Brevet FR2487061A1 — publié le 19820122

La présente invention concerne un échangeur de chaleur à tubes jumelés constitués chacun par deux tubes concentriques, logé dans un reservoir contenant un liquide de refroidissement, le fluide à refroidir étant dirigé dans les tubes par une tubulure de distribution. De tels échangeurs de chaleur sont connus et essentiellement utilisés pour le refroidissement de l'huile lubrifiante de moteurs ou de l'huile pour engrenages dans des convertisseurs de couple, transmissions automatiques, etc. Pour le refroidissement, de tels échangeurs de chaleur sont souvent disposés dans le collecteur d'eau du radiateur d'un véhicule, le dimensionnement d'un échangeur de chaleur étant ainsi limité par les dimensions de ces collecteurs. Pour augmenter néanmoins la capacité d'échange de chaleur d'un échangeur ainsi monté, il est connu d'utiliser des tubes jumelés dans lesquels l'huile est dirigée dans l'espace compris entre les tubes et par suite refroidie par l'intérieur et par l'extérieur. La demande de brevet de la République fédérale d'Allemagne publiée sous le nO 12 04 693 et le brevet de la E.F.A. nO 11 04 542 décrivent l'alimentation de chaque tube jumelé en fluide à refroidir par l'inter mediaire d'une tubulure de distribution. Cette solution étant trés coûteuse, en particulier quand plusieurs tubes jumelés sont utilisés pour le refroidissement, la demande de brevet de la République fédérale d'Allemagne publiée sous le nO 28 22 743 propose de disposer de tels tubes jumelés côte à côte et aux sommets d'un triangle, lesdits tubes étant réunis avec étanchéité aux gaz à l'aide d'éléments soudés formant réservoir.Cette solution présente toutefois l'inconvénient suivant : le fluide est dirigé vers la tubulure de distribution par un des tubes parallèles à l'axe longitudinal et disposés en triangle, puis doit être dévié dans ladite tubulure de façon à atteindre le tube considéré. Il en résulte que des résistances d'étranglement apparaissent dans la zone de déviation du fluide et influencent l'écoulement. L'encombrement de tels échangeurs de chaleur est en outre plus grand. L'invention a pour objet un échangeur de chaleur simple et économique, permettant de disposer avec un encombrement réduit plusieurs tubes jumelés pour le refroidissement, en particulier d'huile moteur ou pour engrenages, avec une densité de puissance élevée et une distribution optimale du flux d'huile incident, avec de faibles pertes de charge. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, la tubulure de distribution, perpendiculaire à l'axe longitudinal des tubes, porte des gorges semicirculaires, parallèles audit axe longitudinal et de rayon égal à celui du tube extérieur des deux tubes concentriques. L'avantage particulier de cette solution réside dans le fait que la réalisation de gorges semicirculaires permet de disposer les tubes sur la tubulure de distribution avec un encombrement très réduit, car les tubes peuvent se fixer dans les gorges. La largeur de l'échangeur de chaleur peut ainsi n'être que très légèrement supérieure à celle de la tubulure de distribution. La réalisation de telles gorges présente en outre l'avantage de permettre une incidence tangentielle dans les tubes, de sorte qu'aucun étranglement sensible ne se produit et le fluide à refroidir peut ainsi circuler dans les tubes avec un debit-masse élevé. La densité de puissance d'un tel échangeur de chaleur est ainsi élevée et on obtient en outre une division et une incidence du fluide avec de faibles pertes de charge. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, trois tubes jumelés sont disposés en triangle dans les gorges correspondantes de la tubulure de distribution, de façon que deux se trouvent sur les côtes et un dans le bas. Cette disposition représente une possibilité particulièrement compacte et garantit un rendement élevé de l'echan- geur de chaleur, par suite de l'incidence tangentielle dans les tubes latéraux. Selon une autre caractéristique de l'invention, la tubulure de distribution comporte un canal axial, auquel se raccorde un canal de diamètre inférieur, les sections des deux canaux étant de préfé- rence dans le rapport de 3/1. Une possibilité particulièrement favorable est alors ouverte pour disposer les orifices d'alimentation dans le tube extérieur de chaque paire de tubes concentriques.Ce résultat peut s'obtenir en produisant d'abord la tubulure de distribution avec ses gorges, les canaux longitudinaux de diamètre différent et les orifices de passage de même diamètre. Trois orifices de même section sont obtenus en adaptant la position axiale des gorges au diamètre des canaux par l'intermédiaire de la profondeur des gorges. Il est ainsi possible de fixer le tube extérieur des tubes jumelés dans les gorges, puis d'usiner en une opération les ouvertures correspondant aux orifices de passage de la tubulure de distribution, à l'aide d'une fraise étagée ou d'un outil similaire. L'huile pénétrant dans la tubulure de distribution est ainsi divisée en trois flux partiels égaux, dont chacun est dirigé vers un tube, et un montage étanche et fiable des tubes est en outre possible facilement sur la tubulure de distribution. Lors du montage des tubes, il est ainsi inutile de veiller à superposer les ouvertures des tubes aux orifices de la tubulure de distribution, car il est désormais possible de fixer les tubes, dont seule la longueur doit être adaptee pour le montage, sur la tubulure de distribution, puis d'usiner des ouvertures qui sont alors toujours superposées. L'eau de refroidissement attégnant l'échangeur de chaleur perpendiculairement au sens d'écoulement de l'huile à refroidir, seuls de très faibles contre-courants apparaissent dans la petite section circulaire des tubes intérieurs. Un renforcement de la circulation de l'eau de refroidissement en contre-courant dans la section des tubes intérieurs est favorable à l'accroissement du rendement de l'échangeur de chaleur. Ce résultat est obtenu, selon une autre caracteristique de l'invention, en disposant un déflecteur du côté de sortie de l'huile, de façon qu'il entoure au moins un tube perpendiculaire au sens d'écoulement de l'huile et dirigeant de façon connue l'eau de refroidissement du réservoir au collecteur d'eau d'un radiateur. Un tel déflecteur peut être inséré dans le flux d'eau circulant dans les tubes intérieurs de façon à améliorer le passage de l'eau et par suite la transmission de chaleur sur les tubes intérieurs. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le déflecteur est maintenu entre les tubes jumelés par des nervures des tubes extérieurs et un tenon de forme appropriée. Il est également favorable de réaliser le déflecteur en matière plastique, car il n'assume aucune fonction de refroidissement et la production en matière plastique est economique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'exemples de réalisation et des dessins annexés sur lesquels la figure 1 est la coupe partielle du collecteur d'eau d'un radiateur, avec un déflecteur monté sur l'échangeur de chaleur; la figure 2 est la coupe perpendiculaire à l'axe d'un échangeur de chaleur selon l'invention, constitué par la tubulure de distribution et les tubes jumelés; la figure 3 est la coupe axiale des tubes d'une partie de I'échangeur de chaleur; et la figure 4 est l'élévation frontale d'un déflecteur fixé sur l'échan- geur de chaleur. La figure 1 represente partiellement un radiateur 21, comportant un collecteur d'eau 20 à sa partie inférieure. Ce collecteur contient un échangeur de chaleur1 dont les tubes extérieurs 3 sont visibles et dans lesquels l'huile à refroidir circule entre un orifice d'alimentation 11 et un orifice de retour 12. L'eau de refroidissement, contenue dans un réservoir supérieur non représenté, est dirigee dans le collecteur d'eau inferieur par les tubes 15, dans le sens de la flèche. Un déflecteur 14 est maintenu sur l'extrémité de sortie d'huile de l'échangeur de chaleur; il est disposé de façon à entourer, dans l'exemple représenté, trois tubes 15 d'eau de refroidissement, perpendiculaires au sens d'ecoulement de l'huile. Un tel collecteur d'eau ne pouvant présenter qu'une largeur relativement faible, il est essentiel de réaliser un échangeur de chaleur compact, tout en conservant un rendement elevé. La figure 2 illustre cette réalisation selon l'invention. Elle représente une paroi 1 du collecteur d'eau 20, dans laquelle sont montés avec étanchéité à l'eau une tubulure de distribution d'eau, munie de joints toriques 5 et portant les tubes jumelés, et un raccord fileté non représenté.La partie de la tubulure de distribution d'eau située dans le collecteur d'eau 1 porte des gorges longitudinales 9a, 9b, 9c, dans lesquelles peuvent être brases les tubes jumelés, constitués chacun par un tube extérieur 3 et un tube intérieur 4. La tubulure de distribution 2 et les tubes jumelés 3, 4 font partie d'un échangeur de chaleur pour le refroidissement de l'huile moteur, que la tubulure de distribution 2 dirige dans l'espace compris entre les tubes 3 et 4 des tubes jumelés, et qui refroidit l'eau circulant dans le radiateur 21 et balayant tant l'intérieur des tubes 4 que l'extérieur des tubes 3 de l'échangeur de chaleur. Des chicanes 17 connues, qui produisent une turbulence favorisant la transmission de chaleur, sont introduites dans l'espace compris entre le tube extérieur 3 et le tube intérieur 4.Elles fixent également la position des tubes intérieurs 4 dans les tubes extérieurs 3. Le rayon des gorges semicirculaires 9a, 9b, 9c est égal à celui du tube extérieur des tubes jumelés. Tous les tubes extérieurs 3a, 3b, 3c présentent le même diametre dans l'exemple de réalisation, de même que les tubes intérieurs 4a, 4b, 4c. La profondeur t des gorges 9 permet un écartement des tubes extérieurs 3 régulier et facile à déterminer à la construction; la profondeur t est choisie de façon à produire dans la zone de passage du canal 6a de diamètre inférieur au canal 6 de diamètre supérieur de la tubulure de distribution 2 des orifices 7a et 7b, de section egale à celle du canal 6a et à celle de l'orifice 7c déterminé par ladite section. Trois orifices 7a, 7b et 7c de même section, par lesquels l'huile peut pénétrer de la tubulure de distribution dans les tubes jumelés, sont ainsi produits sur les canaux 6 et 6a de la tubulure de distribution. Dans un montage selon figure 2, deux tubes jumelés 3a, 4a et 3b, 4b sont disposés en regard sur les côtes de la tubulure de distribution, et un tube jumelé 3c, 4c se trouve à l'extrémité inférieure 8 de ladite tubulure. Avec cette disposition, l'échangeur de chaleur présente une largeur relativement faible et permet néanmoins un rendement élevé, car par suite de l'incidence tangentielle dans les deux tubes disposes sur les côtés de la tubulure de distribution 2, aucun étranglement ne perturbe la circulation régulière et rapide de l'huile dans les tubes jumelés. La réalisation de trois orifices égaux 7a, 7b et 7c assure en outre la division du flux d'huile pénétrant dans la tubulure de distribution en trois flux partiels egaux, permettant ainsi un refroidissement regulier du flux total. Les gorges 9a, 9b, 9c de la tubulure de distribution 2 offrent une possibilité très avantageuse pour réaliser sur les tubes extérieurs 3a, 3b, 3c des tubes jumelés correspondants les ouvertures nécessaires à l'arrivée d'huile, en recouvrement avec les orifices 7a, 7b et 7c de la tubulure de distribution. Ce résultat peur s'obtenir en brasant d'abord, lors du montage, les tubes jumelés ne comportant pas encore d'ouvertures dans les gorges 9a, 9b, 9c de la tubulure de distribution 2. Il est ensuite possible d'introduire un foret étagé ou un outil similaire dans le canal 6 de la tubulure de distribution 2, puis de le guider vers le bas jusqu'à ce que les tubes extérieurs latéraux 3a et 3b, ainsi que le tube 3c de base présentent les ouvertures correspondantes. Lorsque les canaux 6 et 6a sont usinés dans la tubulure de distribution 2 avec un rapport des sections de 3/1, il est facile d'obtenir dans les canaux trois orifices de même section, et par suite la division régulière souhaitée du flux d 'huile alimentant la tubulure de distribution 2 en trois flux partiels égaux. La figure 3 montre que les extrémites frontales 10 des tubes jumelés fixés dans les gorges 9 présentent chacune un évasement 18 des tubes intérieurs 4, permettant de souder les extrémités frontales des tubes intérieurs 4 sur celles des tubes extérieurs 3 pour obtenir un canal étanche de circulation d'huile. Le déflecteur 14 est fixé par un tenon 13 sur des nervures 16 des tubes extérieurs 3, et peut donc se monter tres facilement, comme le montrent les figures 1 et 4. Le rôle du déflecteur 14 consiste à dévier l'eau circulant dans les tubes, disposés sur le côté du radiateur 21, au-dessus du déflecteur et perpendiculairement a l'axe longitudinal des tubes parcourus par l'huile, de façon que ladite eau puisse circuler avec une vitesse d'écoulement suffisante dans les tubes intérieurs 4a, 4b et 4c. En résumé, on obtient ainsi un échangeur de chaleur compact, facile à monter, de production économique et caractérisé par un rendement élevé. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Echangeur de chaleur à tubes jumelés. constitues chacun par deux tubes concentriques, logé dans un reservoir contenant un liquide de refroidissement, le fluide à refroidir étant dirigé dans les tubes par une tubulure de distribution, et caractérisé en ce que la tubulure de distribution (2), perpendiculaire à l'axe longitudinal des tubes jumelés (3, 4), porte des gorges (9) semicirculaires, parallèles audit axe longitudinal et de rayon égal à celui du tube extérieur (3) des deux tubes concentriques (3, 4). 2. Echangeur de chaleur selon revendication 1, caractérisé en ce que trois tubes jumeles sont disposés en triangle dans les gorges (9) de la tubulure de distribution (2), de façon que deux se trouvent sur les côtés et un dans le bas. 3. Echangeur de chaleur selon revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la tubulure de distribution (2) comporte un canal axial (6), auquel se raccorde vers le bas un canal (6a) de diamètre inférieur. 4. Echangeur de chaleur selon revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la position axiale des gorges (9) est adaptée aux canaux (6, 6a), à l'aide de la profondeur (t) des gorges, de façon à obtenir trois orifices (7a, 7b, 7c) de même section. 5. Echangeur de chaleur selon revendication 3, caractérisé en ce que les sections des deux canaux (6, 6a) présentent un rapport de 3/1. 6. Echangeur de chaleur selon revendications 1 à 4, caractérisé par un déflecteur (14) disposé du côté de sortie de l'huile de façon à entourer au moins un tube (15) d'eau de refroidissement, perpendiculaire au sens d'écoulement de l'huile. 7. Echangeur de chaleur selon revendication 6, caractérisé par la réalisation du déflecteur en matière plastique. 8. Echangeur de chaleur selon revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le déflecteur (14) est maintenu entre les tubes jumelés (3, 4) par des nervures (16) prévues sur les tubes extérieurs (3) et un tenon (13) de forme correspondante. 9. Proche'dé rouir la production d'un échangeur de chaleur selon revendication 1, caractérisé par les phases suivantes - production de la tubulure de distribution avec ses gorges (9), les canaux (6, 6a) longitudinaux de diamètre différent et les orifices de passage (7a, 7b, 7c); - fixation des tubes extérieurs (3) des tubes jumeles (3a, 4) dans les gorges (9); puis - usinage sur les tubes extérieurs (3), en une seule opération, des ouvertures correspondant aux orifices de passage (7a, 7b, 7c) à l'aide d'une fraise étagée ou d'un outil similaire.