D'ECHANGE DE CHALEUR ET ECHANGEUR DE CHALEUR

COMPORTANT DE TELS TUBES

La présente invention concerne un tube plat pour la circulation d'un fluide réfrigérant. Elle concerne également un faisceau d'échange de chaleur et un échangeur de chaleur comprenant un empilement de tels tubes.

L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la climatisation des véhicules automobiles, notamment pour la réalisation de condenseurs de fluide réfrigérant.

De manière habituelle, les circuits de climatisation des véhicules automobiles comprennent un compresseur de fluide réfrigérant, qui peut être par exemple du dioxyde de carbone CO ₂ supercritique ou le réfrigérant fluoré connu sous la référence R134a ou encore le fluide référencé 1234YF. En aval du compresseur, le fluide réfrigérant sous pression traverse un échangeur de chaleur appelé « refroidisseur de gaz » (« Gas Cooler ») pour le dioxyde de carbone ou « condenseur » pour le R134a car, dans ce cas, le réfrigérant initialement en phase gazeuse sort du condenseur en phase liquide. Pour simplifier le vocabulaire, on utilisera dans la suite le seul terme de

« condenseur » pour désigner ce type d'échangeur de chaleur.

Le fluide réfrigérant est ensuite conduit vers un détendeur ou un orifice calibré avant de pénétrer dans un évaporateur où se produit alors l'échange de chaleur entre le réfrigérant refroidi et de l'air puisé en direction de l'habitacle du véhicule. Le fluide réfrigérant, réchauffé en sortie de l'évaporateur, est finalement retourné au compresseur pour effectuer un nouveau cycle thermique.

Le fluide caloporteur d'échange de chaleur avec le fluide réfrigérant dans le condenseur peut être de l'air extérieur. Dans ce cas, le condenseur est placé en face avant du véhicule de manière à être traversé par un flux d'air ambiant produit par le déplacement du véhicule ou par un ventilateur. On parle alors de condenseur à air.

Pour des raisons d'encombrement de la face avant du véhicule liées en particulier au problème de la sécurité des piétons, il y a avantage à disposer le condenseur au plus près du moteur lui-même. Dans cette configuration, le fluide caloporteur est de l'eau additionnée d'un antigel, glycol par exemple, circulant dans un circuit basse température à l'aide d'une pompe électrique entre le condenseur et un échangeur de chaleur eau/air extérieur. On parle alors de condenseur à eau. II existe actuellement des condenseurs à eau constitués par un empilement, ou faisceau, de tubes plats à l'intérieur desquels circule le fluide réfrigérant, le fluide caloporteur circulant à contre-courant dans les intervalles séparant deux tubes plats successifs de l'empilement. En général, des éléments intercalaires ondulés appelés « perturbateurs » sont placés entre les tubes plats de manière à favoriser l'échange thermique entre les deux fluides et à servir d'entretoises lors de l'assemblage et le brasage des tubes du faisceau.

En général, les tubes plats utilisés dans les condenseurs à eau sont des tubes métalliques extrudés, le plus souvent en alliage d'aluminium, présentant des micro-canaux de circulation de fluide réfrigérant sous la forme de trous parallèles s'étendant sur toute la longueur des tubes.

Cependant, la mise en œuvre de tubes extrudés présente un certain nombre d'inconvénients.

Ce type de tubes implique en effet des quantités de matière plus grandes liées au fait que le procédé d'extrusion ne permet pas de diminuer les épaisseurs des tubes en dessous d'une certaine limite. Il en résulte un encombrement plus important et un coût plus élevé.

D'autre part, la structure d'un tube plat extrudé est définitivement figée, le nombre, les dimensions et l'espacement des micro-canaux étant définis une fois pour toutes à l'extrusion, sans aucune possibilité de modification.

Enfin, l'assemblage des tubes en faisceau est rendu plus complexe puisqu'il faut rajouter entre les tubes des perturbateurs qui constituent des pièces supplémentaires dont le coût de fabrication, à la presse notamment, est relativement élevé.

Aussi, un but de l'invention est de proposer un tube plat pour la circulation d'un fluide réfrigérant qui permettait de réaliser un faisceau de tubes plus compact, plus économique au niveau des matériaux et des techniques d'assemblage utilisés, et également plus flexible quant à la constitution des micro-canaux de fluide réfrigérant.

Ce but est atteint, conformément à l'invention, grâce à un tube plat pour la circulation d'un fluide réfrigérant, remarquable en ce que ledit tube présente deux parois principales essentiellement planes disposées en regard, au moins une face principale portant une pluralité de protubérances en saillie vers l'extérieur du tube.

On entendra dans la suite par « parois principales » les parois du tube dont la dimension transversale à la direction de circulation du fluide réfrigérant est plus grande que celle des autres parois, appelées « bords latéraux », qui relient les parois principales entre elles.

Ainsi, comme on le verra en détail plus loin, le tube plat selon l'invention a la forme d'un tube creux dont les parois principales, ainsi que les bords latéraux, sont minces, leur épaisseur étant considérablement réduite par rapport à celle des tubes extrudés. En ce sens, l'invention prévoit que le tube selon l'invention est réalisé par pliage d'un feuillard métallique, donc avec un minimum de matière, ce qui le rend moins encombrant et plus économique. Les protubérances peuvent être obtenues par poinçonnage avant pliage du feuillard en tube. D'autre part, du fait que les protubérances faisant saillie sont dirigées vers l'extérieur des tubes, on comprend qu'il n'est nul besoin d'installer des perturbateurs spécifiques dans les intervalles entre deux tubes successifs, les protubérances ainsi intégrées par construction aux parois des tubes faisant office de perturbateurs vis-à-vis de l'écoulement du fluide caloporteur, l'eau glycolée par exemple. Il en résulte un assemblage considérablement simplifié des tubes en faisceau.

Dans le but de créer des canaux ou micro-canaux de circulation du fluide réfrigérant dans les tubes, il est prévu avantageusement que le tube plat selon l'invention comprend au moins un perturbateur, placé entre lesdites parois principales, par exemple réalisé sous la forme d'un intercalaire ondulé de génératrice parallèle à la direction de circulation du fluide réfrigérant dans le tube. Contrairement aux perturbateurs utilisés avec les tubes extrudés connus de l'état de la technique, les perturbateurs introduits dans les tubes plats conformes à l'invention peuvent être réalisés de manière beaucoup plus simple, au moyen d'une molette par exemple. On notera que ce mode de réalisation offre par ailleurs une meilleure flexibilité puisque le pas des ondulations des intercalaires formant les perturbateurs peut être facilement ajusté en fonction des besoins.

Un autre avantage de la présence de perturbateurs à l'intérieur des tubes plats réside dans le fait que les ondulations étant en contact avec les parois principales par leurs génératrices, notamment au niveau du sommet des plis desdites ondulations, les perturbateurs peuvent être brasés sur les tubes et donc offrir une excellente résistance mécanique aux déformations des parois principales susceptibles de se produire sous la pression exercée par le fluide réfrigérant. On sait en effet qu'en sortie du compresseur le fluide réfrigérant peut atteindre des pressions de l'ordre de 25 bars pour le réfrigérant R134a et 130 bars pour le dioxyde de carbone.

Il faut également observer que, vu de l'intérieur des tubes, les protubérances forment des creux sur les parois principales et constituent des moyens de communication entre les ondulations d'un même perturbateur. Le fluide réfrigérant peut donc circuler d'un micro-canal à l'autre au gré des conditions d'écoulement. De cette manière, la répartition de fluide réfrigérant dans les micro-canaux peut être rééquilibrée si elle n'était pas homogène à l'entrée du tube.

Selon un mode de réalisation de l'invention, lesdites protubérances de ladite paroi principale forment un motif régulier de pas donné dans la direction de circulation du fluide réfrigérant dans le tube.

Dans ce cas, il est prévu par l'invention que le motif régulier de protubérances d'une paroi principale du tube se déduit du motif régulier de protubérances de l'autre face principale par une translation d'un demi pas dans la direction de circulation du fluide réfrigérant dans le tube. On évite ainsi, lorsque deux tubes plats sont empilés, que deux protubérances en vis- à-vis ne produisent un étranglement dans l'écoulement du fluide caloporteur entraînant une perte de charge trop importante. A titre d'exemple, ledit motif régulier est un motif en quinconce ou un motif en chevrons.

Toujours à titre d'exemple, les deux parois du tube étant planes, le tube présente une ligne de repliement, située, notamment, le long d'un axe de symétrie de l'une des parois principales de façon à définir deux canaux, éventuellement de section sensiblement identique, de part et d'autre de ladite ligne de repliement. Cette dernière est formée, notamment, par un bord plié à angle droit par rapport à chacune des parties de la face principale portant la ligne de repliement, lesdits bords plies venant face contre face et leur extrémité étant liées à la paroi principale opposée. Ils forment ainsi une jambe de renfort améliorant la résistance du tube à la pression interne.

L'invention concerne également un faisceau d'échange de chaleur entre un fluide réfrigérant et un fluide caloporteur, remarquable en ce que ledit faisceau est constitué par un empilement de tubes plats selon l'invention, lesdits tubes plats définissant des canaux de circulation pour le fluide réfrigérant, et deux tubes plats successifs de l'empilement étant séparés par un intervalle définissant un canal de circulation pour le fluide caloporteur.

Selon l'invention, les tubes plats sont emmanchés à leurs extrémités dans des agrafes planes agencées selon un empilement jointif, lesdites agrafes étant munies d'ouvertures constituant, à une première extrémité des tubes, un canal de distribution du fluide réfrigérant à travers le faisceau et, à une deuxième extrémité des tubes, un canal collecteur dudit fluide réfrigérant en sortie du faisceau.

L'écartement entre les tubes dans un tel faisceau est défini par l'empilement des agrafes. Avantageusement, il est prévu par l'invention que des protubérances d'un tube plat sont en contact avec des protubérances d'un tube plat adjacent. Cette configuration particulière permet de maintenir l'écartement entre deux tubes successifs, de créer des nœuds de vibrations et des points de brasage lors de l'assemblage du faisceau dans un four à braser.

Enfin, l'invention concerne un échangeur de chaleur entre un premier fluide réfrigérant et un fluide caloporteur, remarquable en ce que ledit échangeur comprend un carter de circulation du fluide caloporteur dans lequel est logé un faisceau d'échange de chaleur selon l'invention, ledit carter comprenant, d'une part, une tubulure d'entrée et une tubulure de sortie dudit fluide caloporteur dans le carter, et, d'autre part, une conduite d'entrée et un conduite de sortie du fluide réfrigérant, communiquant respectivement avec ledit canal de distribution et ledit canal collecteur.

La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.

La figure 1 est une vue en perspective d'un tube plat conforme à l'invention.

La figure 1 a est une vue de détail du tube plat de la figure 1.

La figure 1 b est une vue en coupe selon la ligne A-A de la figure 1 d'un empilement de tubes plats conformes à l'invention.

La figure 1 c est une vue en coupe selon la ligne B-B de la figure 1 d'un empilement de tubes plats conformes à l'invention.

La figure 1d est une vue en perspective du tube plat de la figure 1 muni d'agrafes d'extrémité.

La figure 2 est une vue en perspective d'un faisceau de tubes plats conforme à l'invention. La figure 3a est une vue de dessus d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention.

La figure 3b est une vue de face en coupe selon la ligne B'-B' de l'échangeur de chaleur de la figure 3a.

La figure 3c est une vue de côté en coupe selon la ligne A'-A' de l'échangeur de chaleur de la figure 3a.

Sur les figures 1 et 1 a est représenté un tube plat 10 destiné à la circulation d'un fluide réfrigérant dans des échangeurs de chaleur avec un fluide caloporteur, notamment les condenseurs de circuits de climatisation dans les véhicules automobiles.

Comme cela a déjà été mentionné plus haut, le fluide réfrigérant peut être le composé fluoré R134a, le fluide 1234YF ou du dioxyde de carbone CO ₂ , le fluide caloporteur d'échange étant par exemple l'eau de refroidissement du moteur ou d'une boucle secondaire de refroidissement.

Ainsi que le montrent les figures 1 et 1 a, le tube plat 10 présentent deux parois principales planes 11 a, 11 b disposées en regard l'une de l'autre, le tube étant fermé par des bords latéraux 12a, 12b reliant les parois principales. La direction d'écoulement du fluide réfrigérant dans le tube est indiquée par la flèche D.

Sur la figure 1 a plus particulièrement, on peut voir que le tube plat 10 est obtenu par pliage d'un feuillard métallique, de préférence en alliage d'aluminium, la ligne de repliement du feuillard sur lui-même portant la référence 13 sur les figures 1 et 1 a. La paroi principale 11 a portant ladite ligne de repliement 13 est alors formée de deux parties reliées l'une à l'autre au niveau de ladite ligne de repliement. Cette dernière est située, notamment, le long d'un axe de symétrie de l'une des parois principales 11 a.

Le tube 10 présente, par exemple, deux canaux, éventuellement de section sensiblement identique, de part et d'autre de ladite ligne de repliement 13. Cette dernière est formée, notamment, par un bord plié à angle droit par rapport à chacune des parties de la face 11 a portant la ligne de repliement, lesdits bords plies venant face contre face et leur extrémité étant liées à la paroi principale opposée 11 b. Ils forment ainsi une jambe de renfort améliorant la résistance du tube à la pression interne.

A l'intérieur du tube 10, entre les parois principales 11 a, 11 b, est placé un perturbateur 14 réalisé sous la forme d'un intercalaire en alliage d'aluminium conformé à la molette en une série d'ondulations dont les génératrices sont parallèles à la direction D de circulation du fluide réfrigérant. Ce perturbateur 14 peut être inséré dans le tube avant ou après l'opération de pliage du feuillard. De même, il peut être réalisé en une seule pièce ou en deux pièces placées de part et d'autre de la jambe de renfort, dans chacun desdits canaux. Le tube plat 10 ainsi constitué mécaniquement est brasé au cours d'une opération de brasage de l'ensemble des composants de l'échangeur de chaleur auquel sont destinés des tubes plats du type de celui représenté sur les figures 1 et 1 a. On notera qu'à l'issue du brasage le perturbateur 14 se trouve soudé aux parois principales 11 a, 11 b au niveau des lignes de contact des ondulations avec la face interne des parois. De cette manière, le tube 10 présente une excellente résistance mécanique à la pression du fluide réfrigérant dont on a vu plus haut qu'elle pouvait être très élevée s'agissant de tubes pour condenseurs de climatisation.

Comme on peut le voir sur les figures 1 et 1 a, le tube plat 10 comporte sur au moins la paroi principale 11 a des protubérances 15a embouties faisant saillie vers l'extérieur du tube. Ces protubérances sont destinées à créer des turbulences dans l'écoulement du fluide caloporteur circulant dans des canaux constitués par deux tubes plats successifs lorsque ceux-ci sont empilés les uns sur les autres pour former un faisceau. La circulation du fluide caloporteur entre les tubes se fait alors à contre-courant du fluide réfrigérant à l'intérieur des tubes.

Des formes très variées peuvent être données aux protubérances 15a en fonction du niveau de turbulence souhaité pour le fluide caloporteur. Les figures 1 et 1 a montrent des protubérances oblongues, mais ces dernières pourraient également avoir une forme ronde ou allongée, elliptique, etc.

Les mêmes considérations relatives à la turbulence de l'écoulement du fluide caloporteur permettent de déterminer de manière optimale la hauteur des protubérances 15a, ainsi que leur orientation par rapport à la direction D de circulation du fluide réfrigérant dans le tube 10. Sur les figures 1 et 1 a, l'orientation des protubérances 15a est perpendiculaire à la direction D. Cependant, une orientation inclinée par rapport à cette même direction pourrait tout aussi bien être envisagée. D'autre part, concernant la répartition des protubérances 15a sur la paroi 11 a, la figure 1 montre des protubérances formant un motif régulier de pas p dans la direction D de circulation du fluide réfrigérant. Dans l'exemple de la figure 1 , ce motif est en chevrons. Cependant, d'autres motifs peuvent être envisagés, comme un motif en quinconce par exemple.

Bien entendu, la paroi principale 11 b peut également porter des protubérances similaires aux protubérances 15a des figures 1 et 1 a. C'est ce que représentent les figures 1 b et 1 c sur lesquelles on peut voir des protubérances 15a sur la paroi principale 11 a ainsi que des protubérances

15b sur la paroi principale 11 b en regard.

Dans ce cas, un mode de réalisation du tube 10 prévoit que le motif régulier de répartition des protubérances 15b de la paroi principale 11 b se déduit de celui des protubérances 15a de la paroi principale 11 a par une translation d'un demi pas p/2 dans la direction D de circulation du fluide réfrigérant.

La figure 1d montre que le tube plat 10 représenté à la figure 1 est emmanché à chaque extrémité dans des agrafes planes 16a, 16b munies respectivement d'ouvertures 17a, 17b permettant d'introduire le fluide réfrigérant dans le tube et de le recueillir en sortie.

Le faisceau 20 d'échange de chaleur de la figure 2 est constitué d'un empilement de tubes plats 10 équipés de leurs agrafes 16a, 16b respectives, les agrafes étant agencées selon un empilement jointif de sorte que l'ensemble des ouvertures 17a d'entrée forment un canal 18a de distribution de fluide réfrigérant au sein des tubes du faisceau 20. De même, l'ensemble des ouvertures 17b de sortie forme un canal collecteur 18b de fluide réfrigérant après traversée des tubes. Une plaque 19 de base ferme les canaux ainsi formés à une de leurs extrémités. Est également indiquée par la flèche E la direction d'écoulement du fluide caloporteur circulant à contre-courant du fluide réfrigérant entre les tubes plats 10.

Comme cela a été mentionné plus haut, certaines protubérances d'un tube peuvent être localement mises en contact avec des protubérances correspondantes d'un tube adjacent, ceci afin de maintenir constant l'écart entre les tubes, de limiter les vibrations et de constituer des points de brasage. Enfin, on a représenté sur les figures 3a, 3b et 3c un échangeur de chaleur, tel qu'un condenseur de circuit de climatisation, comprenant un carter 30 dans lequel est logé un faisceau 20 de tubes analogue à celui de la figure 2. Le fluide réfrigérant est introduit dans le faisceau 20 par une conduite 31 a d'entrée communiquant avec le canal 18a de distribution et en ressort par une conduite 31 b en communication avec le canal collecteur 18b.

Le fluide caloporteur, l'eau de refroidissement moteur par exemple, est amené dans le carter 30 par une tubulure 32a située à une même extrémité du carter que la conduite 31 b de sortie, de manière à circuler à contre-courant du fluide réfrigérant. Une tubulure 32b de sortie reçoit le fluide caloporteur après traversée du carter 30.

Le faisceau 20 de tubes baigne donc dans un courant de fluide caloporteur circulant entre la tubulure 32a d'entrée et la tubulure 32b de sortie.