du bord d’attaque (31) selon la direction générale d’écoulement (E) du deuxième fluide, et • une surface d’extrados (35) sensiblement courbée et une surface d’intrados (37), jointes par le bord d’attaque (31) et le bord de fuite (33), et en ce que - la forme profilée est asymétrique par rapport à une ligne de corde (lc) joignant le bord d’attaque (31) et le bord de fuite (33).