ECHANGEUR DE CHALEUR ET ENSEMBLE INTEGRE DE CLIMATISATION COMPRENANT UN TEL ECHANGEUR

La présente invention concerne un échangeur de chaleur pour circuit de climatisation. Elle concerne également une utilisation dudit échangeur de chaleur en tant qu'échangeur interne d'un circuit de climatisation, un ensemble intégré pour circuit de climatisation fonctionnant avec un fluide réfrigérant, et un circuit de climatisation comportant un tel ensemble intégré.

L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des circuits de climatisation fonctionnant avec un fluide réfrigérant supercritique, comme le dioxyde de carbone (CO2).

Les circuits de climatisation de ce type comprennent généralement un compresseur, un refroidisseur de gaz, un échangeur interne, un détendeur, un évaporateur et un accumulateur. Le fluide réfrigérant porté à haute pression par le compresseur est envoyé vers le refroidisseur de gaz pour y être refroidi.

Le fluide à haute pression issu du refroidisseur circule ensuite dans une première branche de l'échangeur interne, puis est détendu par le détendeur. Le fluide à basse pression traverse alors l'évaporateur, puis l'accumulateur avant de circuler dans une seconde branche de l'échangeur interne. Le fluide réfrigérant retourne ensuite vers le compresseur pour subir un nouveau cycle.

Dans l'échangeur interne, le fluide chaud à haute pression circulant dans la première branche échange de la chaleur avec le fluide froid à basse pression circulant dans la seconde branche.

L'accumulateur disposé en sortie de l'évaporateur est prévu pour stocker l'excédent de liquide présent dans le fluide froid à basse pression sortant de l'évaporateur. Cet accumulateur se présente généralement sous la forme d'un réservoir adapté pour séparer la partie liquide du fluide réfrigérant de la partie gazeuse. L'accumulateur envoie la partie gazeuse du fluide réfrigérant à basse température vers le compresseur après avoir traversé l'échangeur interne.

COPIE DE CONFSRMATSON

Parmi les nombreux échangeurs internes connus, on peut citer celui qui, associé à un accumulateur horizontal, constitue l'ensemble intégré décrit dans la demande de brevet français n° 2 752 921. Dans cet ensemble intégré, l'échangeur interne présente une forme générale de spirale. Un écartement est prévu entre les enroulements de l'échangeur interne pour permettre la circulation du fluide froid, tandis que le fluide chaud circule à l'intérieur du tube enroulé en spirale dans des canaux parallèles disposés perpendiculairement à l'axe du tube.

Cette solution implique cependant d'aménager un espace entre chaque enroulement pour créer le canal du fluide à basse pression. Elle génère par conséquent un encombrement diamétral important.

Pour remédier à cet inconvénient, il a été proposé un échangeur de chaleur pour circuit de climatisation, comprenant un tube délimitant un parcours pour la circulation d'un fluide, appelé haute pression, et d'un second fluide, appelé basse pression, le tube étant enroulé autour d'un axe de manière à définir des enroulements successifs.

Il est prévu par ailleurs dans cet échangeur que les enroulements successifs du tube sont étroitement serrés entre eux de manière à délimiter des canaux, dits secondaires, étanches pour la circulation du second fluide, ces canaux secondaires se situant entre des zones saillantes du tube. Le tube présente également des canaux, dits principaux, aménagés dans les zones saillantes, destinés à être traversés par le premier fluide.

Cet échangeur de chaleur connu comporte un noyau interne de forme sensiblement cylindrique placé au centre du tube et constitué de plusieurs éléments imbriqués qui assurent, à la fois, l'enroulement du tube, l'évacuation du premier fluide en sortie des canaux principaux et l'alimentation en second fluide à l'entrée des canaux secondaires.

Toutefois, cette solution nécessite la mise en oeuvre d'un noyau interne relativement complexe. Aussi, un but de l'invention est de proposer un échangeur de chaleur pour circuit de climatisation qui permettrait notamment de simplifier l'architecture de l'échangeur connu précité au niveau de la sortie du premier fluide et de l'entrée du second fluide.

Ce but est atteint, conformément à l'invention, grâce à un échangeur de chaleur pour circuit de climatisation, comprenant un premier tube délimitant un parcours pour la circulation d'un premier fluide, appelé fluide haute pression, ledit premier tube étant enroulé en spirale autour d'un axe, dit axe de l'échangeur, remarquable en ce que ledit échangeur de chaleur comprend en outre au moins un second tube délimitant un parcours pour la circulation d'un second fluide, appelé fluide basse pression, ledit second tube étant accolé à une face du premier tube et enroulé en spirale avec ledit premier tube autour dudit axe. Ainsi, comme on le verra en détail plus loin, du fait que le premier et le second fluides circulent dans des tubes indépendants, il est possible de séparer la sortie du premier tube et l'entrée du second tube et donc de prévoir des moyens indépendants d'évacuation du premier fluide et d'alimentation du second fluide, au lieu d'avoir recours à une pièce complexe unique assurant simultanément ces deux fonctions.

L'invention concerne également une utilisation de l'échangeur de chaleur selon l'invention en tant qu'échangeur interne d'un circuit de climatisation, remarquable en ce que ledit premier fluide est un fluide à haute pression et ledit second fluide un fluide à basse pression. En particulier, lesdits premier et second fluides sont constitués par un même fluide réfrigérant, notamment un fluide supercritique.

Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit premier tube comporte une pluralité de canaux principaux parallèles délimitant chacun un parcours de circulation du premier fluide en spirale autour de l'axe de l'échangeur. Avantageusement, lesdits canaux principaux présentent une section sensiblement circulaire pour une meilleure résistance à la pression du premier tube dans lequel circule le premier fluide à haute pression.

De même, l'invention prévoit que ledit second tube comporte une pluralité de canaux secondaires parallèles délimitant chacun un parcours de circulation du second fluide en spirale autour de l'axe de l'échangeur. Avantageusement lesdits canaux secondaires présentent une section sensiblement rectangulaire pour une meilleure surface d'échange de chaleur

entre le second fluide à basse pression circulant dans le second tube et le premier fluide à haute pression circulant dans le premier tube.

Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'échangeur de chaleur comprend deux seconds tubes accolés respectivement à une face du premier tube.

Ce mode de réalisation permet en effet d'obtenir, grâce à l'augmentation des sections de passage offertes au second fluide, une diminution de la perte de charge dans la seconde branche de l'échangeur, celle dans laquelle circule le second fluide à basse pression. Bien entendu, l'invention reste néanmoins ouverte à un nombre quelconque de seconds tubes de circulation du second fluide à basse pression.

L'invention concerne en outre un ensemble intégré pour circuit de climatisation fonctionnant avec un fluide réfrigérant, remarquable en ce que ledit ensemble intégré comporte un boîtier dans lequel est logé un échangeur interne selon l'invention, entre un couvercle et un fond, ledit fond étant muni d'un orifice d'entrée du second fluide à l'intérieur des enroulements constitués par lesdits premier et second tubes, et en ce que ledit boîtier comporte une tubulure secondaire de sortie du second fluide, parallèle à l'axe de l'échangeur et comportant une ouverture de sortie.

Selon un mode de réalisation particulier, l'ensemble intégré selon l'invention comporte une tubulure secondaire d'entrée dudit second fluide, parallèle à l'axe de l'échangeur et dont une extrémité communique avec ledit orifice de sortie à travers ledit fond. Dans ce mode de réalisation particulier, l'invention prévoit notamment que ledit ensemble intégré comporte un accumulateur raccordé au fond dudit ensemble intégré, dans lequel débouche ladite tubulure secondaire d'entrée de manière à communiquer avec ledit orifice de sortie.

Selon une première variante, les tubulures principales et les tubulures secondaires sont agencées pour réaliser une circulation du premier fluide dans le premier tube à co-courant avec la circulation du second fluide dans le second tube.

Selon une deuxième variante, les tubulures principales et les tubulures secondaires sont agencées pour réaliser une circulation du premier fluide dans le premier tube à contre-courant avec la circulation du second fluide dans le second tube. L'invention concerne enfin un circuit de climatisation fonctionnant avec un fluide réfrigérant, comprenant un compresseur, un refroidisseur de gaz, un détendeur et un évaporateur, remarquable en ce que ledit circuit de climatisation comporte un élément intégré selon l'invention, la tubulure principale d'entrée étant reliée au refroidisseur de gaz et la tubulure principale de sortie étant reliée au détendeur, tandis que la tubulure secondaire d'entrée est reliée à l'évaporateur et la tubulure secondaire de sortie est reliée au compresseur.

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 un schéma d'un circuit de climatisation conforme à l'invention.

La figure 2 est une vue en perspective éclatée d'un ensemble intégré pour le circuit de climatisation de la figure 1. La figure 3 est une vue de dessus de l'ensemble intégré de la figure 2.

La figure 4 est une vue schématique en perspective du dispositif d'échange de chaleur de l'ensemble intégré des figures 2 et 3.

Sur la figure 1 est représenté un circuit 10 de climatisation fonctionnant avec un fluide réfrigérant, en particulier un fluide réfrigérant supercritique, par exemple du dioxyde de carbone (CO2).

Le circuit 10 de climatisation peut être installé dans un véhicule automobile pour refroidir l'air de l'habitacle, en fonction des besoins des passagers.

Un tel circuit de climatisation fonctionnant selon un cycle réfrigérant supercritique comprend pour l'essentiel un compresseur 14, un refroidisseur de gaz 11 associé à un ventilateur 16, un échangeur interne 9 de chaleur, un détendeur 12, un évaporateur 13, et un accumulateur 17.

Le compresseur 14 comprime le fluide réfrigérant jusqu'à une pression de décharge, dite haute pression. Le fluide traverse ensuite le refroidisseur de gaz 11 où il subit un refroidissement en phase gazeuse sous haute pression. Au cours de ce refroidissement, le fluide n'est pas condensé contrairement aux circuits de climatisation qui utilisent des composés fluorés comme fluide réfrigérant.

Le fluide ainsi refroidi par le refroidisseur de gaz 11 circule ensuite dans une première branche 90 de l'échangeur interne 9 de chaleur, dite branche "chaude", pour y être encore refroidi. Le fluide passe ensuite dans le détendeur 12 qui abaisse sa pression, en l'amenant au moins en partie à l'état liquide.

Le fluide traversant l'évaporateur 13 passe alors à l'état gazeux sous pression constante. L'échange de chaleur dans l'évaporateur 13 permet de produire un flux d'air climatisé qui est envoyé vers l'habitacle du véhicule. Généralement, le fluide réfrigérant qui sort de l'évaporateur n'est pas entièrement vaporisé. L'accumulateur 17 est prévu en sortie de l'évaporateur 13 pour stocker l'excédent de liquide encore contenu dans le fluide. Les accumulateurs classiques se présentent sous la forme d'un réservoir adapté pour séparer la partie liquide du fluide réfrigérant de la partie gazeuse. L'accumulateur 17 envoie ensuite la partie gazeuse du fluide réfrigérant à basse température dans une seconde branche 92 de l'échangeur interne 9 de chaleur, dite branche "froide", pour un échange de chaleur avec le fluide réfrigérant à haute température circulant dans la branche "chaude" 90.

Comme l'indique la figure 1 , l'accumulateur 17 et l'échangeur interne 9 de chaleur peuvent être réunis en un seul composant 100. On parle alors d'« ensemble intégré ».

La figure 2 montre un tel ensemble intégré 100 comprenant, dans un même boîtier 130, un accumulateur 17 surmonté d'un échangeur interne 9 de chaleur. L'échangeur interne 9 de la figure 2 est essentiellement organisé autour d'un dispositif 140 d'échange de chaleur entre le fluide haute pression et le fluide basse pression.

Conformément à la figure 3, ce dispositif 140 comprend un premier tube 110 qui délimite un parcours pour la circulation du fluide à haute pression, ce premier tube 110 étant enroulé en spirale autour d'un axe A qui sera dénommé dans la suite axe de l'échangeur. Le dispositif 140 d'échange de chaleur comprend en outre deux seconds tubes 120a, 120b délimitant chacun un parcours pour la circulation du second fluide à basse pression. Ces seconds tubes sont accolés à une face respective du premier tube 110 et enroulés en spirale simultanément avec ledit premier tube autour de l'axe A de l'échangeur interne 9. A chaque en roulement, la paroi interne du second tube interne 120a peut venir en contact avec la paroi externe du second tube externe 120b. Le fluide réfrigérant est identique dans le premier tube 110 et dans le deuxième tube 120a, 120b à l'exception de son niveau de pression. En effet, ce fluide est soumis à une pression (dite haute pression) dans le premier tube 110 supérieure à la pression (dite basse pression) du fluide dans le deuxième tube 120a, 120b.

En d'autres termes, le premier tube 110 haute pression est pris « en sandwich » entre les deux seconds tubes 120a, 120b basse pression de sorte à favoriser une échange entre le fluide haute pression et le fluide basse pression. La manière dont sont disposés les différents tubes les uns par rapport aux autres au sein du dispositif 140 d'échange de chaleur est également illustrée sur la figure 4.

En pratique, les tubes 110, 120a, 120b peuvent être extrudés et accolés entre eux par brasage ou collage. La circulation du fluide à haute pression dans le premier tube 110 est assurée par une pluralité de canaux principaux parallèles délimitant chacun un parcours de circulation du fluide à haute pression en spirale autour de l'axe A de l'échangeur. Ces canaux principaux sont contenus dans des plans successifs perpendiculaires à l'axe A. Bien qu'ils ne soient pas représentés sur les figures, on trouvera dans la demande de brevet français n° 2 752 921 une description d'une structure de tels canaux principaux.

Avantageusement, lesdits canaux principaux présentent une section sensiblement circulaire, ceci afin d'offrir une meilleure résistance à la pression.

Cette même structure de canaux peut également être mise en œuvre pour réaliser dans chaque second tube 120a, 120b des canaux secondaires délimitant chacun un parcours de circulation du fluide à basse pression en spirale autour de l'axe A de l'échangeur, ces canaux principaux étant contenus dans des plans successifs perpendiculaires à l'axe A.

Avantageusement, lesdits canaux secondaires présentent une section sensiblement rectangulaire, ceci afin, d'une part, d'offrir une plus grande surface d'échange de chaleur avec le premier tube 110 et, d'autre part, de réduire la perte de charge le long du parcours suivi par le fluide à basse pression en rendant maximum la section utile de passage du fluide à travers les seconds tubes 120a, 120b.

Ainsi que le montrent plus particulièrement les figures 3 et 4, les extrémités des canaux principaux du premier tube 110 s'étendent entre une tubulure principale 111 d'entrée apte à recevoir le fluide à haute pression provenant du refroidisseur de gaz 11 du circuit de climatisation, et une tubulure principale 112 de sortie apte à délivrer le fluide à haute pression à l'extérieur de l'échangeur, notamment vers le détendeur 12 du circuit de climatisation. Ces tubulures principales 111 , 112 ont une forme sensiblement cylindrique d'axe parallèle à l'axe A de l'échangeur et présentent respectivement une ouverture 113, 114, représentée sur les figures 3 et 4, apte à recevoir l'une des extrémités du premier tube 110.

Les tubulures principales 111 , 112 ne sont pas en contact avec les faces internes ou externes des seconds tubes 120a, 120b.

En pratique, les tubulures principales 111 , 112 sont brasées ou collées aux extrémités du premier tube 110. De même, on peut voir sur les figures 2 et 4 que les tubulures principales 111 , 112 sont obturées à l'une de leurs extrémités par des bouchons 115, 116, ces derniers sont réalisés par l'intermédiaire d'obturateur rapporté ou directement intégré à la tubulure 111 ou 112 par exemple par un pliage et un brasage de l'extrémité. Comme on peut le voir sur les figures 2 et 3, le dispositif 140 d'échange de chaleur muni des tubulures principales 111 , 112 est logé à l'intérieur du boîtier 130 entre un couvercle 150 et un fond 160. Dans cet espace sont

également logées des tubulures secondaires 121 , 122 destinées à contrôler la circulation du fluide à basse pression dans l'échangeur interne 9.

Plus précisément, il est prévu une tubulure secondaire 121 d'entrée du fluide à basse pression, parallèle à l'axe A de l'échangeur, destinée à recevoir s le fluide à basse pression provenant de l'évaporateur 13 du circuit de climatisation, et à le faire passer dans l'accumulateur 17 en traversant le fond 160 de l'échangeur. Le fluide à basse pression débarrassé de sa phase liquide ressort de l'accumulateur 17 par un orifice 161a, 161b d'entrée du fluide à basse pression dans le dispositif 140 d'échange de chaleur, ào l'intérieur des enroulements constitués par le premier tube 110 et les seconds tubes 120a, 120b.

Après avoir circulé dans les deux seconds tubes 120a, 120b et y avoir échangé de la chaleur avec le fluide à haute pression circulant dans le premier tube 110, le fluide à basse pression débouche des canaux secondaires dans5 le boîtier 130 où il est recueilli par une tubulure secondaire 122 de sortie munie d'une ouverture 123. Le fluide à basse pression est ensuite entraîné à travers la tubulure secondaire 122 de sortie à l'extérieur de l'échangeur en direction du compresseur 14 du circuit de climatisation.

Dans le mode de réalisation de la figure 2, le fond 160 comprend deux0 plaques 160a, 160b.

La plaque 160a, dite plaque supérieure de fond, comporte des trous 163a, 164a sur lesquels sont brasées respectivement la tubulure secondaire 122 de sortie du fluide à basse pression et la tubulure principale 111 d'entrée du fluide à haute pression. Un autre trou référencé 162a est pratiqué dans las plaque supérieure de fond 160a au travers duquel passe la tubulure secondaire 121 d'entrée du fluide à basse pression. Au niveau de ce trou, deux variantes sont possibles : l'une dans laquelle la tubulure secondaire 121 est brasé sur la plaque 160a au niveau du trou et une autre ou la tubulure secondaire 121 n'est pas reliée mécaniquement à la plaque 160a. Un autre0 trou 161a situé sensiblement au centre des enroulements des tubes participe à l'orifice 160 d'entrée du fluide à basse pression dans le dispositif 140 d'échange de chaleur.

La plaque 160b, dite plaque inférieure de fond, comporte un trou 162b pour le passage de la tubulure secondaire 121 d'entrée du fluide à basse pression, un trou 164b pour le logement du bouchon 115 de la tubulure principale 111 d'entrée du fluide à haute pression et un trou 161b constituant avec le trou 161a de la plaque supérieure 160a de fond l'orifice 160 du fluide à basse pression. La tubulure secondaire 122 de sortie du fluide à basse pression vient simplement en appui contre la plaque inférieure 160b de fond.

De même, le couvercle 150 de l'échangeur est constitué de deux plaques référencées 150a, 150b. La plaque 150a, dite plaque inférieure de couvercle, comporte quatre trous 151a, 152a, 153a, 154a sur lesquels sont respectivement brasées la tubulure principale 112 de sortie du fluide à haute pression, la tubulure secondaire 121 d'entrée du fluide à basse pression, la tubulure secondaire 122 de sortie du fluide à basse pression, et la tubulure principale 111 d'entrée du fluide à haute pression.

La plaque 150b, dite plaque supérieure de couvercle, permet de lier les entrées/sorties des fluides à haute et basse pression de l'échangeur interne 9 aux entrées/sorties correspondantes côté utilisateur qui sont localisées sur un bouchon 170 pouvant être fixé sur des plots 151b, 152b de la plaque supérieure 150b de couvercle au moyen de vis traversant des trous 171 , 172 du bouchon 170. En variante, le lien entre le bouchon 170 et la plaque supérieure 150b est effectué par un brasage au niveau des plots 151b et 152b.

On peut voir sur l'exemple de réalisation de la figure 3 que le fluide à haute pression et le fluide à basse pression circulent dans leur tube respectif à contre-courant. Il est cependant possible d'envisager une circulation à co- courant. Il suffit pour cela d'inverser les rôles des tubulures principales 111 , 112 et de faire pénétrer le fluide à haute pression dans le premier tube 110 par la tubulure principale 112 et le récupérer en sortie du premier tube 110 par la tubulure principale 111.

L'accumulateur est une pièce distincte reliée mécaniquement avec le fond 160 de l'ensemble intégré. En variante, c'est l'accumulateur qui délimite le boîtier 130 de l'ensemble intégré, ce boîtier présentant la forme d'une cuve

où la partie basse délimite une chambre de réception du fluide soumis à basse pression, cette partie basse se prolongeant au droit de l'échangeur interne pour se terminer par une zone de chevauchement avec le bouchon 170, ce dernier rentrant dans l'accumulateur. On comprend donc que l'ensemble intégré selon l'invention est alors soit disposé et connecté au dessus de l'accumulateur, soit complètement intégré dans l'accumulateur.

La description ci-dessus identifie un premier fluide et un second fluide mais il est apparent que dans une forme préférée de l'invention, ce fluide est identique et circule en boucle fermée dans ce qui constitue le circuit de climatisation selon l'invention.