WO2004044513A2 - Echangeur de chaleur à passes multiples, en particulier pour véhicule automobile - Google Patents
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Abstract
Un échangeur de chaleur comprend un collecteur (18) dans lequel sont reçues les extrémités d'au moins une rangée de tubes (12, 14), ainsi qu'une boîte collectrice (20) qui coiffe le collecteur et qui présente une cloison longitudinale (40) en contact avec le collecteur pour délimiter un premier compartiment (50) et un deuxième compartiment (52) dans lesquels débouchent respectivement une partie des tubes (12, 14). Le collecteur (18) comporte au moins une région en creux (56) qui est éloignée du bord libre (42) de la cloison longitudinale (40) pour former au moins un passage de communication (56) entre le premier compartiment (50) et le deuxième compartiment (52). Application notamment aux échangeurs de chaleur pour véhicule automobile.
Description
Echangeur de chaleur à passes multiples, en particulier pour véhicule, automobile
L'invention se rapporte aux échangeurs de chaleur, notamment pour les véhicules automobiles.
Elle concerne plus particulièrement un échangeur de chaleur du type comprenant un collecteur dans lequel sont' reçues les' extrémités d'au moins une rangée de tubes, ainsi qu'une boîte collectrice qui coiffe le collecteur et qui présente une cloison longitudinale dont un bord libre est en contact avec le collecteur pour délimiter un premier compartiment et un deuxième compartiment dans lesquels débouchent respectivement au moins une partie des tubes.
Dans un échangeur de chaleur de ce type, la ou les rangée (s) de tubes forme (nt) conjointement un faisceau de tubes auquel sont habituellement associées des surfaces d'échange de chaleur, tels que par exemple des intercalaires de forme ondulée.
Le plus souvent, l' échangeur de chaleur comprend un premier ensemble collecteur/boîte collectrice à une première extrémité du faisceau de tubes et un deuxième ensemble collecteur/boîte collectrice à une deuxième extrémité du f isceau de tubes .
Un tel échangeur de chaleur peut comprendre, par exemple, une première rangée de tubes et une deuxième rangée de tubes qui débouchent respectivement dans le premier compartiment et le deuxième compartiment .
Le fluide qui parcourt les tubes du faisceau circule habituellement en plusieurs passes dans la première rangée de tubes, généralement avec des circulations à contre- courant, pour gagner ensuite la deuxième rangée de tubes où il circule aussi habituellement en plusieurs passes et à contre-courant .
Il est donc nécessaire de pouvoir faire passer le fluide d'un compartiment longitudinal à un compartiment longitudinal adjacent et passer ainsi d'une nappe à une autre .
En variante, l' échangeur de chaleur peut comprendre une seule; rangée ' de;;,tubes, qui . délimitent chacun une "pluralité, de canaux de circulation de fluide. En ce cas, une première partie et une deuxième partie des canaux de chaque tube peut déboucher respectivement dans le premier compartiment et dans le deuxième compartiment.
Dans ce cas, se pose également le problême du passage du fluide d'un compartiment longitudinal à un autre compartiment longitudinal .
Dans les échangeurs connus, ce passage s'effectue habituellement à travers une ou plusieurs ouvertures aménagées dans la cloison longitudinale, comme enseigné par exemple par la publication US 2002/0066553.
Ainsi, le passage d'un compartiment longitudinal à un autre compartiment longitudinal qui correspond à la fonction "changement de nappe" s'effectue au travers de la cloison longitudinale grâce à des ouvertures aménagées au travers de celle-ci. On comprendra que le terme "nappe" peut désigner aussi bien une rangée de tubes (habituellement dans un échangeur de chaleur à plusieurs rangées de tubes) qu'une partie des canaux des tubes d'une rangée (habituellement dans le cas d'un échangeur de chaleur à une seule rangée de tubes) .
Cette solution connue nécessite par conséquent une opération supplémentaire pour la réalisation de la ou des ouvertures considérées .
L'invention a notamment pour but de surmonter cet
inconvénient .
Elle vise à proposer une autre solution, beaucoup plus simple, pour permettre le passage du fluide d'un compartiment longitudinal à un autre, sans nécessiter de traverser la cloison longitudinale.
Selon l'invention, cette solution s'applique, à* différents types d' échangeurs de chaleur, qu'il s'agisse d' échangeurs à une seule rangée de tubes, à deux rangées de tubes, ou à plus de deux rangées de tubes .
L'invention propose à cet effet un échangeur de chaleur du type défini précédemment, dans lequel le collecteur comporte au moins une déformation pour former au moins un passage de communication entre le premier compartiment et le deuxième compartiment .
La déformation du collecteur peut présenter différentes formes. Toutefois,, de préférence, elle est constituée par au moins une région en creux qui est éloignée du bord libre de la cloison longitudinale.
Grâce à cette caractéristique, il est possible d'utiliser une cloison longitudinale pleine, ce qui évite de prévoir des outils spéciaux pour perforer ladite cloison.
Ainsi, grâce à un aménagement particulier du collecteur, on forme un passage de communication qui s'étend entre cette région en creux du collecteur et la cloison, ce qui permet au fluide de passer sous la cloison longitudinale, sans la traverser.
Cette solution est particulièrement avantageuse car elle permet de réaliser ce passage de communication par un aménagement du collecteur qui peut être réalisé de façon simple .
Avantageusement, un passage de communication au moins est prévu dans une région d'extrémité des compartiments.
Selon une autre caractéristique de l'invention, un passage de communication au moins délimite une section de passage calibrée .
Cette" calibration. permet "de minimiser les pertes, de_'.charge, du fluide traversant cette section. Dans le cas où le passage de communication est réalisé par plusieurs ouvertures, le calibrage de celles-ci permet aussi de contrôler le débit traversant chaque ouverture. Cela permet d'équilibrer les débits traversant les différents tubes de 1 ' échangeur .
Dans une première forme générale de réalisation de l'invention, le collecteur et la boîte collectrice sont formés de deux pièces séparées .
Dans ce cas, le collecteur est de préférence réalisé sous la forme d'une plaque métallique dans laquelle la région en creux est formée par emboutissage.
Il est avantageux, en ce cas, que la boîte collectrice soit une forme à section constante intégrant la cloison longitudinale. Cette forme peut être obtenue par extrusion ou emboutissage d'un matériau, de préférence métallique, ou par moulage d'un matériau, de préférence d'une matière plastique.
Dans une deuxième forme générale de réalisation de 1' invention, le collecteur et la boîte collectrice sont formés d'une seule pièce. En ce cas, il est avantageux que le collecteur. et la boîte collectrice soient formés à partir d'une tôle métallique ayant une partie centrale formant le collecteur, y compris sa région en creux, et deux parties marginales repliées en direction de la partie centrale pour contribuer à délimiter les compartiments et à former
conjointement la cloison longitudinale.
Dans cette seconde forme de réalisation de l'invention, la région en creux du collecteur est avantageusement formée par emboutissage de la partie centrale de la tôle métallique.
L'invention peut s'appliquer, par exemple, à un échangeur de chaleur comprenant une première . rangée de tubes et " une deuxième rangée de tubes qui débouchent respectivement dans le premier compartiment et dans le deuxième compartiment.
Elle peut s'appliquer aussi, par exemple, à un échangeur de chaleur comprenant une seule rangée de tubes délimitant chacun une pluralité de canaux de circulation de fluide, une première partie et une deuxième partie des canaux de chaque tube débouchant respectivement dans le premier compartiment et dans le deuxième compartiment.
L'invention s'applique en particulier à un échangeur de chaleur dans lequel les tubes sont des tubes plats, l' échangeur comprenant en outre des intercalaires ondulés en contact avec les tubes .
L' échangeur de chaleur de l'invention est avantageusement réalisé sous la forme d'un evaporateur pour un circuit de climatisation de véhicule automobile. Bien entendu, cette application n'est pas limitative, et l' échangeur de chaleur peut être utilisé aussi pour constituer un condenseur de climatisation ou encore un radiateur pour le refroidissement d'un moteur de véhicule automobile, ou encore un radiateur de chauffage d'un l'habitacle de véhicule automobile.
Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue en perspective et partiellement éclatée d'un échangeur de chaleur à deux rangées de tubes selon l'invention ;
- la figure 2 est un détail à échelle agrandie de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue en coupe transversale d'un ensemble collecteur/boîte collectrice selon une autre forme de réalisation de l'invention ;
- la figure 4 est une vue partielle en perspective éclatée d'un échangeur de chaleur à une seule rangée de tubes selon l'invention ; et
- la figure 5 est une vue d'extrémité, à échelle agrandie, de 1 ' échangeur de chaleur de la figure 4.
L' échangeur de chaleur représenté sur la figure 1 comprend un faisceau 10 formé d'une première rangée de tubes 12 qui constitue une première nappe (ici dirigée vers l'avant) et une deuxième rangée de tubes 14 qui constitue une deuxième nappe (ici dirigée vers l'arrière). Ces tubes plats sont disposés parallèlement entre eux, chaque tube d'une première rangée étant aligné avec un tube correspondant de la deuxième rangée. Des intercalaires ondulés 16 formant surfaces d'échange de chaleur sont en contact mécanique et thermique avec les tubes respectifs des deux rangées. Dans l'exemple, les tubes 12 et 14 sont obtenus par extrusion d'un matériau métallique, avantageusement à base d'aluminium, et ils comprennent chacun une multiplicité de canaux intérieurs, que l'on voit mieux sur le détail de la figure 2, pour la circulation d'un fluide. Cet échangeur peut notamment être réalisé sous la forme d'un evaporateur pour un circuit de climatisation, le fluide parcourant les tubes étant alors un fluide réfrigérant .
Les extrémités des tubes 12 et 14 sont reçues d'une part dans un collecteur 18 (ici en partie supérieure) coiffé par une boîte collectrice 20 et d'autre part dans un collecteur 22 (ici en partie inférieure) coiffé par une boîte
collectrice 24. Le collecteur 18 est une plaque métallique de forme générale rectangulaire comprenant un fond généralement plat 26 qui est replié à ses deux extrémités pour former deux rebords dressés 28 et 30.
Le fond 26 du collecteur 18 est percé d'ouvertures de forme appropriée qui reçoivent respectivement les extrémités des tubes ;;12 et 14. Ler fond.'26' du collecteur;;, dépasse du_faisçeau 10 (du côté gauche sur la figure 1) pour former un prolongement dans lequel sont aménagés un orifice d'entrée 32 et un orifice de sortie 34 pour le fluide qui circule dans l' échangeur. Ces deux orifices 32 et 34 sont espacés dans la direction transversale, l'orifice 32 étant situé du côté de la rangée de tubes 12 et l'orifice 34 du côté de la rangée de tubes 14.
La boîte collectrice 20, qui forme couvercle, est constituée ici d'un profilé extrudé, avantageusement en matériau métallique, par exemple à base d'aluminium. Ce profilé est conformé et présente une section constante qui a la forme d'un double U constituée par une première paroi en U 36 située du côté des tubes 12 et d'une deuxième paroi en U 38 située du côté des tubes 14. La jonction entre les deux parois forme une cloison 40 ayant un bord libre 42 propre à venir en contact étanche avec le fond 26 du collecteur dans une région comprise entre la rangée de tubes 12 et la rangée de tubes 14. La zone de contact est désignée par la référence 44.
Lorsque la boîte collectrice 20 est assemblée sur le collecteur 18, l'ensemble délimite deux chambres longitudinales de part et d'autre de la cloison 40, une première chambre communiquant avec les tubes 12 et une deuxième chambre communiquant avec les tubes 14. Ces deux chambres longitudinales sont elles-mêmes divisées, dans la direction de la longueur, par une cloison transversale .46. De la sorte, les deux chambres longitudinales sont divisées en quatre compartiments : un compartiment 48 dans lequel
débouche une partie PI des tubes 12 (constituée ici de quinze tubes) , un compartiment 50 dans lequel débouche une seconde partie P2 des tubes 12 (ici composée de quinze tubes 12) . De façon correspondante, la paroi 38 délimite, conjointement avec la cloison transversale 46, un compartiment 52 dans lequel débouche une partie des tubes 14 (ici au nombre de quinze) et un compartiment 54 dans lequel débouche une' .autre-;' partie des.. tubes..14/ ;.(ici "au nombre ...de.-. quinze) .
La boîte collectrice 24 coiffant le collecteur 22 est analogue à la boîte collectrice 20, ce qui permet d'utiliser le même type de profilé. Cette boîte collectrice délimite ainsi deux chambres longitudinales qui, contrairement à la boîte collectrice supérieure 20, ne sont pas divisées par une cloison transversale .
Dans l' échangeur de la figure 1, le fluide pénètre dans le compartiment 48 par l'orifice d'entrée 32, circule dans les tubes 12 de la partie PI pour gagner une première chambre longitudinale de la boîte collectrice 24 et parvenir aux tubes 12 de la partie P2. De là, le fluide gagne le compartiment 50. Il gagne ensuite le compartiment 52 dans la direction transversale, par des aménagements particuliers qui seront décrits plus loin. Le fluide circule dans une partie des tubes 14 pour gagner la deuxième chambre longitudinale de la boîte collectrice 24 et circuler ensuite dans une autre partie des tubes 14 pour gagner le compartiment 54. Enfin, le fluide quitte l' échangeur par l'orifice de sortie 34.
Comme déjà indiqué, pour permettre la communication du compartiment 50 au compartiment 52, on prévoyait antérieurement des aménagements, c'est-à-dire des ouvertures dans la cloison 40.
L'invention permet d'éviter cette solution grâce à un aménagement particulier du fond 26 du collecteur. Comme on
le voit le mieux sur le détail de la figure 2, le fond 26 du collecteur comprend une région déformée, ici un creux 56 qui a la forme d'une cuvette de contour sensiblement rectangulaire et qui est située du côté du rebord dressé 30. Dans cette région en creux débouchent, dans l'exemple, sept tubes 12 et sept tubes 14. Il en résulte que, dans cette région, le bord libre 42 de la cloison n'est plus au contact avec le " fond _26 du. collecteur, ce "qui" délimite ainsi un passage de communication 58 entre les compartiments 50 et 52 comme illustré par les flèches F sur la figure 2. Le passage de communication 58 offre une section de passage calibrée déterminée entre autres par la distance qui sépare le bord libre 42 de la cloison 40 et la région en creux 56.
L' échangeur des figures 1 et 2 est formé uniquement à partir de composants métalliques susceptibles d'être brasés en une seule opération dans un four de brasage approprié. Pour cela, les composants métalliques sont revêtus d'un plaquage de brasure, comme cela est bien connu dans la technique.
En variante, la boîte collectrice 20 pourrait être sertie sur le collecteur 18 par des moyens appropriés, par exemple par des pattes issues du collecteur et. venant prendre appui sur des rebords de la boîte collectrice. Cette dernière pourrait, en variante, être réalisée en matière plastique.
Il est envisageable aussi de réaliser l'ensemble collecteur 18/boîte collectrice 20 en une seule pièce. Pour cela, comme montré à la figure 3, on peut utiliser une tôle métallique 60 ayant une partie centrale 62 destinée à former le collecteur et deux parties marginales 64 destinées à être repliées en direction de la partie centrale. Ces deux parties marginales ont des bords libres respectifs 66 qui viennent s'appliquer contre la partie centrale 62 pour former conjointement une cloison centrale 40. La partie centrale 62 est déformée, de préférence par emboutissage, pour constituer la région en creux 56 et ainsi le passage de communication 58 faisant communiquer les deux compartiments
adjacents.
Pour réaliser un ensemble collecteur/boîte collectrice de cette façon, on part d'une tôle métallique plane de forme générale rectangulaire. On commence d'abord par former dans la partie centrale les ouvertures de passage des tubes puis on emboutit cette partie centrale, sur une partie de sa longueur,'"..poμr former/; la~ région "en creux..56.. Dans une .étape, ultérieure, les deux parties marginales 64 sont repliées en direction de la partie centrale pour délimiter les compartiments et former conjointement la cloison longitudinale .
L' échangeur de chaleur représenté aux figures 4 et 5 s' pparente à celui des figures 1 et 2 sauf qu'il comporte ici une' seule rangée de tubes 70, ici des tubes plats, entre lesquels sont disposés des intercalaires ondulés 12.
Les tubes 70 sont appelés "tubes multi-canaux" car ils délimitent chacun une pluralité de canaux 72 de circulation de fluide qui s'étendent parallèlement entre eux. Ces tubes sont réalisés par extrusion. Les canaux 72 de chaque tube 70 sont répartis en deux parties NI et N2 qui, dans l'exemple, comprennent le même nombre de canaux. Ces deux parties NI et N2 sont séparées par un intervalle 74, qui se situe sensiblement au milieu du tube, et qui est dépourvu de canaux.
Le collecteur 18 reçoit ici une boîte collectrice 20 analogue à celle des figures 1 et 2. Lorsque cette dernière est appliquée contre le collecteur, le bord libre 42 de la cloison vient reposer sur les intervalles respectifs 74 des tubes 70 qui débouchent dans la région en creux 56. De la sorte, les premières parties NI des tubes 70 et les deuxièmes parties N2 des tubes 70 constituent respectivement deux nappes qui débouchent respectivement dans des compartiments 50 et 52 analogues à ceux décrits précédemment en référence aux figures 1 et 2. Le fluide peut ainsi passer
de la première nappe à la deuxième nappe ou vice versa via la région en creux 56.
On comprendra que l'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation. Chaque ensemble collecteur/boîte collectrice peut être formé de deux parties ou d'une seule partie comme mentionné précédemment . Il est possible aussi de prévoir que 1 ' échangeur .comprenne plus de_ deux -rangées, de tubes et que plusieurs passages de communication soient prévus dans un même ensemble collecteur/boîte collectrice.
L'invention trouve une application particulière aux échangeurs de chaleur pour véhicules automobiles . A ce titre, l'une des applications préférentielles est celui d'un evaporateur pour un circuit de climatisation. Cependant, d'autres échangeurs peuvent être réalisés selon cette technique .
Claims
1. Echangeur de chaleur du type comprenant un collecteur (18) dans lequel sont reçues les extrémités d'au moins une rangée de tubes (12, 14 ; 70), ainsi qu'une boîte collectrice (20) qui coiffe le collecteur et qui présente une. cloison longitudinale "(40) dont un bord libre (42) est- en contact avec le collecteur pour délimiter un premier compartiment (50) et un deuxième compartiment (52) dans lesquels débouchent respectivement au moins une partie des tubes (12, 14 ; 70) ,
caractérisé en ce que le collecteur (18) comporte au moins une déformation (56) pour former au moins un passage de communication (56) entre le premier compartiment (50) et le deuxième compartiment (52) .
2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cloison longitudinale (40) est pleine .
3. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la déformation (56) du collecteur (18) est constituée par au moins une région en creux (56) qui est éloignée du bord libre (42) de la cloison longitudinale (40) .
4. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un passage de communication (56) au moins est prévu dans une région d'extrémité des compartiments (50, 52) .
5. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'un passage de communication (56) au moins délimite une section de passage calibrée (58) .
6. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le collecteur (18) et la boîte collectrice (20) sont formés de deux pièces séparées.
7. Echangeur de chaleur selon la revendication 6, caracté- risé en ce que collecteur (18) est une plaque métallique dans laquelle la région en creux (56) est formée par emboutissage.
8. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la boîte collectrice (20) est une forme à section constante . intégrant la cloison longitudinale (40) .
9. Echangeur de chaleur selon la revendication 8, caracté- risé en ce que la boîte collectrice (20) est formée par extrusion d'un matériau, de préférence métallique.
10. Echangeur de chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la boîte collectrice (20) est formée par emboutissage d'un matériau, de préférence métallique.
11. Echangeur de chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la boîte collectrice (20) est formée par moulage d'un matériau, de préférence d'une matière plastique.
12. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le collecteur (18) et la boîte collectrice (20) sont formés d'une seule pièce.
13. Echangeur de chaleur 'selon la revendication 12, caractérisé en ce que le collecteur (18) et la boîte collectrice (20) sont formés à partir d'une tôle métallique (60) ayant une partie centrale (62) formant le collecteur, y compris sa région en creux (56) , et deux parties marginales (64) repliées en direction de la partie centrale pour contribuer à délimiter les compartiments (50, 52) et à former conjointement la cloison longitudinale (40) .
14. Echangeur de chaleur selon la revendication 13, caractérisé en ce que la région en creux (56) du collecteur est formée par emboutissage de la partie centrale (62) de la tôle métallique (60) .
15. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 14 /./caractérisé ~ en' ce. qu'il comprend"une. première" rangée de tubes (12) et une deuxième rangée de tubes (14) qui débou- chent respectivement dans le premier compartiment (50) et dans le deuxième compartiment (52) .
16. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend une seule rangée de tubes (70) délimitant chacun une pluralité de canaux (72) de circulation de fluide, et en ce qu'une première partie (NI) et une deuxième partie (N2) des canaux de chaque tube débouchent respectivement dans le premier compartiment (50) et dans le deuxième compartiment (52) .
17. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à
16, caractérisé en ce que les tubes (12, 14 ; 70) sont des tubes plats et en ce qu'il comprend en outre des intercalaires ondulés (16) en contact avec les tubes.
18. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à
17, caractérisé en ce qu'il constitue un evaporateur pour un circuit de climatisation, en particulier de véhicule automobile.
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