Brevet FR2660746A1 — publié le 19911011

Echangeur de chaleur à tubes pour le dégivrage rapide d'un pare-brise, et son procédé de montage L'invention concerne un échangeur de chaleur comprenant un faisceau de tubes parallèles propres à être parcourus par un premier fluide caloporteur, et une multiplicité d'ailettes conductrices de la chaleur, disposées transversalement aux tubes et présentant des ouvertures pour le passage de ceux-ci en bon contact thermique avec les ailettes, les surfaces de celles-ci étant propres à être balayées par un courant d'un second fluide à réchauffer. De tels échangeurs de chaleur sont utilisés notamment pour le chauffage de l'habitacle et/ou pour le-dégivrage du parebrise des véhicules automobiles, le premier fluide pouvant être le liquide de refroidissement du moteur thermique du véhicule, et le second fluide de l'air envoyé dans l'habita- cle ou sur la face interne du pare-brise. Lorsque le pare-brise d'un véhicule est couvert de givre, il est nécessaire d'éliminer ce givre avant de mettre le véhicule en marche. Si le moteur est froid, il faudra le faire tourner longtemps avant que l'air ayant traversé l'échangeur de chaleur soit suffisamment chaud pour faire fondre le givre. Il est donc souhaitable de disposer d'une source de chaleur d'appoint pour réchauffer l'air rapidement dans de telles circonstances. FR-A-1 305 867 décrit une solution à ce problème, qui est d'ailleurs présentée comme visant surtout à chauffer rapidement l'habitacle du véhicule. Cette solution consiste à prévoir un élément chauffant électrique, alimenté par la génératrice du véhicule, en série avec l'échangeur de chaleur dans le circuit de l'air à réchauffer. Aucune description n'est donnée de cet élément chauffant. On peut imaginer qu'il s'agit de filaments traversés par un courant électrique et en contact direct avec l'air à réchauffer. Dans ce cas, la faible surface d'échange de chaleur oblige à porter les filaments à une température élevée, qui entraine à son tour un risque d'incendie, une fragilité des filaments par suite d'oxydation et des odeurs désagréables de poussière brûlée. Une autre possibilité est d'utiliser un élément chauffant dont la surface de contact avec l'air est agrandie au moyen d'ailettes et est donc à température plus basse. Il en résulte alors une augmentation notable de l'encombrement et du coût de l'installation. Le but de l'invention est de résoudre le problème exposé ci-dessus, sans tomber dans les inconvénients qui viennent d'être indiqués. A cet effet, conformément à l'invention, un échangeur de chaleur du genre défini en introduction comprend en outre au moins un élément chauffant électrique allongé s'étendant parallèlement aux tubes à travers des ouvertures prévues dans certaines au moins des ailettes et en bon contact thermique avec celles-ci. Avantageusement, l'élément chauffant comprend au moins une résistance électrique enferm.^c dnns une gaine, laquelle peut avoir une forme cylindrique de section transversale allongée, les deux bornes de raccordement électrique de l'élément chauffant pouvant être situées à une même extrémité de cette gaine. Alternativement, la gaine peut avoir une section transversale sensiblement uniforme et circulaire et être recourbée en forme de U, les deux bornes de raccordement électriques de l'élément chauffant étant situées respectivement aux extrémités libres des branches du U. Dans le cas où les tubes de l'échangeur et la gaine de l'élément chauffant sont tous recourbés en forme de U, le fond du U de l'élément chauffant d'une part, et les fonds des U des tubes d'autres part peuvent être tournés en sens opposés. L'invention vise également un procédé de montage d'un échangeur de chaleur tel que défini ci-dessus, dans lequel on assemble le faisceau de tubes et les ailettes, et on enfonce l'élément chauffant à travers les ouvertures supplémentaires des ailettes en le poussant dans sa direction longitudinale. Lorsque l'élément chauffant comporte une gaine recourbée en forme de U, il est avantageux que les ouvertures supplémentaires aient une forme en haltère comportant deux zones d'extrémité élargies propres à recevoir avec serrage respectivement les deux branches de la gaine, reliées entre elles par une zone intermédiaire plus étroite, et que les ailettes qui viennent en contact avec le fond du U de la gaine soient déformées par celui-ci lors de l'enfoncement de l'élément chauffant avec élargissement correspondant de la zone intermédiaire des ouvertures, ce qui permet d'escamoter complètement le fond dans le bloc d'ailettes en évitant tout contact avec le collecteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'InventIon ressortiront de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue partielle en perspective, partiellement arrachée, d'un échangeur de chaleur selon l'invention; - la figure 2 représente une ailette de cet échangeur; - la figure 3 est une vue en coupe d'un autre échangeur de chaleur, selon la ligne III-III de la figure 4; - la figure 4 est une vue en coupe selon la ligne IV-IV de la figure 3; et - la figure 5 est une vue en bout selon la flèche F de la figure 4. L'échangeur de chaleur partiellement représenté à la figure 1 comprend une multiplicité d'ailettes 1, toutes identiques, constituées par des feuilles de tôle mince rectangulaires, disposées les unes au-dessus des autres avec un faible écartement mutuel pour former un bloc parallélépipédique. Chaque ailette 1 présente une série d'ouvertures circulaires 2 régulièrement réparties (voir figure 27 dans lesquelles sont engagés avec serrage des tubes parallèles 40 qui assurent ainsi le positionnement relatif des ailettes. A une extrémité du bloc d'ailettes est monté un collecteur 3 sous forme d'une plaque munie d'ouvertures qui viennent en alignement avec les ouvertures 2 des ailettes et qui sont traversées de façon étanche par les extrémités des tubes, grâce à un joint d'étanchéité 4. Le bord périphérique du collecteur 3 est serti sur une boite à fluide 41 avec laquelle il définit une ou plusieurs chambres reliées à l'ensemble des tubes pour la circulation d'un fluide caloporteur. Selon l'invention, les ailettes 1 présentent une ouverture supplémentaire 5 en forme d'haltère (figure 2), comprenant deux zones d'extrémité circulaires de même diamètre 6, reliées entre elles par une zone intermédiaire 7 à bords parallèles d'une largeur inférieure au diamètre des zones circulaires 6. L'ouverture 5 présente deux axes de symétrie dans le plan de l'ailette. On voit à la figure 1 une partie de la gaine 8 d'un élément chauffant électrique, cette gaine ayant la forme d'un cylindre de révolution recourbé en forme de U en formant une branche rectiligne 9, une autre branche rectiligne non visible parallèle à la branche 9, et un fond en demi-cercle 10 reliant ces deux branches. Les deux branches sont introduites avec serrage dans les deux zones circulaires 6 respectivement de chaque ailette 1, et s'étendent donc parallèlement aux tubes de l'échangeur de chaleur en raison de l'alignement des zones 6 des différentes ailettes. Les ailettes qui sont en contact avec le fond 10 de la gaine sont déformées, les parties 11 de ces ailettes situées entre les zones d'extrémité 6, de part et d'autre de la bande 7, étant pliées hors du plan de l'ailette pour élargir localement cette zone 7 au diamètre des zones 6.Le fond 10 n'est pas en contact avec le collecteur 3. L'échangeur de chaleur illustré aux figures 3 à 5 est du type comportant une rangée de tubes en U dont les deux extrémités ouvertes 21,22 (figure 3) débouchent respectivement dans deux chambres 23,24 d'une boîte à fluide 25 séparées l'une de l'autre par une cloison longitudinale 26. Les extrémités des tubes traversent de façon étanche un collecteur 27 qui constitue une paroi des chambres 23 et 24. L'échangeur de chaleur conprend egalement un bloc d'ailettes 28 formé d'ailettes non représentées-en détail. Comme l'ailette 1 de la figure 2, chacune des ailettes du bloc 28 comprend deux rangées d'ouvertures circulaires dans lesquelles sont engagées respectivement les deux branches des tubes 20, et une ouverture supplémentaire en forme d'haltère orientée selon l'axe de symétrie longitudinal de l'ailette. Les deux zones d'extrémité circulaires 30 de l'ouverture 29 sont situées de part et d'autre de l'un des tubes, référencé 20-1. Un élément chauffant électrique 31 est logé dans une gaine cylindrique de révolution recourbée en U pour former deux branches parallèles 31,32 reliées entre elles par un fond en demi-cercle 33. Les branches 31,32 sont engagées respectivement dans les deux zones circulaires 30 de chaque ailette, et sont donc orientées parallèlement aux branches des tubes 20. Le fond 33 est tourné vers le collecteur 27, donc à l'opposé des fonds 34 des tubes 20. Aux extrémités libres des branches 31 et 32 font saillie respectivement les deux bornes de raccordement électriques 35,36 de l'élément chauffant. Ces bornes sont situées sensiblement dans l'alignement des fonds 34 des tubes. Pour réaliser le montage de l'échangeur de chaleur selon la figure 1 ou selon les figures 3 à 5, on assemble d'abord les tubes et les ailettes, puis on enfonce l'élément chauffant dans l'épaisseur du bloc d'ailettes, les extrémités libres des branches de la gaine étant engagées en premier dans les zones d'extrémité circulaires de l'ouverture supplémentaire. Tant que le fond du U de la gaine reste à l'extérieur du bloc d'ailettes, les branches rectilignes pénètrent exclusivement dans les zones circulaires 6 ou 30 et les ailettes ne se déforment pas.Lorsque les branches rectilignes ont entièrement pénétré dans le bloc, les ailettes se déforment pour recevoir le fond 10 ou 33, comme décrit plus haut, cette déformation intervenant progressivement pour l'ensemble des ailettes qui viennent en contact avec le fond, à mesure de la progression de celui ci. Lors- que l'élément chauffant est enfoncé au degré voulu, on met en place la boîte à fluide, le collecteur 3 ou 27 venant à proximité du fond 10 ou 33. L'élément chauffant est fermement immobilisé dans la direction longitudinale par le serrage des ailettes. La disposition des bornes 35,36 telle qu'illustrée aux figures 3 à 5 permet un raccordement électrique particulièrement aisé de l'élément chauffant. L'ailette représentée à la figure 2 peut être utilisée indifféremment pour un échangeur de chaleur sans élément chauffant électrique, auquel cas l'ouverture 5 ne sert pas, mais n'affecte pas de façon sensible l'échange de chaleur, pour un échangeur de chaleur comportant un élément chauffant en U comme décrit, ou encore pour un échangeur de chaleur comportant un élément chauffant présentant une gaine cylindrique à section transversale allongée, cette section ayant une longueur égale à celle de l'ouverture 5- et une largeur égale au diamètre des zones circulaires 6, et étant arrondi à ses extrémités au rayon des zones 6.Lorsqu'on enfonce un tel élément chauffant à travers le bloc d # ai d'ailettes, les ailettes se déforment avec élargissement des zones intermédiaires 7, sur toute leur longueur, jusqu'au diamètre des zones d'extrémité 6. Un tel élément chauffant est avantageusement utilisé avec un courant d'air à réchauffer circulant parallèlement à la direction longitudinale des ouvertures 5, direction pour laquelle il offre la moindre résistance à l'écoulement. Au contraire, un élément chauffant en U est avantageusement utilisé lorsque le courant d'air circule transversalement par rapport aux ouvertures 5, ses deux branches réchauffant des filets d'air différents. Bien entendu, d'autres formes d'éléments chauffants peuvent être prévues, et d'autres formes d'ouvertures pour les lo ger. . Au lIeu de prévoir des ouvertures spéciales pour le ou les éléments chauffants, on peut aussi utiliser des ailettes existantes et remplacer certains tubes par des éléments chauffants. Cette solution présente l'inconvénient de nécessiter l'obturation des ouvertures correspondantes du collecteur. Bien entendu, la forme des tubes décrite et illustrée aux figures 3 à 5 ne l'a été qu'à titre d'exemple non limitatif. Comme indiqué en introduction, l'invention est utilisable notamment pour accélérer le dégivrage du pare-brise du véhicule lorsque le moteur est froid. Le véhicule devant rester à l'arrêt tant que le pare-brise n'est pas dégivré, toute la puissance électrique produite par le moteur peut être consommée par l'élément chauffant. Il est à noter que la chaleur dégagée par ce dernier et non transmise au courant d'air est recueillie par le fluide caloporteur encore froid contenu dans les tubes de l'échangeur, ce qui accélère l'échauffement du moteur. Une autre possibilité d'utilisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention est de différencier la température de l'air à la sortie de l'échangeur en fonction de sa destination, par exemple pour obtenir de l'air plus chaud à la partie basse de l'habitacle qu'à la- partie haute, dans le cas où les tubes sont horizontaux. Lorsque la régulation du circuit de chauffage est effectuée par un robinet de commande pour le fluide caloporteur, l'emplacement de l'élément chauffant dans l'échangeur de chaleur est choisi en fonction de l'application, par exemple à la partie haute dans le cas du dégivrage. Il est également possible de prévoir plusieurs éléments chauffants commandés séparément pour régler indépendamment la température dans differentes parties de l'habitacle, par exemple du côté droit et du côté gauche, dans le cas d'un échangeur à tubes verticaux. Revendications 1.- Echangeur de chaleur comprenant un faisceau de tubes parallèles (40) propres à être parcourus par un premier fluide caloporteur, et une multiplicité d'ailettes (1) conductrices de la chaleur, disposées transversalement aux tubes et présentant des ouvertures (2) pour le passage de ceux-ci en bon contact thermique avec les ailettes, les surfaces de celles-ci étant propres à être balayées par un courant d'un second fluide à réchauffer, caractérisé en ce qu'il comprend en-outre au moins un élément chauffant électrique allongé (8) s'étendant- parallèlement aux tubes à travers des ouvertures (5) prévues dans certaines au moins des ailettes et en bon contact thermique avec celles-ci. 2.- Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément chauffant comprend au moins une résistance électrique enfermée dans une gaine. 3.- Echangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la gaine a une forme cylindrique de section transversale allongée. 4.- Echangeur selon la revendIcatIon 3, caractérisé en ce que les deux bornes de raccordement électrique de l'élément chauffant sont situées à une même extrémité de la gaine cylindrique. 5.- Echangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la gaine a une section transversale sensiblement uniforme et circulaire et est recourbée en forme de U, les deux bornes (35,36) de raccordement électrique de l'élément chauffant étant situées respectivement aux extrémités libres des branches (31,32) du U. 6.- Echangeur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les tubes sont également recourbés en forme de U, le fond (33) du U de l'élément chauffant d'une part et le fond (34) des U des tubes d'autre part étant tournés en sens opposés. 7.- Echangeur selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le fond (33) du U de la gaine est entièrement noyé dans le bloc (28) formé par l'ensemble des ailettes. 8.- Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les ouvertures- (5) de passage de l'élément chauffant sont découpées dans les ailettes selon une forme en haltère. 9.- Procédé de montage d'un échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on assemble le faisceau de tubes (20) et les ailettes (28), et qu'on enfonce l'élément chauffant (31) à travers les ouvertures supplémentaires (29) en le poussant dans sa direction longitudinale. 10.- Procédé selon la revendication 9, pour le montage d'un échangeur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les ouvertures (5) de passage de l'élément chauffant ont une forme en haltère comportant deux zones d'extrémités élargies (6) propres à recevoir avec serrage respectivement les deux branches (9) de la gaine, reliées entre elles par une zone intermédiaire (7) plus étroite, et qu'on enfonce l'élément chauffant en commençant par les extrémités libres des branches du U de la gaine, les ailettes qui viennent en contact avec le fond du U de la gaine étant déformées par celui-ci lors de l'enfoncement de l'élément chauffant avec élargissement correspondant de la zone intermédiaire des ouvertures.