WO2003081159A1

WO2003081159A1 - Echangeur de chaleur, notamment pour un vehicule automobile, constitue d'elements tubulaires empiles

Info

Publication number: WO2003081159A1
Application number: PCT/FR2003/000952
Authority: WO
Inventors: Gérard Gille; Michel Potier
Original assignee: Valeo Thermique Moteur
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2003-10-02
Also published as: FR2837917B1; AU2003236873A1; FR2837917A1

Abstract

L'échangeur est constitué par au moins un faisceau (2, 4) d'éléments tubulaires (6) empilés dans lesquels circule un premier fluide, par exemple de l'air. Les éléments tubulaires (6) comportent des cavités pour la circulation d'un second fluide, par exemple de l'eau. Chaque cavité comporte au moins un passage d'entrée (30) et un passage de sortie (32) pour le second fluide. Des bossettes (34) sont prévues dans la paroi de fond de la cavité (26). Une boîte collectrice d'entrée (18) et une boîte collectrice de sortie (20) sont fixées au droit des passages d'entrée (30) et de sortie (32) du second fluide dans la cavité (26). Application en particulier aux véhicules automobiles.

Description

Λ VTM1372.FRD

Echangeur de chaleur, notamment pour un véhicule automobile, constitué d'éléments tubulaires empilés

L'invention concerne les échangeurs de chaleur, notamment pour les véhicules automobiles.

Elle concerne plus .précisément un échangeur de chaleur pour l'échange de chaleur entre un premier fluide et un second fluide, constitué par un faisceau d'éléments tubulaires empilés dans lesquels circule un premier fluide et . qui définissent entre eux un parcours pour le second fluide.

On connaît déjà des échangeurs de chaleur de ce type. Le document DE 19927607 décrit un refroidisseur d'air de suralimentation d'un moteur thermique, en particulier de véhicule automobile. Il est constitué d'éléments modulaires de forme généralement plane, évasés à leurs deux extrémités. Ces éléments sont empilés et reposent l'un sur l'autre par leurs extrémités évasées de manière à définir des passages intersticiels entre les faces planes de deux éléments modulaires adjacents.

Un échangeur de ce type présente plusieurs inconvénients. Il est nécessaire de prévoir des parois latérales de part et d'autre de l'échangeur pour assurer l'etancheite au second fluide. En pratique, l'échangeur doit être pourvu d'un carénage ou d'une enveloppe en tôle à laquelle les tubulures d'entrée et de sortie du second fluide sont raccordées. Il en résulte une augmentation du nombre de pièces et donc une complexité d'assemblage de l'échangeur. En outre, l'échangeur ne peut pas être assemblé aisément par brasage.

L'invention a précisément pour objet un échangeur de chaleur du type défini ci-dessus qui remédie à ces inconvénients. Selon l'invention, les éléments tubulaires comportent des cavités pour la circulation du second fluide, chaque cavité comportant au moins un passage d'entrée et au moins un passage de sortie pour le second fluide.

Grâce à ces caractéristiques, l'etancheite au second fluide, par exemple un liquide de refroidissement, est obtenue directement par une simple superposition des éléments tubulaires eux-mêmes. Les éléments tubulaires comportent, sur l'une de leurs faces, un rebord périphérique qui s'adapte de manière étanche à une face correspondante de l'élément tubulaire adjacent.

Ainsi, les plaques latérales sont supprimées et la fabrication de l'échangeur est simplifiée. En outre, les éléments tubulaires peuvent être obtenus de manière simple par pliage d'une tôle. L'échangeur est assemblé aisément par une simple superposition des éléments tubulaires. Ces éléments peuvent eux-mêmes être assemblés les uns aux autres en une seule opération par brasage. Par suite de la réduction du nombre de pièces et de la simplicité de fabrication et d'assemblage, le coût de l'échangeur est réduit de manière importante.

En outre, des bossettes peuvent être prévues dans les cavités définies dans les éléments tubulaires. Ces bossettes ne sont pas indispensables, mais leur présence est avantageuse parce qu'elle permet de générer un écoulement turbulent qui facilite l'échange de chaleur entre le premier et le second fluide. En outre, si leur hauteur correspond à la profondeur de la cavité prévue dans une paroi de l'élément tubulaire, elles jouent un rôle d' entretoise et empêchent l'écrasement de la cavité.

Des bossettes de ce type peuvent être utilisées dans tout type d' échangeur. C'est pourquoi l'invention concerne également un échangeur de chaleur, notamment de véhicule automobile, pour l'échange de chaleur entre un premier fluide et un second fluide, constitué par un faisceau d'éléments tubulaires empilés dans lesquels circule un premier fluide et qui définissent entre eux un parcours pour le second fluide, dans lequel une paroi au moins des éléments tubulaires comporte des bossettes.

Dans une réalisation particulière, l'échangeur comporte une boîte collectrice d'entrée fixée au droit des passages d'entrée du second fluide dans les éléments tubulaires pour distribuer le second fluide dans les cavités des éléments tubulaires et une boîte collectrice de sortie fixée au droit des passages de sortie du second fluide des éléments tubulaires pour collecter le second fluide sortant des cavités des éléments tubulaires.

Les passages, d'entrée et les passages de sortie du second fluide sont de préférence alignés, en particulier verticalement.

Dans une réalisation, la boîte collectrice d'entrée du second fluide et la boîte collectrice de sortie du second fluide sont situées du même côté des éléments tubulaires de l'échangeur.

Selon une autre réalisation, la boîte collectrice d'entrée du second fluide et la boîte collectrice de sortie du second fluide sont situées de part et d'autre des éléments tubulaires de l'échangeur.

De préférence, l'échangeur comporte un collecteur. à chacune des extrémités des éléments tubulaires .

Ce collecteur permet, notamment, de supporter les éléments tubulaires assemblés.

L'échangeur peut comporter un ^' faisceau unique d'éléments tubulaires. Toutefois, dans une réalisation préférée, l'échangeur comporte deux faisceaux parallèles d'éléments tubulaires, la boîte collectrice d'entrée et/ou la boîte collectrice de sortie du second fluide étant communes aux deux faisceaux.

Dans une réalisation particulière, la boîte collectrice d'entrée et/ou la boîte collectrice de sortie sont constituées d'au moins une paroi longitudinale formant fond et comportant deux ailes et de deux parois d'extrémité fixées aux parois longitudinales.

Des caractéristiques complémentaires et/ou alternatives de l'échangeur sont énumérées ci-après :

- les parois longitudinales des boîtes collectrices comportent des saillies - une tubulure d'entrée est raccordée à la paroi d'extrémité de la boîte collectrice d'entrée et une tubulure de sortie est raccordée à la boîte collectrice de sortie ;

- une paroi du .collecteur constitue l'une des parois longitudinales de la boîte collectrice d'entrée et une autre paroi du collecteur constitue l'une des parois longitudinales de la boîte collectrice de sortie ;

- la paroi du collecteur qui constitue l'une des parois longitudinales de la boîte collectrice d'entrée et la paroi du collecteur qui constitue l'autre paroi longitudinale de la boîte collectrice de sortie comportent des saillies ; -. l'échangeur comporte une boîte collectrice d'entrée et une boîte collectrice de sortie pour le premier fluide. Ces boîtes collectrices sont, par exemple, des boîtes à air ; - l'échangeur comporte des moyens d'obturation des interstices formés à l'extérieur des éléments tubulaires empilés, entre deux rayons adjacents.

D'autres caractéristiques et avantages de l'échangeur de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées. Sur ces figures

la Figure 1 est une vue générale en perspective d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention ; la Figure 2 est une vue partielle en perspective de l'échangeur de chaleur représenté sur la Figure

1 sans ses boîtes collectrices du premier fluide ; la Figure 3 est une vue de dessus de l'échangeur représenté sur la Figure 2 ; la Figure 4 est une vue en coupe selon la ligne IV-IV de l'échangeur représenté sur la Figure 3 ; la Figure 5 est une vue de détail à échelle agrandie de la partie V de la Figure 4 ; la Figure 6 est une vue en coupe selon la ligne VI-VI de l'échangeur représenté sur la Figure 3 ; la Figure 7 est une vue d'ensemble en perspective d'une variante de réalisation d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention ; et la Figure 8 est une vue partielle éclatée de l'échangeur de la Figure 7.

On a représenté sur la Figure 1 une vue générale en perspective d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention. Il s'agit plus précisément d'un refroidisseur d'air, de suralimentation, c'est-à-dire d'un échangeur de chaleur air-liquide disposé sur la ligne d'admission d'air d'un moteur thermique turbocompressé .

Le refroidisseur d'air de suralimentation (RAS) représenté sur la Figure 1 comporte deux faisceaux, référencés respectivement 2 et 4, comprenant chacun une superposition d'éléments tubulaires 6. Chaque élément tubulaire 6 se présente sous la forme d'un tube plat comportant deux faces planes. A chacune, de leurs extrémités, les tubes 6 pourront être introduits à l'intérieur d'un cadre 8 constituant un collecteur. Une boîte d'entrée 10 pour un premier fluide (ici de- l'air) est montée sur l'un des collecteurs 8, tandis qu'une boîte de sortie 12 pour le premier fluide est montée sur l'autre collecteur 8. La boîte d'entrée 10 comporte une tubulure d'entrée 14 pour le premier fluide, tandis que la boîte collectrice de sortie 12 comporte une tubulure de sortie 16 pour le premier fluide.

Une boîte collectrice 18 d'entrée pour le second fluide (ici de l'eau) et une boîte collectrice 20 de sortie pour le second fluide sont disposées entre les faisceaux 2 et 4. La boîte collectrice d'entrée 18 comporte une tubulure d'entrée 22, tandis que la boîte collectrice de sortie 20 comporte une tubulure de sortie 24.

On a représenté sur les Figures 2 et 3, respectivement, une vue en perspective du refroidisseur d'air de suralimentation représenté sur la Figure 1, les boîtes à air 10 et 12 ayant été retirées afin de montrer la structure intérieure de l'échangeur et une vue de dessus de ce même refroidisseur.

Comme on peut l'observer, chacun des éléments tubulaires 6 comporte sur sa face supérieure, selon les Figures 2 et 3, une cavité ou dépression 26. La cavité 26 peut être ^" formée dans l'une des faces de l'élément tubulaire 6 par différents moyens. Elle peut être obtenue par emboutissage après mise en forme de l'élément tubulaire ou à la mollette, avant formation de l'élément tubulaire 6, de telle sorte que ce dernier conserve sur sa périphérie un rebord 28 permettant d'assurer le brasage des éléments tubulaires entre eux. Le rebord 28 est interrompu au droit de la boîte collectrice d'entrée 18 afin de ménager un passage d'entrée 30 pour le liquide de refroidissement, généralement de l'eau, et au droit de la boîte collectrice de sortie 20 afin de ménager un passage de sortie 32 pour le fluide de refroidissement.

Dans l 'exemple de réalisation décrit, le fond . de la cavité 26 comporte des bossettes 34 formées, par exemple, par emboutissage de la tôle constituant les éléments. tubulaires 6. Les bossettes 34 (Figure 2) garantissent un écoulement turbulent du liquide de refroidissement, d'autre part elles assurent un bon contact des intercalaires ondulés 36 prévus à l'intérieur des éléments tubulaires 6 pendant le brasage de l'échangeur.

Comme on peut le voir sur la Figure 2 notamment, les collecteurs 8 se présentent sous la forme de cadres qui entourent les extrémités de chacun des faisceaux d'éléments tubulaires 2 et 4. Les cadres 8 comportent également un rebord qui permet d'assurer le maintien des boîtes à air 10 et 12. Enfin, les collecteurs comportent un montant central 38 qui s'insère dans l'espace entre les faisceaux 2 et 4.

Les boîtes collectrices 18 et 20 peuvent être réalisées de nombreuses manières différentes. Dans l'exemple représenté,' chacune des boîtes collectrices 18 et 20 est constituée d'un fond 40 comportant deux ailes repliées 42. Les montants 38 sont situés en regard des fonds 40 et forment une seconde paroi des boîtes collectrices 18 et 20. Des parois d'extrémité 44 sont prévues à chacune des extrémités des parois longitudinales 38 et 40 des boîtes collectrices 18 et 20. L'une des parois d'extrémité, la paroi supérieure dans l'exemple représenté sur les figures,. porte les tubulures d'entrée 22 et de sortie 24 du second fluide.

Dans l'exemple représenté, les moyens d'obturation sont formés par des saillies 46 sur les ailes 42 des fonds 40 et/ou sur les ailes des montants 38 des collecteurs 8. Ces saillies 46 sont obtenues par exemple par emboutissage. ^•

On a représenté sur la Figure 4 une vue en coupe selon la ligne IV-IV de l'échangeur représenté sur la Figure 3. On remarque l'empilement des faisceaux de tubes 2 et 4. Etant donné que la coupe a été réalisée en dehors des boîtes collectrices 18 et 20, un espace 50 est prévu entre les faisceaux 2 et 4. Comme on peut le voir plus particulièrement sur la Figure 5 qui représente une vue agrandie des cavités 26, les bossettes 34 5 permettent de maintenir un espacement constant entre le fond de la cavité 26 et la paroi plane de l'élément tubulaire 6 disposé au-dessus de la cavité 26.

En fonction de l'emplacement du refroidisseur d'air^" de 10 suralimentation sur la ligne d'admission d'air, les collecteurs 8 peuvent également servir d'interface avec une vanne ou avec un collecteur d'admission (non représenté)..

On a représenté sur la Figure 6 une vue en coupe selon la ligne

15 VI-VI de l'échangeur représenté sur la Figure 3. Le plan de. coupe passe par le centre de la tubulure d'entrée 22 du second fluide. Comme on peut le constater, le plan de coupe passe également par les passages d'entrée 30 ménagés dans le rebord 28 des cavités 26 de telle sorte que les cavités des tubes du

20_. faisceau 2 situé à la gauche de la Figure 6 sont ouverts à droite, c'est-à-dire sur l'espace intérieur de la boîte collectrice 18. De même, les cavités 26 des éléments tubulaires du faisceau 4 situé à droite de la Figure 6 sont ouverts à gauche des cavités 26, en d'autres termes du côté des boîtes

25 collectrices 18 et 20. Ainsi, le fluide de refroidissement qui pénètre par la tubulure d'entrée 22 dans la boîte collectrice 18 peut se répartir dans l'ensemble des cavités 26 prévues entre chacun des éléments tubulaires 6. De la même manière, au niveau de la boîte collectrice de sortie 20, le fluide de

30 refroidissement ayant parcouru, la longueur des cavités 26 peut retourner dans la boîte collectrice de sortie avant de quitter l'échangeur par la tubulure de sortie 24.

L'échangeur qui vient d'être décrit peut être réalisé en une 5 seule opération par brasage. Les éléments tubulaires 6 sont brasés les uns sur les autres de manière à réaliser les cavités intersticielles 26 présentes entre deux éléments tubulaires successifs sans présence d'une paroi d'étanchéité supplémentaire. L'etancheite est ^'assurée sur toute la périphérie de la cavité 26 par le rebord 28 lié de manière étanche à la face inférieure de l'élément tubulaire supérieur. Les boîtes à eau 18 et 20 sont elles-mêmes assemblées par brasage au droit des passages d'eau 30 et 32.

Le fonctionnement de l'échangeur est le suivant. L'air à refroidir pénètre dans la boîte à air 10 par la tubulure d'entrée 14, comme schématisé par la flèche 60. Il se répartit à l'intérieur des éléments tubulaires 6 et les traverse de part en part avant de ressortir dans la boîte collectrice à air 12, comme schématisé par la flèche 62. Dans son parcours au travers des éléments tubulaires 6, l'air est en relation d'échange thermique avec le fluide de refroidissement qui pénètre par la tubulure d'entrée 22 dans la boîte collectrice 18 avant de se répartir dans l'ensemble des cavités 26 de l'échangeur et de circuler sur toute la longueur des éléments tubulaires 6 dans la cavité 26. L'air refroidi quitte l'échangeur par la tubulure de sortie 16, tandis que le fluide de refroidissement quitte l'échangeur par la tubulure de sortie 24.

Le premier fluide et le second fluide peuvent circuler à contre-courant, comme dans l'exemple décrit. Ils peuvent également circuler à co-courant. On peut également imaginer une circulation croisée de ces deux fluides.

Comme on peut le voir sur la Figure 5 notamment, les éléments tubulaires 6 présentent en section des angles arrondis définissant des interstices 35 formés à l'extérieur des éléments tubulaires empilés, entre deux rayons adjacents. Pour éviter un défaut d'étanchéité entre les faisceaux 2 et 4 et les collecteurs 8 après brasage, il est prévu des moyens d'obturation desdits interstices 35. On a représenté sur la Figure 7 une vue en perspective d'une variante de réalisation de l'échangeur représenté sur les Figures 1 à 6. Cette variante de réalisation se distingue par le fait que l'échangeur comporte un faisceau de tubes unique au lieu des deux faisceaux 2 et 4 de l'échangeur précédent. La constitution des éléments tubulaires 6 est identique à celle qui a été décrite précédemment. Toutefois, dans l'exemple représenté, le passage d'entrée 30 et le passage de sortie d'eau 32 ne sont pas situés du même côté des éléments tubulaires 6, mais de part et d'autre de ces derniers.

En effet, il est avantageux de prévoir des passages d'entrée et de sortie 30 et 32 (Figures 1 à 6) du même côté des éléments tubulaires lorsque l'échangeur comporte deux faisceaux. Cette disposition permet d'alimenter les deux faisceaux au moyen de boîte collectrice unique. En revanche, lorsque l'échangeur ne comporte qu'un faisceau d'éléments tubulaires, les boîtes collectrices d'entrée et de sortie 18 et 20 peuvent être disposées indifféremment du même côté ou de part et d'autre de l'échangeur.

En outre, comme on peut le constater sur la Figure 8, qui représente une vue partielle éclatée en perspective de l'échangeur représenté sur la Figure 7, des parois latérales 66 et 68 pourront être prévue de part et d'autre de l'échangeur afin de le rigidifier et d'améliorer sa résistance mécanique. Chacune de ces parois 66 et 68 comporte un évidement 70 destiné au passage des collecteurs d'entrée et de sortie 18 et 20 du second fluide.

Claims

Revendications

1. .Echangeur de chaleur, notamment pour un véhicule automobile, pour l'échange de chaleur entre un premier fluide et un second fluide, constitué par au moins un faisceau (2, 4) d'éléments tubulaires (6) empilés, dans lesquels circule un premier fluide, et qui définissent entre eu un parcours (26) pour le second fluide, caractérisé en ce que les éléments tubulaires (6) comportent des cavités (26) pour la circulation du second fluide, chaque cavité (26) comportant au moins un passage d'entrée (30) et un passage de sortie (32) pour le second fluide.

2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que des bossettes (34) sont prévues dans les cavités (26).

3. Echangeur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une boîte collectrice d'entrée (18) est fixée au droit des passages d'entrée (30) du second fluide des éléments tubulaires (6) pour distribuer le second fluide dans les cavités (26) des éléments tubulaires (6) et en ce qu'une boîte collectrice de sortie (20) est fixée au droit des passages de sortie (32) du second fluide des éléments tubulaires (6) pour collecter le second fluide sortant des cavités (26) des éléments tubulaires (6).

4. Echangeur selon la revendication 3, . caractérisé en ce que les passages d'entrée et de sortie (30, 32) sont alignés.

5. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la boîte collectrice d'entrée (30) du second fluide et la boîte collectrice de sortie (32) du second fluide sont situées du même côté des éléments tubulaires (6) de l'échangeur.

6. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la boîte collectrice d'entrée (30) du second fluide et la boîte collectrice de sortie (32) du second fluide sont situées de part et d'autre des éléments tubulaires (6) de l'échangeur.

7. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un collecteur (8) à chacune des extrémités des éléments tubulaires ( 6 ) .

8. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte deux faisceaux (2, 4) d'éléments tubulaires (6) disposés parallèlement, la boîte collectrice d'entrée (30) et/ou la boîte collectrice de sortie (32) étant communes aux deux faisceaux (2, 4).

9. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la boîte collectrice d'entrée (30) et/ou la boîte collectrice de sortie (32) sont constituées d'au moins une paroi longitudinale (40) formant fond et comportant deux ailes (42) et de deux parois d'extrémité (44) fixées aux parois longitudinales .

10. Echangeur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les parois longitudinales (40) comportent des saillies (46).

11. Echangeur selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce qu'une tubulure d'entrée (22) est raccordée à la paroi d'extrémité (44) de la boîte collectrice d'entrée (18) et en ce qu'une tubulure de sortie (24) est raccordée à la paroi d'extrémité (44) de la boîte collectrice de sortie (20).

12. Echangeur selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'une paroi (38) du collecteur (8) constitue l'une des parois longitudinales de la boîte collectrice d'entrée (18) et en ce qu'une autre paroi (38) du collecteur (8) constitue une autre paroi longitudinale de la boîte collectrice de sortie (20).

13. Echangeur selon la revendication 12, caractérisé en ce que la paroi du collecteur (8) qui constitue l'une des parois longitudinales de la boîte collectrice d'entrée (18) et en ce que la paroi longitudinale (38) du collecteur (8) qui constitue l'autre paroi longitudinale de la boîte collectrice de sortie (20) comportent des saillies (46).

14. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à

13, caractérisé en ce qu'il comporte une . boîte collectrice d'entrée (10) et une boîte collectrice de sortie (12) pour le premier fluide.

15. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à

14, caractérisé en ce. qu'il comporte des moyens d'obturation des interstices (35) formés à l'extérieur des éléments tubulaires (6) empilés, entre deux rayons adjacents.