TITRE DE L'INVENTION : ELEMENTS DE PERTURBATION AVANCES POUR L'AMELIORATION DE LA PERFORMANCE DES TUBES DE RADIATEURS BASSE

TEMPERATURE

Le domaine de la présente invention est celui des échangeurs de chaleur, notamment destinés à équiper les boucles de climatisation des véhicules automobiles ou à refroidir le moteur d'un véhicule.

Les échangeurs de chaleur équipant notamment les boucles de climatisation des véhicules sont agencés pour permettre la circulation adjacente en deux espaces séparés de deux fluides différents, de manière à réaliser un échange de chaleur entre les fluides sans les mélanger. Un type d'échangeur de chaleur utilisé entre autres dans le domaine automobile est l'échangeur à tubes, l'échangeur étant constitué d'un empilement de tubes brasés entre eux et agencés pour définir les espaces où circulent les fluides. Au sein des échangeurs de chaleur et des circuits thermodynamiques auxquels ils sont rattachés, les fluides circulent en dissipant ou en absorbant de l'énergie thermique.

L'efficacité des échangeurs de chaleur et des circuits thermodynamiques est principalement déterminée par les échanges thermiques entre les fluides les parcourant. Il est donc recherché la conception d'échangeurs thermiques dans lesquels les échanges thermiques entre les fluides circulant en leur sein sont optimisés. Dans ce but, on peut notamment viser un brassage de chaque fluide au sein de l'espace dans lequel ce fluide circule, dans le but d'augmenter les échanges thermiques entre les fluides, et il est connu d'équiper les échangeurs de chaleur d'éléments de perturbation de l'écoulement des fluides.

On comprend que pour augmenter le brassage des fluides, il est possible d'augmenter le nombre d'éléments de perturbation et on peut chercher ainsi à les rapprocher les uns des autres. Mais cette solution, si elle permet d'améliorer le brassage et la quantité d'échange thermique, ne répond pas de manière satisfaisante au problème mentionné d'optimiser les échanges thermiques car la multiplication des éléments de perturbation occasionne une perte de charge importante qui limite la circulation des fluides et donc l'efficacité de l'échangeur de chaleur.

Le but de la présente invention est donc de résoudre les inconvénients décrits ci-dessus en concevant un tube pour un échangeur de chaleur agencé pour améliorer l'échange thermique entre les fluides parcourant l'échangeur de chaleur, en limitant notamment les pertes de charge subies par ces fluides. Plus particulièrement, l'invention concerne un tube pour échangeur de chaleur définissant un canal de circulation de fluide, ce canal comportant une première paroi plane, comprenant au moins un élément de perturbation présent sur cette première paroi plane, dans le canal de circulation de fluide, de manière à perturber l'écoulement de ce fluide. L'élément de perturbation comporte notamment une déformation locale de cette première paroi plane du tube vers l'intérieur du tube, l'élément de perturbation comportant une crête présentant une forme de chevron, comprenant deux branches se rejoignant entre elles en un sommet, le ratio de la largeur I de l'élément de perturbation sur la largeur L de la première paroi plane est compris entre 0,6 et 1,0, notamment entre 0,7 et 0,9, idéalement de l'ordre de 0,8.

Selon un des aspects de l'invention, le canal de circulation de fluide a une direction longitudinale, la longueur de ce tube étant définie suivant la direction longitudinale.

Selon un des aspects de l'invention, la crête de l'élément de perturbation comprend une première extrémité libre et une deuxième extrémité libre entre lesquelles s'étend l'élément de perturbation. L'élément de perturbation est formé par deux branches partant chacune d'une des extrémités libres, ces deux branches se rejoignant entre elles en un sommet.

Selon un des aspects de l'invention, la crête est contenue dans un plan parallèle à la première paroi plane, autrement dit, l'altitude de la crête par rapport à la première paroi plane est sensiblement constante tout le long de cette crête.

Selon un des aspects de l'invention, les deux branches formant l'élément de perturbation sont symétrique l'une de l'autre par rapport à un plan de symétrie S, lequel plan S passe par le sommet dudit élément de perturbation et est défini à la fois par la direction longitudinale du canal de circulation de fluide et par une direction perpendiculaire à la première paroi plane.

Selon un des aspects de l'invention, la largeur I de l'élément de perturbation est définie comme la distance entre la première extrémité libre et la deuxième extrémité libre de la crête de l'élément de perturbation.

Selon un des aspects de l'invention, la première paroi plane comporte une première face interne tournée vers le canal de circulation de fluide, cette première face interne présentant une largeur L mesurée suivant une direction perpendiculaire au plan S.

Selon un des aspects de l'invention, le tube comporte une deuxième paroi plane s'étendant suivant la direction longitudinale, cette deuxième paroi plane étant parallèle à la première paroi plane, cette deuxième paroi plane comportant une deuxième face interne tournée vers le canal. Selon un des aspects de l'invention, le tube présente un ratio de la hauteur h des éléments de perturbation sur la hauteur H du canal est compris entre 0,1 et 0,4, notamment entre 0,2 et 0,3.

Selon un des aspects de l'invention, la hauteur h des éléments de perturbation, est la distance entre la première face interne et la crête de l'élément de perturbation, distance définie suivant une direction perpendiculaire à la première paroi plane.

Selon un aspect de l'invention, la hauteur H du canal est la distance entre la première face interne et la deuxième face interne, définie suivant une direction perpendiculaire à la première paroi plane.

Selon un des aspects de l'invention, la hauteur h des éléments de perturbation est comprise entre 0,1 et 0,6 mm, notamment entre 0,2 et 0,5 mm, idéalement 0.325 mm.

Selon un aspect de l'invention, le ratio de la hauteur h des éléments de perturbation sur l'épaisseur e de la première paroi plane (4) est compris entre 0,1 et 4,0, notamment entre 0,5 et 2,5.

Selon un des aspects de l'invention, la première paroi plane comporte une première face externe tournée vers l'extérieur du tube, e étant l'épaisseur de la première paroi plane, mesurée suivant une direction perpendiculaire à la première paroi plane entre la première face interne et la première face externe.

Selon un des aspects de l'invention, les branches formant le chevron forment entre elles un angle compris entre 100° et 140°, notamment entre 110° et 130°, idéalement 120°.

Selon un des aspects de l'invention, le tube comprend des éléments de perturbation additionnels, en plus des éléments de perturbation, et dont la crête a une forme différente de la crête des éléments de perturbation, qu'il s'agisse d'une forme de chevron de dimension différente, de ronds, de rectangles ou d'ovales par exemple, ces formes n'étant pas limitatives.

Selon un des aspects de l'invention, le tube comprend des éléments de perturbation additionnels, en plus des éléments de perturbation, le nombre d'éléments de perturbations additionnels alignés le long d'une direction perpendiculaire à la direction longitudinale et s'étendant le long de la largeur L de la première paroi plane est supérieur à un.

Selon un des aspects de l'invention, les éléments de perturbation additionnels sont intercalés entre deux éléments de perturbation. Autrement dit, le long de la direction longitudinale, chaque élément de perturbation additionnels, ou chaque couple d'éléments de perturbation additionnels, ou chaque trio d'éléments de perturbation additionnels, est intercalé entre deux éléments de perturbation.

Selon un des aspects de l'invention, les éléments de perturbation sont agencés en alternance sur la première paroi plane et sur la deuxième paroi plane. Selon un des aspects de l'invention, les éléments de perturbation additionnels sont agencés en alternance sur la première paroi plane et sur la deuxième paroi plane.

Selon un des aspects de l'invention, deux éléments de perturbation successifs d'une même paroi sont espacés d'un pas compris entre 3 et 10 mm, notamment entre 4 et 7 mm, idéalement 5,6 mm.

Selon un des aspects de l'invention, un élément de perturbation et un élément de perturbation additionnel d'une même paroi sont espacés d'un pas compris entre 3 et 10 mm, notamment entre 4 et 7 mm, idéalement 5,6 mm.

Selon un des aspects de l'invention, un plan de symétrie S, passant par le sommet du chevron, passe au milieu de la largeur L de la première paroi plane.

Selon un des aspects de l'invention, le pas entre, soit deux éléments de perturbation, soit un élément de perturbation et un élément de perturbation additionnel, augmente progressivement le long de la direction longitudinale du tube.

Selon un des aspects de l'invention, les éléments de perturbation sont alignés selon la direction longitudinale du tube.

Selon un des aspects de l'invention, les éléments de perturbation sont issus de matière avec le tube, en d'autres termes, le tube et les éléments de perturbation sont fabriqués à partir du même bloc de matière, l'un ne pouvant être séparé de l'autre sans entraîner la destruction du tube.

Selon un des aspects de l'invention, les éléments de perturbation additionnels sont issus de matière avec le tube, en d'autres termes, le tube et les éléments de perturbation additionnels sont fabriqués à partir du même bloc de matière, l'un ne pouvant être séparé de l'autre sans entraîner la destruction du tube.

Selon un des aspects de l'invention, soit les éléments de perturbation, soit les éléments de perturbation et les éléments de perturbation additionnels, sont fabriqués par emboutissage, estampage ou fabrication additive métallique.

Selon un des aspects de l'invention, le tube comporte une paroi intermédiaire divisant le conduit interne défini à l'intérieur du tube en deux sous-canaux.

Selon un des aspects de l'invention, soit les éléments de perturbation, soit les éléments de perturbation et les éléments de perturbation additionnels, sont agencés sur l'un et l'autre des sous- canaux. Selon un des aspects de l'invention, le ratio de h2/e, h2 étant la hauteur des éléments de perturbation additionnels, mesurée suivant une direction perpendiculaire à la première paroi plane entre la première face interne et la crête de l'élément de perturbation additionnel, la première paroi plane comportant une première face externe tournée vers l'extérieur du tube, e étant l'épaisseur de la première paroi plane, mesurée suivant une direction perpendiculaire à la première paroi plane entre la première face interne et la première face externe, ce ratio est compris entre 0,1 et 4,0, notamment entre 0,5 et 2,5.

Selon un des aspects de l'invention, les éléments de perturbation additionnels ont une hauteur h2 comprise entre 0,2 mm et 0,5 mm, et notamment entre 0,25 et 0,4 mm.

Selon un des aspects de l'invention, l'échangeur de chaleur comprend une pluralité de tubes, connectés entre eux au travers de deux collecteurs, dont l'un au moins est selon l'une quelconque des revendications précédentes, les tubes définissant d'une part en interne un circuit de circulation pour un fluide apte à être perturbé sur son passage par la présence des éléments de perturbation et définissant d'autre part entre eux un espace de circulation pour de l'air.

Les caractéristiques, les variantes et les différentes formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres, selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. On pourra notamment imaginer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites dans la présente description de manière isolée des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore au travers de la description qui suit d'une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés d'autre part, sur lesquels :

La Figure 1 est une représentation schématique, vue de face, d'un échangeur de chaleur constitué d'une pluralité de tubes selon l'invention.

La Figure 2 est une vue en coupe d'un tube selon l'invention, représentée en perspective.

La Figure 3 est une vue en coupe de l'intérieur du tube suivant un plan parallèle à la paroi du tube.

La Figure 4 est une vue de dessus, en coupe, de l'intérieur du tube, suivant un plan parallèle à la paroi du tube, d'un élément de perturbation selon l'invention.

La Figure 5 est une vue en coupe suivant la direction longitudinale d'un tube suivant l'invention. La Figure 6 est une vue en coupe de l'intérieur du tube suivant un plan s'étendant le long de la direction longitudinale et perpendiculaire à la paroi du tube, selon un mode de réalisation de l'invention comprenant plusieurs géométries d'éléments de perturbation.

La Figure 7 est un graphique présentant l'évolution du facteur d'amélioration en fonction du nombre de Reynolds mesurée pour un tube de référence et pour un tube suivant la présente invention.

La Figure 1 montre un échangeur de chaleur 1 selon l'invention, configuré pour équiper la face avant d'un véhicule, notamment pour un véhicule automobile, et pour permettre notamment un échange de calories entre deux fluides, parmi lesquels, à titre d'exemple, un fluide et un flux d'air. L'échangeur de chaleur comprend une pluralité de tubes 2 selon l'invention, au sein desquels circule le fluide. Les tubes 2 sont disposés parallèlement les uns aux autres selon une direction d'empilement E, ici verticale, et délimitent une pluralité de conduits dans lesquels peut circuler le fluide.

L'espace entre deux tubes 2 successifs selon l'invention délimite un espace 110 où peut circuler un flux d'air en vue d'échanger des calories avec le fluide circulant dans les tubes 2. Afin d'augmenter les échanges thermiques entre le fluide et le flux d'air, des dissipateurs 120 en forme d'ailette sont agencés dans l'espace où circule le flux d'air. Ces dissipateurs 120 ont pour rôle d'augmenter la surface de contact avec le flux d'air pour optimiser les échanges de chaleur entre fluide et flux d'air. Afin de faciliter la lecture de la Figure 1 et l'empilement vertical des tubes, les dissipateurs 120 n'ont été représentés que partiellement, étant entendu qu'ils peuvent s'étendre sur toute la dimension longitudinale des tubes entre lesquels ces dissipateurs sont agencés.

Chaque tube 2 selon l'invention est connecté à un premier collecteur 130 et à un deuxième collecteur 140 par l'intermédiaire desquels le fluide est amené à circuler et à alimenter les tubes. Le premier collecteur 130 est agencé pour répartir le fluide entrant dans l'échangeur de chaleur 1 dans les différents tubes 2 constituant ledit échangeur. Le deuxième collecteur 140 est agencé pour collecter le fluide ayant traversé les tubes 2 pour le faire sortir hors de l'échangeur de chaleur 1. Les premier et deuxième collecteurs 130 et 140 sont opposés l'un à l'autre par rapport à l'empilement de tubes 2, chaque tube s'étendant longitudinalement de sorte à être relié à une première extrémité au premier collecteur 130 et à une deuxième extrémité au deuxième collecteur 140.

L'échangeur de chaleur 1 comprend par ailleurs des moyens de mise en relation de ces collecteurs avec un circuit du fluide extérieur à l'échangeur de chaleur 1 et ici non représenté. Le premier collecteur 130 est ainsi connecté à un premier embout de raccordement 150 par lequel le fluide peut entrer dans l'échangeur de chaleur 1, le deuxième collecteur 140 étant connecté à un deuxième embout de raccordement 160 par lequel le fluide peut sortir de l'échangeur de chaleur 1. La Figure 2 présente l'agencement des éléments de perturbation suivant l'invention. Le tube 2 pour échangeur de chaleur 1 définit un canal 100 de circulation de fluide, ce canal ayant une direction longitudinale D. La longueur de ce tube est définie suivant la direction longitudinale D.

Ce tube 2 comporte une première paroi plane 3 s'étendant suivant la direction longitudinale D. Il comprend au moins un élément de perturbation 10 présent sur cette première paroi plane 3, dans le canal 100 de circulation de fluide, de manière à perturber l'écoulement de ce fluide. L'élément de perturbation 10 comporte notamment une déformation locale de cette première paroi plane 3 du tube vers l'intérieur du tube 2.

La Figure 2 illustre également un mode de réalisation selon lequel les éléments de perturbation 10 sont alignés selon la direction longitudinale D du tube 2.

La Figure 3 montre une vue en coupe de tube suivant un plan parallèle à la première paroi plane 3 du tube. La Figure 3 montre ainsi que l'élément de perturbation 10 comporte une crête 20 présentant une forme de chevron. La crête 20 comprend une première extrémité libre 14 et une deuxième extrémité libre 15 entre lesquelles s'étend le chevron.

Le chevron est formé par deux branches 12 et 13, chacune partant d'une des extrémités libres, et ces deux branches se rejoignent entre elles en un sommet 11. La crête 20 est contenue dans un plan parallèle à la première paroi plane 3. Autrement dit, l'altitude de la crête 20 par rapport à la première paroi plane 3 est sensiblement constante tout le long de cette crête 20.

Les deux branches 12 et 13 du chevron sont symétriques l'une de l'autre par rapport à un plan de symétrie S, lequel plan S passe par le sommet 11 et est défini à la fois par la direction longitudinale D du canal 100 de circulation de fluide et par une direction perpendiculaire à la première paroi plane 3.

Le plan S illustré Figure 3 passe à la fois par le sommet 11 du chevron et par le milieu de la largeur L de la première paroi plane 3.

La Figure 4 montre une vue de dessus en coupe, depuis l'intérieur du tube, d'un élément de perturbation 10. La figure illustre la largeur I de l'élément de perturbation 10, mesurée entre la première extrémité libre 14 et la deuxième extrémité libre 15 de la crête 20 en forme de chevron.

La première paroi plane 3 comporte une première face interne 31 tournée vers le canal de circulation de fluide 100, première paroi plane 3 visible sur la Figure 4. Cette première face interne 31 présente une largeur L mesurée suivant une direction perpendiculaire au plan S. Selon un aspect de l'invention, le ratio l/L est compris entre 0,6 et 1,0, notamment entre 0,7 et 0,9. Les branches 12, 13 formant le chevron forment entre elles un angle 40 compris entre 100° et 140°, notamment entre 110° et 130°, notamment 120°.

La Figure 5 présente une vue en coupe suivant la direction longitudinale D d'un tube 2 selon l'invention. Le tube 2 comporte une première paroi plane 3 et une deuxième paroi plane 4 s'étendant suivant la direction longitudinale D. cette deuxième paroi plane 4 est parallèle à la première paroi plane 3. Cette deuxième paroi plane 4 comporte une deuxième face interne 41 tournée vers le canal 100.

La figure illustre une première hauteur h des éléments de perturbation 10, mesurée suivant une direction perpendiculaire à la première paroi plane 3 entre la première face interne 31 et la crête 20 de l'élément de perturbation 10.

La hauteur H du canal 100 est quant à elle mesurée suivant une direction perpendiculaire à la première paroi plane 3 entre la première face interne 31 et la deuxième face interne 41.

Le ratio h/H ainsi défini est compris entre 0,1 et 0,4, notamment entre 0,2 et 0,3.

Le ratio de h/e, h étant la hauteur des éléments de perturbation 10, la première paroi plane comportant une première face externe 32 tournée vers l'extérieur du tube 2, e étant l'épaisseur de la première paroi plane 4, mesurée suivant une direction perpendiculaire à la première paroi plane 3 entre la première face interne 31 et la première face externe 32, ce ratio est compris entre 0,1 et 4,0, notamment entre 0,5 et 2,5.

Selon un des aspects de l'invention, la hauteur h des éléments de perturbation 10 est comprise entre 0,1 et 0,6 mm, notamment entre 0,2 et 0,5 mm.

Le tube illustré Figure 5 comporte une paroi intermédiaire 50 divisant le conduit interne défini à l'intérieur du tube en deux sous-canaux 100, 101.

Le tube comprend des éléments de perturbation additionnels 30, en plus des éléments de perturbation 10, et dont la crête a une forme différente de la crête 20 des éléments de perturbation 10, qu'il s'agisse d'une forme de chevron de dimension différente, de ronds, de rectangles ou d'ovales par exemple, ces formes n'étant pas limitatives.

Le ratio de h2/e, h2 étant la hauteur des éléments de perturbation additionnels 30, la première paroi plane comportant une première face externe 32 tournée vers l'extérieur du tube 2, e étant l'épaisseur de la première paroi plane 4, mesurée suivant une direction perpendiculaire à la première paroi plane 3 entre la première face interne 31 et la première face externe 32, ce ratio est compris entre 0,1 et 4,0, notamment entre 0,5 et 2,5. Les éléments de perturbation 10 et les éléments de perturbation additionnels 30, sont agencés sur l'un et l'autre des sous-canaux 100, 101.

Les éléments de perturbation 10 et les éléments de perturbation additionnels 30 ont respectivement des hauteurs h et h2 comprises entre 0,2 mm et 0,5 mm, et notamment entre 0,25 et 0,4 mm.

La Figure 6 est une vue en coupe de l'intérieur du tube suivant un plan s'étendant le long de la direction longitudinale D et perpendiculaire à la première paroi plane 3 du tube 2, selon un mode de réalisation de l'invention comprenant plusieurs géométries d'éléments de perturbation. Dans le cas de la Figure 6, le tube 2 comprend des éléments de perturbation additionnels 30, en plus des éléments de perturbation 10. La crête 20 de ces éléments de perturbation additionnels 30 a une forme différente des éléments de perturbation 10. La Figure 6 présente des éléments de perturbation additionnels 30 dont la crête 20 a une forme de chevrons de taille réduite. La taille réduite des éléments de perturbation additionnels 30 permet d'en intercaler deux, le long de la largeur L du tube. Selon d'autres modes de réalisation, la crête 20 de ces éléments de perturbations additionnels 30 peuvent être de forme ronde, rectangulaire ou ovale.

Selon un mode de réalisation illustré Figure 6, les éléments de perturbation additionnels 30 sont intercalées entre deux éléments de perturbation 10. Les éléments de perturbation 10 et les éléments de perturbations additionnels 30 sont agencés en alternance sur la première paroi plane 3 et sur la deuxième paroi plane 4, en étant tous agencés à l'intérieur du canal 100 défini entre ces deux parois.

Dans l'exemple illustré Figure 6, un élément de perturbation 10 et un élément de perturbation additionnel 30 d'une même paroi sont espacés d'un pas P compris entre 3 et 10 mm, notamment entre 4 et 7 mm.

Suivant l'un des aspects de l'invention, le pas P entre, soit deux éléments de perturbation 10, soit un élément de perturbation 10 et un élément de perturbation additionnel 30, augmente progressivement le long de la direction longitudinale D du tube 2. Pour l'exemple illustré Figure 6, ce pas P est constant le long de la direction longitudinale D.

Dans l'exemple illustré Figure 6, les éléments de perturbation 10 et les éléments de perturbation additionnels 30 sont issus de matière avec le tube 2. En d'autres termes, le tube 2, les éléments de perturbation 10 et les éléments de perturbation additionnels 30 sont fabriqués à partir du même bloc de matière, l'un ne pouvant être séparé des autres sans entraîner la destruction du tube 2. Les éléments de perturbation 10 et les éléments de perturbation additionnels 30 peuvent être fabriqués par emboutissage, estampage ou fabrication additive métallique. La Figure 7 est un graphique présentant l'évolution du facteur d'amélioration, EHF, en fonction du nombre de Reynolds, RE, mesurée pour un tube de référence DI et pour un tube suivant la présente invention D2. Ces données sont issues de mesures expérimentales. Le facteur d'amélioration est défini comme le ratio du nombre de Nusselt du tube considéré par le nombre de Nusselt du tube de référence DI à nombre de Reynolds équivalent, le tout divisé par le ratio à la puissance 1/3 du facteur de frottement du tube considéré par le facteur de frottement du tube de référence DI à nombre de Reynolds équivalent. Ce coefficient a pour but de comparer l'amélioration de la performance thermique en prenant en compte l'impact sur les pertes de pression engendrées.

Le tube de référence ici utilisé est un tube développé spécifiquement pour les hauts nombres de Reynolds. Le graphique de la Figure 7 montre que le tube selon l'invention présente un facteur d'amélioration supérieur au tube de référence sur toute la plage testée, soit pour des nombres de Reynolds allant de 100 à 1000. Cette amélioration varie suivant les débits entre 20% et 45%.