Brevet FR2361619A1 — publié le 19780310

La presente invention concerne un refroidisseur d'huile immergé pour véhicules automobiles ne nécessitant que deux pièces principales, mais fournissant un meilleur transfert de chaleur pour une perte de charge plus faible que les refroidisseurs d'huile classiques constitués de trois pièces principales. Dans un mode de réalisation préféré, un tube extérieur présentant un grand nombre de cannelures longitudinales ménagées de place en place de manière réguliere, est emmanché à force sur un tube intérieur portant sur sa surface extérieure des ailettes hélicoidales. les tubes sont scellés à leurs extrémités de manière à former un canal d'écoulement de l'huile, annulaire et longitudinal, entre les tubes, tout en permettant au liquide réfrigérant de moteur, dans lequel est plongé le refroidisseur, de circuler dans le tube intérieur.Une variante de ce mode de réalisation consiste à remplacer le tube intérieur à ailettes par un tube ondulé économique du-point de vue des matériaux, mais conduisant à une légère augmentation de la perte de charge et à une faible perte d'efficacité du transfert de chaleur. Les échangeurs de chaleur liquide-liquide que l'on utilise immergés dans un radiateur d'automobile pour transférer la chaleur de lthuile de transmission au liquide réfrigérant du moteur sont généralement constitués de trois éléments principaux, à savoir un tube extérieur cylindrique, un tube intérieur cylindrique et un organe de turbulence fabriqué à partir d'un feuillard façonné et placé en sandwich entre ces tubes. Cet assemblage présente un certain nombre d'inconvénients.On doit par exemple fabriquer et assembler trois éléments principaux séparés : la surface d'échange de chaleur supplémentaire constituée par le feuillard de l'organe de turbulence est en communication avec le piège de chaleur (réfrigérant du moteur) par l'intermédiaire d'une liaison mécanique conduisant à une résistance thermique dont la valeur dépend de la pression exercée entre les constituants; la surface d'échange de chaleur exposée au liquide réfrigérant du moteur est lisse et ses caractéristiques de transfert de la chaleur ne sont pas améliorées; enfin, on obtient de meilleures caractéristiques de transfert de la chaleur en créant une turbulence sur la totalité du parcours du fluide, ce qui conduit à une augmentation peu souhaitable de la perte de charge. Les inconvénients mentionnés ci-dessus des refroidisseurs d'hui le actuellement utilisés ne sont pas sans conséquences. I1 est toujours souhaitable de pouvoir obtenir un comportement équivalent à moindre prix. Cependant, dans eertaines applications pour l'automobile, l'utilisation de moteurs de tailles réduites et la recherche de lignes de capot plus basses ont conduit à l'adoption de radiateurs de très petite taille imposant des limites absolues sur le volume disponible pour un refroidisseur d'huile immergé. Un refroidisseur d'huile typique pour petites voitures aura une longueur maximale d'environ 27,5 cm et un diamètre extérieur d'environ 2,5 cm.Un refroidisseur de cette taille, fabriqué de la manière classique, convient à la plupart des applications, mais sa capacité de refroidissement de 11 huile peut se révéler insuffisante dans certaines conditions de conduite extrêmes, imposant des contraintes supplémentaires sur la transmission. I1 serait donc souhaitable d'obtenir un refroidisseur d'huile qui puisse transférer plus de chaleur que les refroidisseurs classiques de même taille et dont la dépression ainsi que le coût seraient inférieurs ou égaux à ceux des refroidisseurs actuels. L'invention a pour but de fournir-un refroidisseur d'huile amélioré, plus efficace et/oud'une fabrication moins onéreuse que les refroidisseurs de l'art antérieur. Dans un mode de réalisation préféré, un tube extérieur présentant un grand nombre de cannelures longitudinales ménagées de place en place de manière régulière, est emmanché à force sur un tube intérieur portant sur sa surface extérieure des ailettes hélicoldales. Les tubes sont scellés à leurs extrémités de manière à former un canal d'écoulement de l'huile, annulaire et longitudinal, entre les tubes, tout en permettant au liquide réfrigérant de moteur, dans lequel est plongé le refroidisseur, de circuler dans le tube intérieur.Une variante de ce mode de réalisation consiste à remplacer le tube intérieur à ailettes par un tube ondulé économique du point de vue des matériaux, mais conduisant à une légère augmentation de la perte de charge et à une faible perte d'efficacité du transfert de chaleur. La variante à tube intérieur ondulé est d'une fabrication moins onéreuse que la réalisation à tube à ailettes ou que les réalisations de la technique antérieure, car elle nécessite une quantité inférieure de matériaux.On a cependant trouvé que sa perte de charge dans un élément unique que l'on a essayé, était légèrement inférieure à celle d'un refroidisseur clas sique du type à organe de turbulence, alors qu'on a trouvé que ses caractéristiques de transfert de la chaleur variaient entre des caractéristiques légèrement inférieures à eelle d'un refroidisseur classique pour un débit d'huile de 3,8 1/mon à des caractéristiques légèrement supérieures pour un débit de 7,5 I/mn. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins annexés sur lesquels - la Fig. 1 est une vue de dessus, partielle et en coupe également partielle d'un mode de réalisation préféré d'un refroidisseur d'huile représenté en position de fonctionnement en liaison avec un élément inférieur de réservoir pour radiateur (représen;té en traits discontinus) dans lequel il est monté; - la Fig. 2 est une coupe transversale le long de la ligne 2-E de la Fig. 1; - la Fig. 3 est une vue de dessus, partielle et en coupe également partielle d'une variante du refroidisseur représenté aux Fig. 1 et 2. - la Fig. 4 est un graphique sur lequel est portée la charge calorifique Q en fonction du débit d'huile dans le refroidisseur et qui compare les refroidisseurs des Fig. 1 et 3 à un refroidisseur classique du type à organe de turbulence immergé; - la Fig. 5 est un graphique semblable à celui de la Fig. 4, mais où la perte de charge AP, est portée en fonction du débit d'huile. le refroidisseur d'huile immergé 10 de la Fig. 1 est représenté en position de fonctionnement, relié à un élément de réservoir inférieur 12 pour radiateur (indiqué en traits discontinus) dans lequel il est monté et auquel il est scellé par un système de fixation approprié tel qu'un cordon de soudure 14. Un élément d'admission 16 présentant un filetage interne destiné à recevoir une canalisation de refroidissement (non représentée) pour l'huile de transmission est monté sur l'une des extrémités du refroidisseur dthuile 10. Cet élément d'admission est de préférence fixé au refroidisseur d'huile par un cordon de soudure 18. De même, un élément 20 d'évacuation de l'huile de transmission est soudé ou brasé sur l'élément de réservoir 12. les raccords d'admission et d'évacuation 16 et 20 sont fixés à une chemise tubulaire cannelée 26, sur les extrémités lisses 28 et 30 de celle-ci. Cette chemise 26 comporte une partie cannelée centrale 32 entre ses extrémités lisses 28 et 30, cette partie cannelée étant constituée d'un grand nombre de cannelures 34 présentant des crêtes 96 et des renforcements intérieurs 38.La surface extérieure de la partie cannelée centrale 32 est ondulée hélicoidalement de telle sorte que les crdtes extérieures 36 des cannelures 34 soient pé riodiquement repoussées en creux 40 le long de leur axe. Un tube intérieur 46 est emmanché à force dans le tube extérieur ou chemise 26 de façon à former un ensemble composite à deux tubes. Ce tube intérieur 46 possède une surface intérieure lisse 48 qui constitue la paroi intérieure du passage central 49. Ce passage 49 traverse le refroidisseur 10 sur toute sa longueur et est prévu pour recevoir l'eau de refroidissement s'écoulant dans le radiateur dans la direction des flèches vers l'orifice de sortie (non représenté) du radiateur. la surfaceextérieure du tube intérieur 46 présente des ailettes hélicoïdales 30 fournissant une plus grande surface d'échange de chaleur en contact avec l'huile de transmission qui s'écoule à travers la chambre 52 de distribution de l'huile délimitée par les ailettes 50, fixées sur le tube intérieur 46, par les parois inter nes de la chemise extérieure 26 et par ses cannelures 34.Lorsque l'huile stéeoule à travers cette chambre 52 depuis l'orifice d'entrée 16 jusqu'à l'orifice de sortie 20, elle se déplace à travers un ensemble de canaux axiaux longitudinaux de faible longueur ou chambres 54 qui sont délimités par des creux 40 adjacents dans le sens axial. L'echangeur de chaleur décrit ci-dessus constitue une structure unitaire qui rend maximal le transfert de chaleur tout en minimisant la perte de chargez le tube extérieur 26 peut présenter par exemple 12 à 24 cannelures 34 qui, pour un diamètre extérieur du refroidis- seur de 2,5 cm, ont uneprofondeur d'environ 0,1 à 0,25 cm. Comme il apparat dans la vue en bout de la Pig. 2, ces cannelures 34 repré- sentent ehacune un chemin d'écoulement axial et sont ainsi pratiquement équivalentes à 12 à 24 tubes parallèles de très faible diamètre. Cela présente 2 avantages : en en premier lieu, la surface spécifique du tube es.terieur 26 qui est au contact du liquide réfrigérant du moteur est augmentée de 50% par rapport à celle bun tube lisse. De plus, on obtient également une augmentation proportionnelle de la surface spécifique en contact avec l'huile et, comme cette surface est solidaire de la chemise 26, aucune résistance de liaison ntest possible. En second lieu, l'écoulement de l'huile dans des'refroidis- seurs de ce type est généralement caractérisé par un écoulement laminaire dont les équations générales de transfert thermique indiquent que l'utilisation de tubes de petit diamètre augmente le coefficient de transfert thermique.On peut voir sur la Fig. 1 que le tube extérieur 26, outre les cannelures 34, présente une ondulation hélicot- dale 40 dont le pas peut varier de 0,5 à 2,0 cm et la profondeur, de 0,076 à 0,229 cm, suivant les dimensions de cannelures choisies. On a décrit dans la technique antérieure, des échangeurs de chaleur pour le refroidissement de l'huile qui possédaient un certain type de motifs hélicoldaux ayant pour effet de faire s'écouler l'huile hélicoI- dalement le long du refroidisseur pour augmenter la longueur de son chemin d'écoulement. les ondulations 40 ne sont pas destinées à cet effet.En réalité, l'ondulation est effectuée de telle sorte que les creux 40 ne soient pratiqués que dans les crêtes 36 et qu'ils jouent le roule d'un ensemble de rétrécissements périodiques le long d'un tube de faible diamètre, qui constituent de courts segments de canaux 54. Ces rétrécissements ont pour effet de contraindre l'huile à s'écouler suivant un type d'écoulement turbulent ou quasi-turbulent pour mélanger thermiquement les courants d'huile. Cet effet devient apparent lorsqu'on considère les équations typiques de transfert de chaleur qui montrent que le coefficient de transfert thermique diminue au fur et à mesure qu'on augmente la longueur du tube. La raison en est que dans un écoulement laminaire, il ne se produit aucun mélange de l'huile lorsqu'elle s'écoule le long du tube.Par conséquent, la chaleur provenant du courant d'huile global doit être transférée à travers une couche de plus en plus épaisse d'huile de faible conductivité thermique. les creux 40 conduisent les longues cannelures 34 à jouer le rôle d'une série de tubes 54 très courts, augmentant ainsi le coefficient de transfert thermique.Bien que ces creux 40 contraignent l'huile à se mélanger thermiquement en vue d'un meilleur transfert thermique, ils ont également pour effet d'augmenter la perte de charge; on doit donc choisir le pas des ondulations (distance entre les creux 40) de façon à obtenir le transfert ther mique souhaité avec la plus faible perte de charge possible. L'é- coulement d'huile dans une cannelure individuelle 34 peut donc titre contraint à suivre un motif déterminé d'écoulement turbulent et laminaire, contrairement aux anciens types de refroidisseurs qui fournissent un écoulement turbulent de l'huile sur la totalité de leur longueur. Comme le montre la Fig. 1, au lieu d'un tube lisse constituant la paroi intérieure du refroidisseur comme dans la technique antérieure, on utilise un tube 46 à ailette hélicoïdale. Ce tube peut titre du type fourni dans le commerce par la Wolverine Division of UOP Inc. et connu sous le nom de Trufin. les tubes de ce type se caractérisent par une surface portant des ailettes dont la surface est de 9 à 5 fois supérieure à la surface intérieure, et par des ailettes solidaires de la paroi du tube de manière à ce qu'il n'en résulte aucune- résistance thermique de liaison. Contrairement aux refroidisseurs classiques, qui nécessitent un traitement de dilatation pour emmancher mécaniquement à force le tube extérieur, l'organe de turbulence et le tube intérieur en contact intime, le tube à ailette 46 est simplement emmanché à force dans la chemise extérieure 26. On pense que le tube à ailettes 46 fonctionne suivant deux modes simultanés. Comme la surface à ailette constitue une paroi du canal 52 partiellement formé par la cannelure 34, l'huile s'écoulera axialement le long des ailettes 50.Cet écoulement fournit un coefficient de transfert thermique qui agit sur tout ou partie de la surface spécifique présentée par les ailettes en fonction de la profondeur à laquelle le courant d'huile axial pénètre dans les gorges des ailettes. le second mode est produit par une composante hélicoïdale de l'écoulement d'huile. Comme le nombre d'ailettes par cm est relativement élevé, d'environ 4 à 10 par cm, la résistance à l'écoulement le long de ce parcours est très élevée. Ce parcours est cependant parallèle au chemin d'écoulement axial le long de la cannelure de sorte qu'il se produira un certain écoulement. Son importance dépendra du nombre d'ailettes choisi par centimètre sur le tube à ailettes, des dimensions des cannelures et des ondulations choisies pour la chemise extérieure. Du fait de la surface spécifique élevée fournie par la configuration à ailette, cet écoulement hélicoïdal provoque un transfert de chaleur à travers la paroi intérieure du tube inté rieur. il ressort de la description ci-dessus que les trois constitu- ants principaux des refroidisseurs du type à organe de turbulence de la technique antérieure ont eté remplacés par deux constituants et que l'assemblage ne- nécessite plus de traitement de dilatation pour obtenir une liaison mécanique. les refroidisseurs de zen ce type sont généralement montés horizontalement dans le réservoir inférieur 12 d'un radiateur d'automobile, Dans cette position, le liquide réfrigérant du moteur, au fur et à mesure qu il s'écoule dans les tubes du radiateur (non représentés), vient au contact de la chemise extérieure 26 du refroidisseur et comporte en outre une composante axiale d'écoulement lorsqu'il s'écoule vers l'orifice de sortie du radiateur.Il est ben connu dans la technique de transfert de chaleur que des discontinuités superficielles telles que celles constituées par les cannelures 34 et les ondulasions 40 ont pour effet d'a- méliorer les propriétés de transfert thermique du refroidisseur d6- crit par comparaison à la surface lisse des refroidisseurs classiques. La Fig. 1 représente des chapeaux 58 fermant les extrémités des tubes 26 et 46 et qui délimitent la chambre d'écoulement 52. Cepet- dant, ces chapeaux ne sont pas déterminants et on peut utiliser d'autres éléments bien connus. On peut par exemple provoquer la dilatation des extrémités du tube à ailettes 46 et les braser sur la be;;; extérieure 26. La Fig. 3 représente un refroidisseur d'huile 110 qui est une modifieation du refroidisseur des Fig. 1 et 2, la seule diférence étant qu t on a remplacé le tube à ailettes 46 par un tube ondulé 46, comme constituant intérieur. les principes de fonctionnement restent les mêmes excepté que l'importante surface fournie par les ailettes 50 est réduite pratiquement à celle d'un tube de surface non traitée et la section d'écoulement du parcours hélicoïdal de l'huile est également réduite.Cela conduit principalement à une réduction du transfert de chaleur et à une augmentation de la perte de charge. Cepen dant, le tube ondulé 146 contient Foins de métal, est d'une fabrication plus aisée -et constitue donc un refroidisseur plus économique que l'on peut utiliser lorsque les exigences de transfert calorifique et de perte de charge sont moins astreignantes. les Fig. 4 et 5 représentent les résultats obtenus pour le transfert calorifique (Fig. 4) et la perte de charge (Fig.5) pour 3 refroidisseurs. le refroidisseur représenté à la Fig. 1 est constitué d'une chemise 26 comportant 16 cannelures 34 d'une profondeur de 0,178 cm présentaift une ondulation d'une profondeur de 0,092 cm pour un pas de 0,5 cm. Le tube à ailette 46 présente 10 ailettes par cm. Ces valeurs constituent nn choix arbitraire et peuvent ou non titre les valeurs fournissant le comportement optimal. le refroidisseur représenté Fig. 3 comporte 16 cannelures d'une profondeur de 0,178cm avec une ondulation d'une profondeur de 0,102cm pour un pas de 0,5cm. Le tube à ailette 46 de la Fig. 1 est remplacé par un table 146 ondulé à une profondeur de 0,076cm pour un pas de 0,625cm. Le refroidisseur classique est un élément disponible dans le commerce constitué d'un organe de turbulence du type feuillard occupant la totalité de la lon gueur, fixé par compression entre des chemises intérieure/et extérieur re. Ces trois éléments présentent des orifices d1entrée et de sortie de huile espacés de 25 cm, une longueur totale d'environ 27,5 cm et un diamètre extérieur de 2,5 cm. l'essai consiste à utiliser une huile du type huile pour transmission pénétrant dans le refroidisseur à 1160C pour des débits de 3,8 à 11,4 litres par minute. Le piège à chaleur est constitué par un débit élevé de 182 litres par minute d'eau à 829C s'écoulant axi- alement sur le refroidisseur. La chaleur prélevée sur l'huile est calculée à partir de mesures de la différence de température de 1'huile, de son débit et de sa chaleur spécifique.Cette valeur de chaleur Q, divisée par la diffrence de température initiale entre les températures d'entrée de lthuile et de l'eau (34 C) est la valeur portée en abscisse sur la Fig 4 qui représente le comportement thermique. La valeur de la perte de charge représentée Fig. 5 est une mesure directe en kg/cm pour les divers débits huile. Comme il ressort des Fig. 4 et 5, le refroidisseur représenté à la Fig. 1 fournit un transfert calorifique supérieur aux deux autres modèles et présente néanmoins une perte de charge inférieure. En remplaçant le tube à ailette 46 par un tube ondulé 146, comme indiqué Fig. 3, le comportement thermique devient équivalent à celui du refroidisseur classique, la perte de charge augmentant légèrement. - REVENDICATIONS 1 - Refroidisseur d'huile immergé pour véhicule automobile, du type comprenant un tronçon de tube intérieur creux à travers lequel peut circuler le liquide de rêfrigérant du moteur, et un tronçon de tube extérieur fixé à ses extrémités au tube intérieur et présentant une surface intérieure qui coopère avec la surface extérieure de ce tube intérieur pour délimiter un passage d'écoulement pratiquement annulaire pour l'huile qui peut traverser des raccords d'entrée et de sortie situés aux extrémités opposées du refroidisseur; caractérisé en ce que la section de tube intérieur présente une surface extérieure de conformation hélicoïdale, et en ce que la section de tube extérieur comporte un grand nombre de cannelures s'étendant pratiquement axialement et qui viennent au contact de cette surface extérieure, les crêtes de ces cannelures étant de place en place et de manière régulière repoussées en creux transversalement, le long de leur axe et à une profondeur inférieure à celle des cannelures. 2 - Refroidisseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la surface extérieure du tube intérieur présente en saillie des ailettes venues de matière et de forme hélicoïdale. 3 - Refroidisseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le tronçon de tube intérieur présente des ondulations de conformation hélicoïdale sur sa surface extérieure. 4 - Refroidisseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les cannelures s'étendant. axialement sont ondulées de manière hélicoïdale de façon à former des creux transversaux dans ces cannelures. 5 - Refroidisseur suivant ltune quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le tronçon de tube extérieur présente environ 12 à 24 cannelures. 6 - Refroidisseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les cannelures ont une profondeur d'environ 0,1 à 0,25 cm et en ce qu'elles sont repoussées en creux à une profondeur de 0,076 à 0,229 cm. 7 - Refroidisseur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les creux des cannelures sont axialement espacés à un pas d'en- viron C,5 à 2,0 cm. 8 - Refroidisseur suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le tronçon de tube intérieur comporte environ 4 à 10 ailettes venues de matière par centimère. 9 - Refroidisseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le tube extérieur comporte environ 16 cannelures d'une profondeur d'environ 0,178cm dont les crêtes sont repoussées en creux à une profondeur d'environ 0,092 cm pour un pas axial d'environ 0,5 cm, et en ce que le tube intérieur comporte environ 10 ailettes de conformation hélicoïdale par centimètre sur sa surface extérieure. 10 - Refroidisseur suivant la revendication 7, caractérisé én ce que le tronçon de tube intérieur est pratiquement lisse à l'exception d'une ondulation hélicoïdale sur sa paroi, ayant une profond deur d'environ 0,075-0,163 cm et un pas d'environ 0,625-1,875cm.