EP1676088B1

EP1676088B1 - Élément de circuit hydraulique pour échangeur de chaleur , et échangeur de chaleur ainsi obtenu

Info

Publication number: EP1676088B1
Application number: EP04787454.0A
Authority: EP
Inventors: Jérôme GENOIST; Carlos Da Silva
Original assignee: Valeo Thermique Moteur SA
Current assignee: Valeo Thermique Moteur SA
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2024-09-27
Also published as: WO2005031237A3; EP1676088A2; FR2860288A1; FR2860288B1; WO2005031237A2; PL1676088T3

Description

L'invention concerne un élément de circuit pour un échangeur de chaleur, notamment un échangeur de chaleur destiné à l'équipement d'un véhicule automobile.
Plus précisément, elle concerne un élément de circuit pour l'échange de chaleur entre un premier fluide et un second fluide, définissant un parcours pour le premier fluide.
Elle concerne également des échangeurs de chaleur obtenus à partir de ces éléments de circuit, et plus particulièrement, des échangeurs de chaleurs capables de résister à de fortes pressions.
De tels échangeurs sont couramment constitués d'un faisceau de tubes parallèles montés entre deux boîtes collectrices, les tubes alternant avec des intercalaires par exemple de type ondulé. On connaît également des échangeurs constitués d'un tube unique replié en forme de serpentin. Ces échangeurs ont de nombreuses applications et peuvent notamment être utilisés comme condenseurs dans des circuits de climatisation de véhicules automobiles ou comme refroidisseurs d'huile.
Toutefois, ces échangeurs connus présentent de nombreux inconvénients. En ce qui concerne la technologie d'échangeurs à tubes et à boîtes collectrices, ces dernières augmentent la taille des échangeurs sans augmenter leurs performances. Les boîtes collectrices ne permettent pas d'améliorer l'échange thermique et entraînent une perte de place.
D'autre part, l'échangeur doit être obligatoirement de forme rectangulaire à cause de la présence des boîtes collectrices. En outre, pour créer des passes dans l'échangeur, il est nécessaire d'ajouter et d'intégrer des pièces supplémentaires, les cloisons, dans les boîtes collectrices.
La fabrication de ces échangeurs est en outre difficile car il est nécessaire de poinçonner et de crever les plaques collectrices. Il est délicat d'enfiler dès tubes de petite épaisseur dans un collecteur -de grandes dimensions avec de faibles tolérances. La fabrication de ces échangeurs est de plus coûteuse car les composants sont réalisés par usinage de matière.
Les échangeurs à serpentin ne permettent pas de réaliser des passes. Leur fabrication est longue parce qu'elle est difficile à industrialiser. Il faut beaucoup de temps pour fabriquer un serpentin avec une machine. En conséquence les échangeurs fabriqués avec cette technologie ont un coût de revient plus élevé que les échangeurs à tubes et à boîtes collectrices.
US 6196304 B1 propose un échangeur de chaleur comportant un empilement d'éléments de circuit. Chaque élément de circuit comporte un tube et deux éléments d'écartement qui chevauchent les extrémités des tubes. Les extrémités de chaque tube sont au préalable écrasées et soudées de sorte que le fluide qui traverse chaque tube ne peut entrer ou sortir que par des ouvertures transversales réalisées dans des zones d'extrémité du tube, et non par les extrémités fermées du tube. Chaque élément d'écartement est obtenu à partir d'une bande de tôle repliée pour former deux branches. Les branches de chaque élément d'écartement peuvent comporter un passage transversal conformé pour être en regard de l'ouverture du tube dans la zone d'extrémité correspondante, ce qui forme un passage de communication.
Le premier fluide peut ainsi s'écouler d'un tube donné à un tube adjacent grâce à ce passage de communication.
Les éléments d'écartement qui chevauchent les extrémités d'un tube donné sont en contact avec les éléments d'écartement qui chevauchent les extrémités des tubes adjacents, et imposent ainsi un écartement entre deux tubes adjacents pour former un passage pour le deuxième fluide. Cet écartement permet en outre de placer un intercalaire dans le conduit de passage pour améliorer l'échange thermique.
Cette structure n'a pas les inconvénients précités des échangeurs à collecteur ou à serpentin. Elle est toutefois coûteuse en raison de la nécessité d'écraser et de souder les extrémités du tube. Par ailleurs, les éléments d'écartement ne permettent pas d'utiliser un tube aux extrémités ouvertes dans la mesure où ils ne sont pas prévus pour empêcher le premier fluide de s'échapper suivant la direction axiale du tube.
FR 2834336 A propose un échangeur comprenant également un empilement d'éléments de circuit. Chaque élément de circuit comporte au moins un tube et au moins un embout à l'une des extrémités du tube. L'embout comporte au moins un passage de communication qui définit le parcours d'un premier fluide. Cet embout n'a pas les inconvénients de l'élément d'écartement proposé par US 6196304 B1 , dans la mesure où il comporte un fond pour empêcher le fluide de s'échapper suivant la direction axiale du tube, ce qui permet l'utilisation d'un tube ayant des extrémités ouvertes (c'est-à-dire non écrasées et non soudées).
Toutefois, chaque embout conforme à FR 2834336 A comporte au moins un bossage de forme générale tronconique. Les bossages en regard de deux éléments de circuit adjacents sont en appui et définissent donc l'écartement entre deux tubes adjacents. Par suite, le pas entre deux tubes adjacents de l'échangeur est augmenté par la présence des bossages, -et les performances de l'échangeur ne sont pas optimales. De plus, un tel échangeur est peu résistant aux hautes pressions car les bossages peuvent se déformer.
La présente invention a pour objet un élément de circuit hydraulique pour un échangeur de chaleur qui remédie à ces inconvénients connus de l'art antérieur.
A cet effet, l'invention propose un élément de circuit hydraulique, pour l'échange de chaleur entre un premier fluide et un second fluide, définissant un parcours pour le premier fluide. L'élément de circuit comprend au moins un tube ayant au moins une extrémité ouverte et un embout apte à accueillir une unique extrémité de tube, l'embout comprenant un fond obturant ladite extrémité et une paroi latérale entourant le tube au voisinage de ladite extrémité. La paroi latérale comporte au moins une ouverture en communication avec une ouverture latérale du tube pour contribuer à définir le parcours du premier fluide. La paroi latérale de l'embout s'applique étroitement sur le tube par toute sa surface.
Des caractéristiques optionnelles de l'élément de circuit selon l'invention, complémentaires ou de substitution, sont énoncées ci-après:

chaque embout est constitué d'une bande de tôle emboutie pour former le fond et repliée pour former deux branches, la paroi latérale comprenant les branches.
Les deux branches de chaque embout sont d'égale longueur.
Les deux branches de chaque embout sont de longueur inégale.
Les branches ont une surface généralement plate.
le ou lesdits tubes sont généralement plats.
chaque tube comporte des canaux multiples.
L'élément de circuit comprend un tube unique comportant un embout terminal à chacune de ses extrémités.
L'élément de circuit est constitué de plusieurs tubes, un embout intermédiaire étant présent entre deux tubes successifs.
L'élément de circuit selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il présente une forme rectiligne.
L'élément de circuit présente une forme générale brisée.

L'invention propose en outre un échangeur de chaleur, notamment pour un véhicule automobile, comprenant un empilement d'éléments de circuit selon l'une des caractéristiques précédentes communiquant entre eux par l'intermédiaire des ouvertures des embouts pour permettre un passage du premier fluide entre les éléments de circuit.
Des caractéristiques optionnelles de l'échangeur de chaleur selon l'invention, complémentaires ou de substitution, sont énoncées ci-après:

Les éléments de circuit viennent en contact par les branches de leurs embouts respectifs lorsqu'ils sont empilés, de telle sorte que les branches d'un élément -de circuit reposent sur les branches des éléments de circuit adjacents.
L'échangeur de chaleur contient un fluide réfrigérant en tant que premier fluide et le liquide de refroidissement en tant que deuxième fluide.
L'échangeur de chaleur contient un fluide réfrigérant en tant que premier fluide et en tant -que deuxième fluide.
Ledit fluide réfrigérant est le fluide R744.
L'échangeur de chaleur continent l'huile en tant que premier fluide et le liquide de refroidissement en tant que deuxième fluide.
Le pas p_tube qui sépare les tubes respectifs de deux éléments de circuit adjacents est égal à 2*e_branche + e_tube, où e_branche désigne l'épaisseur d'une branche d'un embout et e_tube désigne l'épaisseur du tube.
L'échangeur de chaleur comporte deux plaques latérales brasées sur l'empilement d'éléments de circuit.
L'échangeur comporte un boîtier extérieur dans lequel est agencé l'empilement d'éléments de circuit.
Le boîtier extérieur est constitué d'éléments de boîtiers brasés ensemble.
Les éléments de boîtier comprennent des demi-coquilles, et deux couvercles soudés sur les extrémités formées par les demi-coquillés.
Le boîtier extérieur est une pièce moulée en matière plastique dans laquelle est placé l'empilement d'éléments de circuit brasé.
L'échangeur de chaleur comprend un turbulateur agencé dans l'espace délimité par deux éléments de circuits adjacents.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés sur lesquels:

la figure 1 est une vue d'un échangeur à tubes et à boîtes collectrices conforme à l'art antérieur;
la figure 2 est une vue d'un échangeur à serpentin conforme à l'art antérieur;
la figure 3 est une vue en perspective d'un échangeur conforme à la présente invention;
la figure 4a est une vue partielle en perspective de la partie droite de l'échangeur représenté sur la figure 3;
la figure 4b est une vue en perspective d'un élément -de circuit de l'échangeur représenté sur la figure 3;
les figures 5 à 7 sont des vues diverses qui représentent des étapes de repliement d'une bande de tôle pour former un embout conforme à l'invention;
la figure 8a est une vue en perspective de l'extrémité d'un exemple de tube comportant une ouverture de communication;
la figure 8b est une vue en coupe longitudinale de l'extrémité d'un élément de circuit conforme à l'invention;
les figures 9 et 10 sont des vues diverses qui représentent des étapes de repliement d'une bande de tôle pour former un embout comportant des branches de longueurs inégales ;
les figures 11 à 13 sont des vues partielles en perspective d'un échangeur conforme à la présente invention;
les figures 14 à 16 sont des vues en perspective d'un échangeur selon un premier mode de réalisation de l'invention;
les figures 17 à 19 sont des vues en perspective d'un échangeur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention; et
les figures 20 et 21 sont des vues en perspective de variantes de tubes.

Les dessins contiennent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la description, mais aussi contribuer à la définition de l'invention, le cas échéant.
On a représenté sur la figure 1 un échangeur de chaleur de type classique comportant un faisceau de tubes plats intercalés entre deux boîtes collectrices. Le faisceau 2 est formé d'une multiplicité de tubes plats 4 disposés parallèlement les uns aux autres et alternant avec des intercalaires ondulés 6. Ces intercalaires sont formés à partir d'un feuillard métallique qui est déformé pour constituer des ondulations. Un intercalaire 6 est disposé entre deux tubes adjacents 4 et vient au contact respectif de ces deux tubes 4 par des régions d'extrémité des ondulations.
Les tubes 4 du faisceau sont insérés, à chacune de leurs extrémités, dans des ouvertures réalisées dans des plaques collectrices 8, également appelées collecteurs. Les plaques collectrices 8 sont fermées par un couvercle 9 pour constituer des boîtes collectrices 10, par exemple des boîtes à liquide de refroidissement ou à air.
Pour permettre le montage des tubes 4 il est nécessaire de poinçonner les plaques collectrices 8 et/ou de les crever. Le montage des tubes n'est pas une opération aisée.
La présence des boîtes collectrices 10 augmente la taille de l'échangeur sans augmenter ses performances.
Pour créer des passes dans l'échangeur, il est nécessaire d'intégrer des cloisons 12 qui divisent les boîtes collectrices 10 en chambres séparées.
On a représenté sur la figure 2 un autre type connu d'échangeur, à savoir un échangeur à serpentin. L'échangeur est constitué d'un tube unique 14 replié en forme de serpentin. Des intercalaires ondulés 6 peuvent être disposés entre les allers et retours du serpentin. Un échangeur de ce type est plus simple que l'échangeur à faisceau de tubes et à boîtes collectrices représenté sur la figure 1. Il comporte moins de pièces. Toutefois l'industrialisation de sa fabrication est délicate et au total, un échangeur à serpentin revient plus cher à fabriquer qu'un échangeur à faisceau de tubes et à boîtes collectrices. En outre, un échangeur de ce type ne peut pas être aménagé de manière à comporter des passes.
Les échangeurs décrits ci-dessus doivent être de plus renforcés pour une utilisation avec des fluides à haute pression, notamment des pressions supérieures à 100 bars. Ce renforcement est souvent réalisé par des composants obtenus par usinage de matière (par exemple des boîtes collectrices), ce qui est coûteux.
On a représenté sur la figure 3 une vue extérieure en perspective d'un échangeur de chaleur conforme à la présente invention et sur la figure 4 une vue en coupe de la partie droite.
L'échangeur de chaleur est constitué par des éléments de circuit 20 empilés.
La figure 4b représente un élément de circuit conforme à l'invention. Chaque élément de circuit 20 est constitué d'un tube 22 ayant deux extrémités "ouvertes", c'est-à-dire qui permettent l'entrée de fluide dans le tube ou la sortie du fluide provenant du tube. Comme on le décrira par la suite, un élément de circuit peut comporter plusieurs tubes.
Dans l'exemple des figures 3 et 4b, un embout 24 est fixé à chaque extrémité ouverte du tube 22.
Chaque embout 24 comprend une paroi latérale qui entoure le tube sur une partie d'extrémité qui est située au voisinage de l'extrémité ouverte associée. La paroi latérale s'appuie étroitement sur lé tube 22 par toute sa surface, notamment pour empêcher un gonflement du tube lorsque le premier fluide atteint de hautes pressions.
Dans un mode de réalisation particulier, -chaque embout est constitué d'une bande de tôle -emboutie est repliée pour former un fond 42 et deux branches 31 de surface généralement plate et sans bossage, représentés sur la figure 4b. La partie latérale de l'embout 24 est constituée par les deux branches 31. La fabrication d'une pièce emboutie n'est pas coûteuse, et par suite l'utilisation d'un embout conforme à l'invention réduit les coûts de fabrication. La suite de la description sera faite en référence à ce mode de réalisation particulier, à titre d'exemple non limitatif.
Le fond 42 obture l'extrémité correspondante du tube pour empêcher que le fluide ne s'échappe suivant la direction axiale du tube correspondant.
La figure 3 ne fait pas apparaître la délimitation entre la branche supérieure et la branche inférieure, et le fond -de l'embout pour plus de clarté et pour simplifier la représentation de la structure générale de l'invention.
Les éléments de circuit sont conformés de telle sorte que, lorsqu'ils sont empilés, la branche inférieure (respectivement supérieure) d'un embout d'un élément de circuit 20 vienne en appui avec la branche supérieure (respectivement inférieure) de l'élément de circuit adjacent.
Par suite, les différents éléments de circuit 20 qui constituent l'échangeur représenté sur la figure 3 sont en appui les uns sur les autres par intermédiaire des branches généralement plates de leurs embouts respectifs.
Dans FR 2834336 A , la surface des branches comporte un bossage tronconique vers l'extérieur et les bossages en regard de deux éléments de circuit adjacents sont en appui. Ainsi, la surface de contact entre deux éléments de circuit adjacents conformes à la présente invention est plus importante que dans FR 2834336 A .
La paroi latérale de chaque embout comporte au moins une ouverture qui communique avec une ouverture latérale du tube 22 associé.
En particulier, une branche 31 d'un embout 24 peut être pleine, c'est-à-dire ne comporter aucune ouverture. Dans ce cas, elle ne permet pas le passage du premier fluide. Au contraire, une branche 31 d'un embout 24 peut comporter une ouverture qui permet le passage du premier fluide.
Sur la figure 3, on a schématisé les branches fermées par un petit cercle 28a hachuré, et les branches perforées, permettant le passage du premier fluide, par un petit cercle 28b sans hachures. Ces petits cercles 28a et 28b sont reliés à la branche correspondante par un trait mixte, pour plus de clarté.
Sur la figure 4a, l'ouverture 28b de la branche d'un embout 24 est représentée par un petit rectangle non hachuré tandis que l'absence d'ouverture de la branche d'un embout est désignée par un petit rectangle hachuré. Les ouvertures latérales du tube sont désignées par la référence 220.
Sur la figure 4b, les ouvertures des embouts et du tube ne sont pas représentées pour plus de clarté.
Chaque tube 22 a été assemblé avec ses embouts respectifs 24, au préalable. Les embouts de chaque tube permettent le passage du premier fluide grâce aux ouvertures 28b éventuelles des branches et aux ouvertures 220 correspondantes des tubes. Ils permettent en outre de retenir le fluide qui peut s'échapper du tube, grâce au fond 42 représenté sur les figures 4a et 4b.
La surface des branches 31 s'applique étroitement sur le tube, ce qui permet notamment de le maintenir serré.
Dans l'exemple représenté en perspective sur la figure 3 et en vue partielle eh perspective sur la figure 4a, le premier fluide pénètre dans l'échangeur dans la partie supérieure droite de l'échangeur, comme schématisé par la flèche 30. La branche située en regard de l'entrée du fluide dans l'échangeur étant obturée (fond fermé 28a), le premier fluide se déplace de droite à gauche (flèche 32) et parcourt le tube 22 supérieur de l'échangeur. Le fluide parvient à l'embout 24 situé dans la partie gauche (selon la figure 3) du tube supérieur 22 de l'échangeur. La branche supérieure est fermée (28a), tandis que la branche inférieure de l'embout 24 comporte une ouverture (28b).
Le fluide peut donc passer de l'élément de circuit supérieur 20 à l'élément de circuit immédiatement inférieur, comme schématisé par la flèche 34. Le premier fluide parcourt ensuite le second élément de circuit 20 de gauche à droite selon les figures 3 et 4. A l'extrémité droite du second élément de circuit 20, il passe dans l'élément de circuit inférieur (flèche 36) grâce aux ouvertures 28b prévues dans les branches des embouts adjacents, comme décrit précédemment.
Le fluide effectue ainsi une série d'allers et retours dans les tubes des éléments de Circuit de droite à gauche et de gauche à droite, exactement comme dans un échangeur à serpentin du type représenté sur la figure 2. Le premier fluide quitte l'échangeur dans la partie gauche de ce dernier, comme schématisé par la flèche 38.
Pendant son parcours alternatif dans les tubes 22 de l'échangeur, le premier fluide est en relation, d'échange de chaleur avec un second fluide qui circule entre les tubes suivant la direction axiale des tubes 22.
L'absence de bossage sur la surface des embouts 24 diminue le risque de déformation au niveau des contacts entre les tubes, lorsque le premier fluide atteint des pressions élevées.
Les éléments de circuit conformes à l'invention permettent également de réduire le pas entre les tubes adjacents dans l'échangeur, par rapport aux éléments de circuit munis de bossage de FR 2834336 A . Le pas P_tube entre les tubes adjacents est donné par la relation suivante : $P_{tube} = 2 * e_{branche} + e_{tube},$

où e_branche désigne l'épaisseur d'une branche d'embout et e_tube, l'épaisseur du tube.
Dans les échangeurs à plaques collectrices de l'art antérieur, il est difficile de réduire ainsi le pas entre deux tubes adjacents. Or une telle réduction de pas permet de placer plus de tubes dans un échangeur ayant un encombrement donné, et donc d'augmenter les performances thermiques de l'échangeur tout en réduisant les pertes de charges dans l'échangeur.
On a ainsi réalisé -de manière simple un échanger -de chaleur permettant un échange de chaleur entre un premier fluide à haute pression, et un second fluide à basse pression, notamment le liquide de refroidissement moteur ou un échange de chaleur entre un premier fluide à haute pression, et un second fluide à haute pression, par exemple un échange entre un premier fluide CO₂ et un deuxième fluide CO₂.
Un tel échangeur est capable de résister à de hautes pressions sans nécessiter de renforcement supplémentaire ou un usinage des composants de l'échangeur.
Dans l'exemple représenté sur les figures 3 à 4b, on a constitué un échangeur qui définit un parcours pour le premier fluide similaire à celui d'un échangeur à serpentin. Toutefois, la réalisation de l'échangeur à partir des éléments de circuit conformes à l'invention rend l'échangeur modulaire et permet d'obtenir différents types de parcours. En particulier, le nombre et la longueur des éléments de circuit peuvent être choisis en fonction de l'encombrement de l'installation dans laquelle est utilisé l'échangeur (par exemple une installation de climatisation automobile), des performances requises pour l'échange thermique, etc.
Par ailleurs, la présence ou l'absence d'ouvertures dans une branche permet de réaliser très simplement des passes dans l'échangeur. Ainsi, il n'est pas nécessaire de prévoir des pièces supplémentaires rapportées telles que les cloisons de séparation 12 (voir figure 1) habituellement présentes pour constituer des divisions dans les boîtes collectrices 10 des échangeurs de type classique.
Pour réaliser des passes dans un échangeur conforme à l'invention, il suffit de prévoir un élément de circuit dont les embouts ne comportent pas d'ouverture à l'endroit approprié.
L'utilisation d'une boîte collectrice n'est ainsi plus nécessaire pour obtenir des chambres séparées. Il en résulte une réduction du nombre de pièces et une simplification -de l'échangeur.
On a représenté sur les figures 5 à 7 différentes vues d'un embout 24 destiné à un élément de circuit 20 d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention, en particulier d'un échangeur de chaleur représenté sur les figures 3 à 4b. Comme on peut le constater sur la figure 5, les embouts sont réalisés par emboutissage et pliage d'une bande de tôle en métal, de préférence en aluminium, pour former deux branches 31 de surface généralement plate et sans bossage. L'emboutissage permet de réaliser les ouvertures éventuelles des branches. A titre de simplification, les ouvertures 28b ne sont pas représentées sur les figures 5 à 7.
Un embouti 42 est formé dans la bande d'aluminium entre les branches 31. L'embouti 42 constitue le fond de l'embout 24. La bande de tôle est ensuite repliée de manière à rapprocher les deux branches, comme on peut le voir sur la figure 6.
L'embouti est conformé pour loger une extrémité du tube correspondant de manière à retenir le liquide sortant par cette extrémité. Il permet ainsi d'empêcher le liquide de s'échapper suivant la direction axiale du tube après assemblage de l'élément de circuit. Pour cela, la section de l'embouti 42 est adaptée à la section du tube correspondant et le fond de l'embouti peut être sensiblement arrondi pour que l'extrémité correspondante ne s'appuie pas entièrement contre la paroi de fond de l'embouti 42. Ainsi, l'embouti 42 permet de prévoir un volume intérieur pour retenir le fluide provenant de l'extrémité du tube tout en offrant une résistance satisfaisante aux hautes pressions.
Ainsi, les embouts permettent non seulement le passage du premier fluide d'un tube donné au tube adjacent mais aussi la fermeture de l'extrémité ouverte des tubes.
Sur la figure 7, les deux branches 31 ont été entièrement repliées et l'embout est représenté terminé. Il est ensuite assemblé, par exemple par emmanchement ou sertissage sur un tube 22 avant brasage. Des ouvertures auxiliaires 44 et 45 facilitent le brasage de l'embout sur l'extrémité du tube 20. Grâce à cette fabrication, on résout le problème que l'on rencontre dans les échangeurs classiques à faisceau de tubes et à boîtes collectrices, à savoir le problème qui consiste à enfiler un tube de petite dimension dans un collecteur de grande dimension avec des trous de faibles dimensions et des tolérances faibles.
Avec les éléments de circuit conformes à l'invention, il suffit d'assembler des embouts 24 sur des tubes 22 de mêmes dimensions. On supprime la fonction mécanique consistant à introduire des tubes dans des collecteurs percés. Il en résulte une extrême simplification de l'assemblage et de la fabrication de l'échangeur. L'absence de bossage sur les embouts simplifie également la fabrication des éléments de circuit.
La fabrication de l'échangeur comportera donc un poste de production pour produire les tubes, une presse pour produire les embouts et une machine automatique pour insérer les embouts sur les tubes. On passe ensuite directement à l'assemblage de l'échangeur par superposition des éléments de circuit ainsi fabriqués. L'ensemble est ensuite assemblé par brasage.
On a représenté sur la figure 8a une vue en perspective d'une extrémité ouverte d'un tube 22 destiné à la constitution d'un élément de circuit conforme à l'invention. Ce tube est -de préférence un tube extrudémulti-canaux pour pouvoir résister aux fortes pressions. Il comporte par exemple sept canaux 46 séparés par six cloisons de séparation 48. Un tel tube est destiné, notamment, à contenir un fluide sous haute pression. Les cloisons de séparation 48 renforcent le tube et l'empêchent de se bomber sous la pression du fluide.
En outre, le tube comporte une ouverture circulaire latérale 220 sur une de ses parties d'extrémités ou sur ses deux parties d'extrémités (une seule extrémité représentée) selon qu'il est assemblé à un ou deux embouts. Cette ouverture 220 du tube est adaptée aux ouvertures éventuelles 28b de l'embout correspondant.
Plus précisément, l'embout 24 est emmanché sur l'extrémité du tube de telle manière que l'ouverture 220 soit situé sensiblement en regard de l'ouverture ou des ouvertures 28b des branches 31, ce qui forme le passage du premier fluide.
La figure 8b est une vue en coupe longitudinale de l'extrémité d'un élément de circuit 24 selon l'invention. L'embout 24 de l'élément de circuit représenté comporte deux branches 31 d'épaisseur e_branche, la branche supérieure comportant une ouverture 28b tandis que la branche inférieure ne comporte pas d'ouverture. L'embout est emmanché dans un tube 22 d'épaisseur e_tube, qui comporte une ouverture 220 de diamètre supérieur ou égal au diamètre de l'ouverture 28b du tube supérieur. Le tube 22 comporte plusieurs canaux 46 qui débouchent dans l'ouverture 220 du tube. L'embout comporte un embouti ayant un fond en U et des ouvertures auxiliaires 45 pour faciliter le brasage. Le diamètre externe du tube est sensiblement égal au diamètre interne de l'embout. Ainsi lorsque la partie d'extrémité du tube 22 est introduite dans l'embout 24, elle vient en butée contre les parois de l'embouti sans toutefois atteindre le fond. Le fluide arrivant dans le tube par les ouvertures 28b et 220 (dont la circulation est représentée par la flèche en traits pleins) ne peut ainsi s'échapper de l'élément de circuit grâce à cet embouti 42 et circule le long des canaux.
On a représenté sur la figure 9 une vue en perspective d'un autre mode de réalisation d'un embout conforme à la présente invention. Il se distingue des embouts précédents en ce que les deux branches 31 sont de longueurs différentes.
En effet, les embouts représentés sur les figures 3 à 8b comportent tous des branches de même longueur qui se superposent et s'appuient l'une contre l'autre lorsqu'elles sont entièrement repliées comme on peut le voir par exemple sur la figure 7. L'embout représenté sur la figure 9 compote des branches 31 de longueurs différentes. Chaque branche a une surface généralement plate et sans bossage.
Des embouts ayant des branches 31 de longueurs inégales permettent, par exemple, d'adapter la forme géométrique de l'échangeur à l'espace disponible dans le véhicule. Cela facilite son implantation et constitue un avantage par rapport aux échangeurs qui utilisent des boîtes collectrices 10 (figure 1) et qui doivent être nécessairement de forme rectangulaire.
Dans les réalisations décrites précédemment, l'échangeur est constitué d'éléments de circuit comportant un tube unique 22. Les éléments de circuit qui constituent l'échangeur de l'invention peuvent également comporter deux tubes comme représenté sur la figure 11 ou plus de deux tubes comme représenté sur la figure 12, par exemple trois tubes ou davantage. Dans ce cas, chaque élément de circuit 20 comporte deux types différents d'embouts : d'une part les embouts terminaux ou embouts d'extrémité 24 décrits précédemment, d'autre part des embouts intermédiaires désignés par la référence 124. Les embouts intermédiaires se distinguent des embouts terminaux par le fait qu'ils sont reliés à deux tubes distincts au lieu d'être fixés à l'extrémité d'un tube unique. Les éléments de circuit de l'échangeur représentés sur la figure 11 comportent un seul embout intermédiaire 124. Les éléments de circuit de l'échangeur représentés sur la figure 12 comportent deux embouts intermédiaires 124.
On a représenté sur la figure 13 une vue en perspective qui illustre la réalisation d'un embout intermédiaire 124. Les embouts intermédiaires, comme les embouts d'extrémité, sont obtenus à partir d'une tôle, de référence une tôle d'aluminium. Dans un premier temps, cette tôle est découpée pour obtenir une forme en Y (non représentée). La forme en Y est repliée en deux et les bords sont repliés de manière à obtenir une forme fermée de faces supérieure et inférieure généralement plates et sans bossage, comme celle qui est représentée sur la figure 13. Un tube 22 est ensuite emmanché à chacune des extrémités de cette forme fermée. Les embouts intermédiaires peuvent présenter un angle comme représenté sur les figures 11, 12 et 13. Toutefois, les embouts intermédiaires pourraient également être rectilignes.
L'invention n'est pas non plus limitée au tube 22 décrit ci-dessus en référence à la figure 8. En effet, d'autres types de tubes peuvent être utilisés.
Par exemple, le tube 22 représenté sur la figure 20 s'apparente au tube 22 de la figure 8a, si ce n'est qu'il est réalisé par conformation d'une tôle pliée 70 et non par extrusion. Cette tôle 70 comporte deux bords longitudinaux 72 qui sont réunis mutuellement. Par ailleurs, cette tôle comporte des replis intérieures 74 propres à définir des cloisons délimitant sept canaux intérieurs 46. Le tube comporte par ailleurs une ouverture circulaire latérale 220 analogue à celle du tube de la figure 8a. Un tel tube est particulièrement adapté pour une utilisation dans un refroidisseur d'huile.
Un autre exemple de tube 22 est représenté sur la figure 21. Ce tube 22, qui s'apparente également à celui de la figure 8, est un tube plat qui peut être réalisé par extrusion. Ce tube loge intérieurement un insert ondulé 76, ce qui permet de définir une multiplicité de canaux de -circulation 46 à l'intérieur du tube. Il comporte en outre une -ouverture circulaire latérale 220 analogue à celle du tube de la figure 8a. Un tel tube est également adapté pour une utilisation dans un refroidisseur d'huile.
L'élément de circuit de l'invention peut être utilisé pour réaliser différents types d'échangeur de chaleur et en particulier des condenseurs pour des installations de climatisation de véhicules automobiles et des refroidisseurs d'huile.
Les figures 14 à 16 illustrent un échangeur selon un premier mode de réalisation de l'invention. L'échangeur représenté est propre à supporter de fortes pressions typiquement supérieures à 100 bars. Il est adapté en particulier pour une utilisation avec:

un premier fluide à haute pression (notamment supérieure à 100 bars), par exemple le fluide frigorigène CO₂ (R744) ou le fluide R134a, et
un deuxième fluide à basse pression (notamment inférieure à 10 bars), par exemple le liquide de refroidissement moteur.

Cet échangeur peut être utilisé comme refroidisseur ou réchauffeur d'huile et dans ce cas l'échange de chaleur se produit entre l'huile (premier fluide) et le liquide de refroidissement moteur (deuxième fluide).
Il peut être également utilisé comme échangeur de chaleur pour des circuits de climatisation automobile fonctionnant avec le fluide frigorigène CO₂ ou R744.
En particulier, il peut être utilisé comme évaporateur entre le fluide CO₂ et le liquide de refroidissement à refroidir. Le liquide de refroidissement circule ensuite dans un radiateur "froid" dans l'appareil de ventilation et de climatisation de l'habitacle du véhicule.
Il peut encore être utilisé comme échangeur (avec une fonction de réchauffement ou de refroidissement) entre le fluide frigorigène R744 et le liquide de refroidissement moteur.
Les échangeurs de chaleur classiques utilisant le liquide de refroidissement comme deuxième fluide, par exemple pour le refroidissement de l'huile, comprennent généralement un empilage de plaques à la place d'un faisceau de tubes. Mais de tels échangeurs résistent mal à la haute pression du premier fluide sans renforts importants. L'échangeur de chaleur proposé ci-après est à la fois simple et modulaire tout en résistant aux hautes pressions.
On a représenté sur la figure 14 une vue partielle en perspective d'un échangeur de chaleur 2' selon le premier mode de réalisation de l'invention. Cette vue montre un faisceau 35 d'éléments de circuit 20 obtenu en assemblant au préalable chaque tube 22 avec ses embouts respectifs et en empilant les éléments de circuit les uns sur les autres.
La figure 14 montre notamment les tubulures d'entrée 58 et de sortie 60 du premier fluide. Le trajet du premier fluide est illustré par des flèches en traits interrompus et le trajet du deuxième fluide par des flèches en traits pleins.
Le premier fluide à haute pression circule alternativement dans les tubes 22 comme décrit précédemment, grâce à la structure des éléments de circuit.
Le deuxième fluide à basse pression circule entre les tubes à l'extérieur suivant la direction axiale des tubes et dans le sens opposé au sens de circulation du premier fluide. La tubulure de sortie 52 du deuxième fluide est représentée sur la figure 14.
Le faisceau des tubes empilés 35 est agencé dans un boîtier extérieur 64 constitué de plusieurs éléments de boîtier brasés entre eux après placement du faisceau. Des plaques latérales sont au préalable brasées sur le faisceau pour forcer l'écoulement du deuxième fluide entre les tubes.
Sur la figure 16, qui représente un détail agrandi de la figure 14, les tubes 22 d'un élément de circuit sont représentés avec leurs embouts respectifs 24. Dans l'exemple de la figure 16, on utilise des tubes à petits canaux réalisés par extrusion pour une bonne tenue aux hautes pressions, notamment supérieures à 130 bars.
La figure 15 est une vue extérieur -du boîtier 64 de l'échangeur 2' après assemblage. Les tubulures d'entrée et de sortie 58 et 60 du premier fluide sont généralement orientées suivant la direction normale aux faces des tubes (axe z) et les tubulures d'entrée et sortie 50 et 52 du deuxième fluide sont généralement orientées selon la dilection perpendiculaire à l'axe des tubes et aux faces des tubes (axe x). Un boîtier 64 permet la circulation du deuxième fluide à basse pression, dans l'échangeur. Ce boîtier est constitué de deux demi-boîtiers 640 et 641 brasés entre eux.
Le boîtier 64 canalise rigoureusement le fluide qui circule entre les tubes, ce qui améliore l'échange thermique.
L'échangeur de chaleur décrit ci-avant a en outre une résistance satisfaisante aux hautes pressions contrairement aux échangeurs de l'art antérieur qui utilisent le liquide de refroidissement comme deuxième fluide.
Les figures 17 à 19 illustrent un échangeur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. L'échangeur représenté est propre à supporter de fortes pressions typiquement supérieures à 100 bars. Il est adapté à une utilisation avec:

un premier fluide à haute pression (notamment supérieure à 100 bars), par exemple le fluide frigorigène CO₂ (R744), et
un deuxième fluide à haute pression, également le fluide frigorigène CO₂ par exemple.

Il peut être utilisé comme échangeur de chaleur pour des circuits de climatisation automobile fonctionnant avec le fluide frigorigène CO₂, tel que l'Echangeur de Chaleur Interne (IHX internal Heat Exchanger).
La figure 17 est une vue d'ensemble en perspective montrant un échangeur de chaleur 2" selon le deuxième mode de réalisation de l'invention.
L'échangeur comprend un faisceau de tubes 35". Ce faisceau est constitué d'un empilement d'éléments de circuit conformes à l'invention.
Les éléments de circuit du faisceau de tubes 35" définissent un passage pour la circulation du premier fluide, comme décrit précédemment.
La figure 17 montre en particulier la tubulure de sortie 60" du premier fluide. La circulation du premier fluide est illustrée par des flèches en traits interrompus.
La figure 17 montre également la tubulure d'entrée 50" du deuxième fluide. La tubulure 50" est préfixée sur le faisceau 35". La circulation du deuxième fluide est illustrée par les flèches en traits pleins. Le deuxième fluide à haute pression circule entre les tubes à l'extérieur suivant la direction axiale des tubes et dans le sens opposé au sens de circulation du premier fluide.
Le faisceau 35" est agencé dans un boîtier 64" constitué de plusieurs éléments de boîtier brasés entre eux après introduction du faisceau. En particulier, ce boîtier est constitué de deux demi-coquilles 640" et 641" brasées entre elles pour former sensiblement un cylindre et de deux couvercles latéraux, notamment en forme de demi-sphère, qui viennent refermer les extrémités du cylindre. Seul un couvercle 642" est représenté sur la figure 17 pour faire apparaître les éléments intérieurs de l'échangeur 2".
En référence à la figure 18 qui est une vue en perspective interne de l'échangeur 2", des plaques latérales 70 sont au préalable brasées sur le faisceau pour forcer l'écoulement du deuxième fluide entre les tubes.
Sur la figure 19 qui est une vue partielle à plus grande échelle de l'échangeur, les tubes 22 sont représentés avec leurs embouts respectifs 24. Les tubes sont également des tubes à petits canaux qui peuvent être obtenus par extrusion pour une tenue aux hautes pressions, notamment supérieures à 130 bars.
Dans les échangeurs décrits en référence aux premier et deuxième modes de réalisation, le boîtier extérieur est obtenu par brasage des éléments de boîtier et des éléments de circuit en une seule opération. En variante, le boîtier extérieur peut être une pièce moulée en matière plastique, dans lequel est placé l'empilement d'éléments de circuit brasé au préalable.
Un turbulateur peut être ajouté dans l'espace compris entre les tubes dans les échangeurs du premier et deuxième mode de réalisation de l'invention afin d'améliorer l'échange thermique et la résistance mécanique. Il peut être réalisé à la molette où embouti. Lors de l'assemblage des composants de l'échangeur, il est brasé sur les tubes.
De tels échangeurs permettent de remplacer les composants usinés de l'art antérieur, tels que le collecteur par une structure modulaire moins coûteuse. Le nombre et la longueur des éléments de circuit peuvent être modifiés simplement. La surface d'échange est donc facilement modifiable sans utiliser d'outils.
Bien évidemment, les échangeurs décrits ci-dessus selon le premier et le deuxième mode de réalisation de l'invention ne sont pas limités à une utilisation pour un circuit de climatisation fonctionnant avec le fluide frigorigène CO₂, et peuvent utiliser toute sorte de fluide pour réaliser l'échange thermique (gaz, liquide multi-phase, etc.)
Par ailleurs, l'invention n'est pas limitée aux échangeurs décrits ci-dessus conformément au premier et au deuxième mode de réalisation. D'autres types d'échangeurs de chaleur réalisés à partir de l'élément de circuit de l'invention peuvent être envisagés. De manière générale, de tels échangeurs peuvent comprendre:

un faisceau constitué d'éléments de circuit empilés conformes à l'invention;
des plaques latérales brasées avec le faisceau; et
des éléments de boîtier, soudés entre eux pour former un boîtier extérieur après introduction du faisceau, ce boîtier extérieur canalisant le deuxième fluide, ou un boîtier moulé en matière plastique dans lequel est placé l'empilement d'éléments de circuit brasé au préalable.

L'utilisation d'éléments de circuit dans les échangeurs permet de simplifier leur fabrication. Le procédé de fabrication des échangeurs conformes à l'invention peut ainsi comprendre:

le pré-assemblage des tubes avec leurs embouts respectifs,
l'empilement des éléments de circuit, pour former le faisceau,
le brasage du faisceau avec des plaques latérales,
l'introduction du faisceau dans une des portions du boîtier, et
le soudage de tous les éléments de boîtier.

L'utilisation des éléments de circuit dans les échangeurs selon l'invention permet ainsi d'obtenir à la fois une structure simplifiée et moins coûteuse que les réalisations de l'art antérieur, une résistance aux hautes pressions, un pas p_tube réduit entre les tubes du faisceau, un encombrement réduit, et un échange de chaleur satisfaisant.

Claims

Elément de circuit hydraulique (20), pour l'échange de chaleur entre un premier fluide et un second fluide, définissant un parcours pour le premier fluide,
l'élément de circuit comprenant au moins un tube (22) ayant au moins une extrémité ouverte et un embout (24) apte à accueillir une unique extrémité de tube (22), ledit embout (24) comprenant un fond (42) obturant ladite extrémité et une paroi latérale entourant le tube au voisinage de ladite extrémité, la paroi latérale comportant au moins une ouverture (28b) en communication avec une ouverture latérale (220) du tube pour contribuer à définir le parcours du premier fluide,
caractérisé en ce que la paroi latérale de l'embout (24) s'applique étroitement sur le tube (22) par toute sa surface.
Elément de circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque embout est constitué d'une bande de tôle emboutie pour former ledit fond (42) et repliée pour former deux branches (31), la paroi latérale comprenant lesdites branches.
Elément de circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux branches (31) de chaque embout (24) sont de longueurs égales.
Elément de circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux branches (31) de chaque embout (24) sont de longueurs inégales.
Elément de circuit selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que lesdites branches ont une surface généralement plate.
Elément de circuit selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le ou lesdits tubes (22) sont généralement plats.
Elément de circuit selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque tube (22) comporte des canaux multiples.
Elément de circuit selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un tube unique (22) comportant un embout terminal (24) à chacune de ses extrémités.
Elément de circuit selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est constitué de plusieurs tubes (22), un embout intermédiaire (124) étant présent entre deux tubes (22) successifs.
Elément de circuit selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il présente une forme rectiligne.
Elément de circuit selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il présente une forme générale brisée.
Echangeur de chaleur (2;2'), notamment pour un véhicule automobile, comprenant un empilement d'éléments (35;35') de circuit (20) selon l'une des revendications précédentes communiquant entre eux par l'intermédiaire des ouvertures (28b) desdits embouts (24) pour permettre un passage du premier fluide entre lesdits éléments de circuit.
Echangeur de chaleur selon la revendication 12, caractérisé en ce que les éléments de circuit (20) viennent en contact par les branches de leurs embouts (24) respectifs lorsqu'ils sont empilés, de telle sorte qu'une branche (31) d'un élément de circuit (20) repose sur une branche (31) d'un élément de circuit (20) adjacent.
Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 12 et 13, caractérisé en ce qu'il contient un fluide réfrigérant en tant que premier fluide et le liquide de refroidissement en tant que deuxième fluide.
Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 12 et 13, caractérisé en ce qu'il contient un fluide réfrigérant en tant que premier fluide et en tant que deuxième fluide.
Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 14 et 15, caractérisé en ce que ledit fluide réfrigérant est le fluide R744.
Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 12 et 13, caractérisé en ce qu'il contient l'huile en tant que premier fluide et le liquide de refroidissement en tant que deuxième fluide.
Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 12 à 17, caractérisé en ce que le pas p_tube entre les tubes respectifs de deux éléments de circuit(20) adjacents est égal à $2 * e_{branche} + e_{tube},$

où e_branche désigne l'épaisseur d'une branche d'un embout(24) et e_tube désigne l'épaisseur du tube (22).
Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 12 à 18, caractérisé en ce qu'il comporte deux plaques latérales (70) brasées sur l'empilement d'éléments de circuit (35).
Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 12 à 19, caractérisé en ce qu'il comporte un boîtier extérieur (64;64') dans lequel est agencé l'empilement (35;35') d'éléments de circuit (20).
Echangeur de chaleur selon la revendication 20, caractérisé en ce que le boîtier extérieur (64) est constitué d'éléments de boîtiers (641,640;641",640";642") brasés ensemble.
Echangeur de chaleur selon la revendication 21, caractérisé en ce que les éléments de boîtier comprennent des demi-coquilles (641",640"), et deux couvercles (642") soudés sur les extrémités formées par lesdites demi-coquilles.
Echangeur de chaleur selon la revendication 20, caractérisé en ce que le boîtier extérieur (64;64') est une pièce moulée en matière plastique dans laquelle est placé l'empilement (35;35') d'éléments de circuit brasé.
Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 12 à 23, caractérisé en ce qu'il comprend un turbulateur agencé dans l'espace délimité par deux éléments de circuit adjacents.