Brevet FR2596858A1 — publié le 19871009

Echangeur de chaleur tricircuit ou quadricircuit, tel qu'un radiateur pour un circuit de refroidissement de moteur de véhicule automobile. L'invention concerne un échangeur de chaleur, tel qu'un radiateur pour un circuit de refroidissement de moteur de véhicule automobile, du type comprenant un faisceau de tubes aux extrémités duquel sont montées deux boites à eau comprenant une entrée et une sortie de fluide caloporteur. Lorsque les boites à eau de l'échangeur de chaleur ne comprennent aucune cloison interne les partageant en deux compartiments, le fluide caloporteur entrant dans l'échangeur par une boite à eau circule dans le même sens dans tous les tubes du faisceau de tubes, gagne l'autre boite à eau et sort de l'échangeur. Ce type d'échangeur est appelé "échangeur monocircuit" ou "échangeur à circuit unique". On a déjà proposé de prévoir une cloison transversale dans chaque boîte à eau pour y définir deux compartiments de tailles différentes, de telle sorte que le faisceau de tubes est divisé en trois parties d'égale importance, et que le fluide caloporteur pénétrant dans une première boite à eau circule dans une première partie du faisceau dans un sens déterminé pour arriver dans l'autre boite à eau, circule ensuite en sens inverse dans la deuxième partie du faisceau pour gagner la première boîte à eau, et circule ensuite dans la troisième partie du faisceau, dans le même sens que dans la première partie, pour gagner l'autre boite à eau et sortir de l'échangeur.Un tel échangeur, appelé "échangeur tricircuit", présente des performances thermiques supérieures à celles d'un échangeur monocircuit, en raison de l'augmentation de la vitesse de circulation du fluide caloporteur dans les tubes du faisceau. Cependant, cette augmentation de la vitesse de circulation se traduit également par une augmentation de la perte de charge du fluide caloporteur circulant dans le faisceau de tubes, qui peut être incompatible avec les caractéristiques d'un circuit de refroidissement d'un moteur à combustion interne dont fait partie l'échangeur de chaleur. Aussi, pour réduire cette perte de charge jusqu'à une valeur souhaitée, on a proposé qu'une des cloisons internes d'une boite à eau comprenne un orifice de passage d'une fraction du débit de fluide caloporteur alimentant l'échangeur, cet orifice permettant à cette fraction du débit de court-circuiter deux des parties précitées du faisceau de tubes, donc de passer de l'entrée à la sortie de l'échangeur de chaleur en circulant dans une seule partie du faisceau de tubes. Comme indiqué plus haut, les trois parties du faisceau de tubes sont d'égale importance, ctest-à-dire qu'elles comprennent le même nombre de tubes. Toutefois, comme l'une des parties du faisceau de tubes est traversée par tout le débit de fluide caloporteur alors que les deux autres parties sont traversées par un débit moins important de fluide caloporteur, il en résulte un déséquilibre fluidique entre les trois parties du faisceau de tubes, qui se traduit par une baisse du rendement global de l'échangeur de chaleur. On connaît également des échangeurs "quadricircuits" dans lesquels une boite à eau, comprenant l'entrée et la sortie de fluide, est partagée en trois compartiments par deux cloisons internes, et l'autre boite à eau est partagée en deux compartiments par une cloison interne médiane, de sorte que le faisceau de tubes est partagé en quatre parties d'égale importance dans lesquelles circule le débit de fluide alimentant l'échangeur. Lorsqu'une des cloisons internes de la première boite à eau comporte un orifice de passage d'une fraction de ce débit de fluide, pour court-circuiter deux des parties du faisceau de tubes, on constate également un déséquilibre fluidique entre ces deux parties du faisceau et les deux autres parties, qui provoque une baisse du rendement global de l'échangeur. La présente invention a notamment pour but de pallier cet inconvénient des échangeurs tricircuits et quadricircuits connus. Elle propose à cet effet un échangeur de chaleur du type tricircuit ou quadricircuit,tel qu'un radiateur pour un circuit de refroidissement de moteur de véhicule automobile, comprenant un faisceau de tubes aux extrémités duquel sont montées deux boîtes à eau comprenant une entrée et une sortie de fluide caloporteur, ces boîtes à eau étant partagées en compartiments par des cloisons internes de telle sorte que le fluide caloporteur est amené à circuler dans des sens opposés dans différentes parties du faisceau qui sont définies par les cloisons internes des boites à eau, l'une de ces cloisons internes comprenant un orifice de passage d'une fraction du débit de fluide caloporteur alimentant l'échangeur, qui permet à cette fraction du débit de court-circuiter deux des parties précitées du faisceau de tubes, caractérisé en ce que l'emplacement des cloisons internes des boîtes à eau est déterminé de façon à ce qu'un même débit de fluide caloporteur circule dans chaque tube du faisceau. Le déséquilibre hydraulique et la baisse de rendement global de l;échangeur, qui étaient constatés dans la technique antérieure, sont ainsi évités selon l'invention de façon très simple, uniquement en modifiant l'emplacement des cloisons internes des boites à eau, donc sans qu'il en résulte de frais supplémentaires lors de la fabrication de l'échangeur de chaleur. Selon une autre caractéristique de l'invention, deux des parties précitées du faisceau comprennent un même nombre de tubes, tandis que la ou chaque partie restante du faisceau comprend un nombre de tubes supérieur. Cette ou chaque partie restante du faisceau sera traversée par le débit total de fluide caloporteur alimentant l'échangeur,les deux autres parties du faisceau étant traversées par un débit inférieur à ce débit total. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, ce sont les deux parties du faisceau qui sont situées de part et d'autre de la cloison interne présentant l'orifice de passage précité, qui comprennent un même nombre de tubes inférieur à celui de la ou de chaque partie restante du faisceau. La description qui suit, faite à titre d'exemple, se réfère aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'un échangeur tricircuit selon la technique antérieure; - la figure 2 est une vue schématique correspondant à la figure 1, mais représentant un échangeur tricircuit selon l'invention; - la figure 3 représente schématiquement un échangeur quadricircuit selon l'invention. On se réfère d'abord à la figure 1, représentant un échangeur tricircuit de la technique antérieure. Cet échangeur comprend un faisceau 10 de tubes pourvus d'ailettes ou de moyens analogues d'échange thermique avec un fluide extérieur, dans lequel les tubes sont identiques les uns aux autres et sont disposés horizontalement et parallèlement les uns aux autres. Aux extrémités du faisceau 10 sont montées deux boîtes à eau 12 et 14 dans lesquelles débouchent les extrémités ouvertes des tubes du faisceau. La boite à eau 12 comprend par exemple une tubulure 16 d'entrée d'un fluide caloporteur dans l'échangeur, tandis que l'autre boite à eau 14 comprend une tubulure 18 de sortie de ce fluide caloporteur. L'espace interne de la boite à eau 12 est partagé par une cloison interne 20 en deux compartiments de taille différente et, de même, la boite à eau 14 comprend une cloison interne 22 partageant son espace interne en deux compartiments de taille différente. Dans la technique antérieure, ces cloisons internes 20 et 22 sont situées exactement au tiers supérieur et au tiers inférieur de la hauteur du faisceau de tubes 10, de façon à diviser ce faisceau de tubes en trois parties A, B et C d'égale importance, c'est-à-dire comprenant le même nombre de tubes. La cloison interne 20 de la boîte à eau 12 présente un orifice 24 de passage d'une fraction du débit de fluide caloporteur alimentant l'échangeur de chaleur. Cet échangeur fonctionne de la façon suivante Le fluide caloporteur pénétrant dans le compartiment supérieur de la boite à eau 12 par la tubulure d'entrée 16 circule dans la première partie A du faisceau de tubes 10 dans le sens indiqué par la flèche, gagne le compartiment supérieur de l'autre boite à eau 14, circule dans la deuxième partie B du faisceau de tubes dans le sens indiqué par la flèche, gagne le compartiment inférieur de la boite à eau 12, circule dans la troisième partie C du faisceau de tubes I0 dans le sens indiqué par la flèche, gagne le compartiment inférieur de la boite à eau 14 et sort de l'échangeur par la tubulure de sortie 18. Une fraction du débit de fluide caloporteur arrivant dans le compartiment supérieur de la bote à eau 12 gagne directement le compartiment inférieur de cette boite à eau par l'orifice de passage 24 de la cloison interne 20 et circule donc uniquement dans la troisième partie C du faisceau de tubes 10 pour gagner le compartiment inférieur de la boite à eau 14 et sortir de l'échangeur. Le débit de fluide caloporteur qui circule dans les parties A et B du faisceau de tubes 10 est donc inférieur au débit qui circule dans la troisième partie C de ce faisceau de tubes. Comme indiqué plus haut, il en résulte un déséquilibre hydraulique qui se traduit par une baisse du rendement thermique global de l'échangeur. L'échangeur de chaleur selon l'invention, représenté schématiquement en figure 2, permet de pallier cet inconvénient. L'échangeur représenté en figure 2 comprend, de façon générale, le même faisceau de tubes 10 que dans la technique antérieure, et les mêmes boîtes à eau 12 et 14 dont l'une est pourvue de la tubulure d'entrée 16 et l'autre de la tubulure de sortie 18. Toutefois, les emplacements des cloisons internes prévues dans ces boîtes à eau ne sont pas les mêmes que dans la technique antérieure. La cloison interne 26 de la boîte à eau 12, qui comprend un orifice 28 de passage d'une fraction du débit de fluide alimentant l'échangeur, est située plus près de l'extrémité supérieure de la boite à eau 12 que dans la technique antérieure et, de même, la cloison interne 30 de l'autre boîte à eau 14 est située plus près de l'extrémité supérieure de cette boite à eau que dans la technique antérieure. Le faisceau de tubes 10 est ainsi divisé en trois parties Al, B1 et C1, dans lesquelles les parties Al et B1 qui sont situées de part et d'autre de la cloison interne 26 présentant l'orifice passage 28, sont d'égale importance, c'est-à-dire comprennent le même nombre de tubes, tandis que la partie restante C1 comprend un nombre de tubes supérieur. Les nombres de tubes des parties Al, B1 et C1 du faisceau de tubes 10 sont déterminés de telle sorte qu'un même débit de fluide caloporteur passe dans chaque tube du faisceau 10, que ce tube appartienne à la partie Al ou à la partie B1 ou à la partie C1. Comme le débit de fluide qui passe dans la partie C1 est plus important que celui qui passe dans les parties Al et B1, il en résulte nécessairement que la partie C1 comprendra un nombre de tubes supérieur à celui des parties Al et B1. Les nombres de tubes des parties Al, Bl, C1 du faisceau sont déterminées à partir des relations suivantes Q = Q = Q+s NAl NBl NCl NAl = NB1 et NAl + NB1 + NCl = N Q étant le débit de fluide dans les parties Al et B1, q étant le débit de fluide par l'orifice 28, NAl, NB1 et NCl étant les nombres de tubes dans les parties Al, B1 et C1 du faisceau, N étant le nombre de tubes total du faisceau. De ces relations, on tire NAl = NB1 3Q + 3Q + q Ce nombre n'est pas forcément un nombre entier. On choisit alors un nombre réel de tubes N'A1 tel que E(NA1 - 1) E(NA1) étant la partie entière de NAl. On peut ainsi augmenter à une valeur optimale le rendement thermique global de l'échangeur, et améliorer son fonctionnement dans un circuit de refroidissement de moteur à combustion interne. Dans l'exemple de réalisation de la figure 2, c'est la cloison interne de la boite à eau comprenant la tubulure d'entrée qui est formée avec un orifice de passage. Bien entendu, cet orifice de passage pourrait être formé dans la cloison interne de l'autre boite à eau. Dans ce cas, le rôle des parties Al et C1 du faisceau de tubes 10 serait simplement inversé, la partie Al comprenant un plus grand nombre de tubes-que les parties B1 et C1. On se réfère maintenant à la figure 3, qui représente un échangeur quadricircuit selon l'invention. Cet échangeur comprend un faisceau de tubes 10 aux extrémités duquel sont montées une boite à eau 32 comprenant l'entrée 16 et la sortie 18 de fluide, et une boite à eau 34. La bote à eau 32 comprend deux cloisons internes 36, dont l'une comprend un orifice 38 de passage d'une petite fraction du débit de fluide, et la boîte à eau 34 comprend une cloison interne 40, les cloisons définissant quatre parties Al, B1, C1, D1 du faisceau de tubes 10 dans lesquelles le fluide circule dans le sens indiqué par les flèches. Les parties Al et B1, situées de part et d'autre de la cloison 36 comprenant l'orifice 38, sont d'égale importance, et les deux autres parties C1 et D1 sont aussi d'égale importance mais comprennent chacune un nombre de tubes supérieur à celui de chacune des parties Al et B1, de façon à ce qu'un même débit de fluide circule dans chaque tube du faisceau. Les nombres de tubes de ces parties, et donc les emplacements des cloisons 36 et 40, sont déterminés à partir des relations suivantes Q = Q = Q+q = Q+q NAl NBl NCl NDl NAl = NB1 et NC1 = ND1 NAl + NBl + NCl + NDl = N Q, q, N, NAl, NBl, NC1 ayant la même signification que précédemment, ND1 étant le nombre de tubes de la partie D1. On en tire NAl = Q.N 2(2Q+q) Si le nombre calculé n'est pas un entier, on choisit un nombre réel de tubes N'Al tel que E(NAl-l) N'Al # E(NAl) E(NA1) étant la partie entière de NAl. Revendications. 1.- Echangeur de chaleur tricircuit ou quadricircuit, tel qu'un radiateur pour un circuit de refroidissement de moteur de véhicule automobile, comprenant un faisceau de tubes (10) aux extrémités duquel sont montées deux boîtes à eau (12,14; 32,34) comprenant une entrée (16) et une sortie (18) de fluide caloporteur, ces boîtes à eau étant partagées en compartiments par des cloisons internes (26,30; 36,40), de telle sorte que le fluide caloporteur est amené à circuler dans des sens opposés dans différentes parties (Al, B1, C1, D1) du faisceau qui sont définies par les cloisons internes des boites à eau, l'une (26; 36) de ces cloisons comprenant un orifice (28; 38) de passage d'une fraction du débit de fluide caloporteur alimentant l'échangeur, qui permet à cette fraction du débit de court-circuiter deux des parties précitées du faisceau de tubes, caractérisé en ce que l'emplacement des cloisons internes (26,30; 36,40) des boîtes à eau est déterminé de façon à ce qu'un même débit de fluide caloporteur circule dans chaque tube du faisceau (10). 2.- Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que deux (Al,Bl) des parties précitées du faisceau (10) comprennent un même nombre de tubes, tandis que la ou chaque partie restante (C1: D1) du faisceau comprend un nombre de tubes supérieur. 3.- Echangeur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les deux parties (Al,Bl) du faisceau (10), situées de part et d'autre de la cloison interne (26;36) présentant ledit orifice de passage (28;38), comprennent un même nombre de tubes, qui est inférieur à celui de la ou de chaque partie restante (C1; D1) du faisceau. 4.- Echangeur tricircuit selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'orifice de passage (28) est formé soit dans la cloison interne (26) de la boîte à eau (12) comprenant l'entrée (16) de fluide caloporteur dans l'échangeur, soit dans la cloison interne (30) de la boite à eau (14) comprenant la sortie (18) de fluide. 5. Echangeur tricircuit selon la revendication 4, caractérisé en ce que le nombre de tubes de chaque partie (Al, B1) du faisceau (10) est donné par la relation suivante NA1 = NB1 = Q.N 3Q+q Q étant le débit de fluide dans les parties (Al, B1) du faisceau, N étant le nombre total de tubes du faisceau, q étant le débit de fluide par ledit orifice (28). 6. Echangeur quadricircuit selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deux parties (Al, B1) du faisceau qui sont de part et d'autre de la cloison interne (36) comprenant l'orifice (38), comprennent un même nombre de tubes qui est inférieur à celui de chacune des deux autres parties (C1, D1) du faisceau, ces deux autres parties ayant le même nombre de tubes. 7. échangeur quadricircuit selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'orifice de passage (38) est formé dans l'une des cloisons internes (36) de la boite à eau (32) comprenant l'entrée (16) et la sortie (18) de fluide caloporteur. 8. Echangeur quadricircuit selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le nombre de tubes de chaque partie (Al, B1) du faisceau est donné par la relation suivante Q.N NA1 = NB1 = 2(2Q+q) Q étant le débit de fluide dans les parties (Al, B1) du faisceau, N étant le nombre total de tubes du faisceau, q étant le débit de fluide par ledit orifice (38).