Brevet FR2664368A1 — publié le 19920110

i ECHANGEUR DE CHALEUR, MONTE SUR VEHICULE, DU TYPE A FLUX PARALLELE. Cette invention concerne un échangeur de chaleur du type à flux parallèle tel que celui réalisé sous forme d'un condenseur. L'échangeur de chaleur du type à flux parallèle tel que celui réalisé sous forme d'un condenseur comporte conventionnellement une pluralité de tubes plats et des ailettes ondulées empilées alternativement, les uns sur les autres, une conduite distributrice d'entrée à laquelle lesdits tubes plats sont reliés à l'une de leurs extrémités, une conduite collectrice de sortie à laquelle lesdits tubes plats sont reliés à leurs autres extrémités Il est également connu de munir lesdites conduites distributrice/collectrice respectives, à l'intérieur, de cloisons de façon qu'un flux de réfrigérant replié plusieurs fois en zigzag s'établisse le long d'une pluralité de chemins définis entre les deux conduites distributrice/collectrice, avec un rendement de l'échange de chaleur supérieur à celui obtenu par l'échangeur de chaleur habituel du type serpentin, ce qui réduit avantageusement la quantité de réfrigérant nécessaire (par exemple publications de demande de brevet japonais Nos 1988-34466; et 1988-243688). Toutefois, même dans cet échangeur de chaleur amélioré du type à flux parallèle, il est difficile d'améliorer le rendement global de l'échangeur de chaleur même en prescrivant séparément les facteurs respectifs de conception du fait que la résistance de l'air de refroidissement à l'écoulement et la valeur du rayonnement thermique, d'une part, et la résistance de passage du réfrigérant et le rendement de l'échange de chaleur, d'autre part, sont en étroite relation les uns avec les autres. Par conséquent, un but principal de l'invention est de proposer un échangeur de chaleur qui permette d'améliorer son rendement global. Selon l'invention, on atteint le but indiqué ci-dessus en proposant un échangeur de chaleur du type à flux parallèle comportant une pluralité de tubes plats et des ailettes ondulées empilées alternativement, les uns sur les autres, une conduite distributrice d'entrée à laquelle lesdits tubes plats sont reliés à leurs premières extrémités, une conduite collectrice de sortie à laquelle lesdits tubes plats sont reliés à leurs autres extrémités, et des cloisons prévues à l'intérieur desdites conduites distributrice/collectrice respectives de façon qu'un flux de réfrigérant replié plusieurs fois en zigzag s'établisse le long d'une pluralité de chemins définis entre les deux conduites distributrice/collectrice, caractérisé par le fait que: a) chacune desdites ailettes ondulées a une hauteur B canprise entre 7 et 10 mm; b) chacune desdites ailettes ondulées a une largeur C canprise entre 14 et 25 mm, mesurée dans la direction parallèle au flux d'air; c) chacune desdites ailettes ondulées a une épaisseur de paroi D comprise entre 0,12 et O,14 mm; d) chacune desdites ailettes ondulées a un pas E, tel que la distance entre chaque paire d'ondulations voisines, soit comprise entre 2,0 et 4,0 mm; e) chacun desdits tubes plats a une hauteur F comprise entre 1,5 et 2,5 mm; f) chacun desdits tubes plats a une largeur G comprise entre 12 et 23 mm, mesurée dans la direction parallèle au flux d'air; g) il est défini des chemins dont le nombre P este compris entre 3 et 6; et h) le nombre de tubes plats dans lesdits chemins respectifs va en décroissant, d'environ le même nombre, depuis le côté le plus en amont jusqu'au côté le plus en aval, et le nombre de tubes définissant le chemin le plus en amont est environ le double du nombre de tubes définissant le chemin le plus en aval. Les autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaîtront à partir de la description qui suit d'une réalisation préférée et en référence aux dessins joints. Les figures l à il illustrent un mode de réalisation de 1 'in- vention sur lesquelles: La figure l est une vue avant de l'échangeur de chaleur. La figure 2 est une vue en coupe de la conduite distributrice/collectrice prise selon la ligne II-II de la figure La figure 3 est une vue en coupe prise selon une ligne III- III de la figure 2. La figure 4 est une vue de côté des tubes plats et des ailettes ondulées représentés sur la figure 3. La figure 5 est une courbe donnant la résistance de passage en fonction de la nature plate. La figure 6 est une courbe donnant le rendement del'échange de chaleur en fonction de la hauteur des ailettes. La figure 7 est une courbe donnant le rendement de l'échange de chaleur en fonction de la largeur des ailettes. La figure 8 est une courbe donnant le rendement de l'échange de chaleur en fonction de l'épaisseur de la paroi des ailettes. La figure 9 est une courbe donnant le rendement de l'échange de chaleur en fonction du pas des ailettes. La figure 10 est une courbe donnant le rendement de l'échange de chaleur en fonction de la hauteur des tubes; et la figure 11 est une courbe donnant la résistance de passage en fonction du nombre de chemins. Un échangeur de chaleur 1 conforme à ce mode de réalisation comporte, comme représenté sur la figure 1, une pluralité de tubes plats 2 et d'ailettes ondulées 3 empilée alternativement, les uns sur les autres, une conduite distributrice d'entrée 4 à laquelle ces tubes plats 2 sont reliés à leurs premières extrémités ainsi qu'une conduite collectrice de sortie 5 à laquelle lesdits tubes plats sont reliés à leurs autres extrémités Les conduites distributrice/collectrice respectives 4, 5 ont leurs extrémités verticalement opposées obturées par des bouchons 6, 7 respectivement Une tubulure d'entrée 8 est reliée à la conduite distributrice d'entrée 4 près de son extrémité supérieure et une tubulure de sortie 9 est reliée à la conduite collectrice de sortie 5 près de son extrémité inférieure La conduite distributrice d'entrée et la conduite distributrice de sortie 4, 5 contiennent l'une et l'autre des cloisons 10 conçues pour définir une pluralité de chemins, définis chacun par une pluralité de tubes plats 2 Dans ce mode de réalisation, le nombre de chemins définis est P = 5 Par s conséquent, l'invention propose l'échangeur de chaleur du type à flux parallèle dans lequel un flux de réfrigérant replié plusieurs fois en zigzag s'établit le long d'une pluralité de chemins Ps 1 à Ps 5 entre la tubulure d'entrée 8 et la tubulure de sortie 9. Comme représenté sur la figure 2 en coupe, chacune desdites conduites distributrice/collectrice, 4, 5 est constituée d'un réservoir 12 et d'une plaque d'extrémité 13, ayant chacun une section droite incurvée circulairement de sorte que les deux composants forment ensemble une section droite elliptique définie par un petit diamètre x et un grand diamètre y Chaque plaque d'extrémité 13 comporte une pluralité de trous 13 a d'insertion de tubes dans lesquels les extrémités des tubes plats respectifs 2 sont insérées et reliées solidairement par brasage avec la plaque d'extrémité 13. On choisit, comme décrit ci-dessous, les différents facteurs tels que la nature plate A des conduites distributrice/collectrice respectives 4, 5, la hauteur B, la hauteur C, l'épaisseur de paroi D et le pas E des ailettes ondulées 3, la hauteur F et la largeur G des tubes plats 2, le nombre Ps des chemins et le nombre des tubes 2 définissant les chemins respectifs. La nature plate A des conduites distributrice/collectrice respectives 4, 5 est définie par le rapport entre le petit diamètre x (c'est-à-dire la dimension de profondeur de l'intérieur de la conduite désignée également sous le nom de hauteur de la conduite) et le grand diamètre y de la section droite elliptique représentée par la figure 2, à savoir x/y De préférence on choisit la nature plate A dans un intervallede 0,65 à 0,8 et dans le mode de réalisation spécifique illustré A = 0,8. La valeur mentionnée ci-dessus de la nature plate A est choisie en fonction de la relation existant entre la résistance de passage A Pr du réfrigérant et l'effet d'économie du réfrigérant De façon plus spécifique, la nature plate A est fonction de la résistance de passage AP du réfrigérant comme indiqué par la courbe caractéristique de la figure 5 et cette courbe caractéristique suggère que la résistance de passage t Pr doit de préférence être inférieure à l(kg/cm 2) à la valeur minimale de la nature plate A Cette condition détermine la valeur minimale de A = 0,65 Cette valeur de la résistance de passage A Pri inférieure à l(kg/cm 2) est également nécessaire pour la construction de l'échangeur de chaleur en général Par ailleurs, la valeur maximale de la nature plate A est donnée en considération du fait que plus petite est cette nature plate A, plus importante est la capacité en réfrigérant. De façon spécifique, on choisit la valeur maximale mentionnée ci-dessus de A = 0,8 de façon à obtenir un effet d'économie de ré- frigérant avec une valeur limite de la capacité en réfrigérant de l'ordre de 2/3 par rapport à celle de l'échangeur de chaleur du type serpentin de performance semblable, par exemple de 400 mm 3. La hauteur B de l'ailette ondulée 3 correspond, comme représenté par les figures 3 et 4, à la dimension de la distance entre chaque paire des tubes voisins 2 et elle vaut de préférence de 7 à 10 mm Dans ce mode de réalisation spécifique, B = 8 mm On choisit cette valeur en fonction de la relation entre la hauteur de l'ailette B et le rendement Q d'échange de chaleur de l'échangeur de chaleur 1 comme indiqué par la courbe caractéristique de la figure 6 Par conséquent, on choisit ladite valeur de façon à obtenir 90 % ou plus de la valeur maximale od du rendement Q. Le rendement Q(Kcal/h m 2) s'exprime sous forme du rapport entre la valeur du rayonnement thermique Ha(Kcal/h) et la résistance à l'écoulement 4 Pa(mm Hg) de l'air de refroidissement qui s'écoule à travers l'échangeur de chaleur, c'est-à-dire Q = Ha/ A P En d'autres termes, plus élevée est la résistance A Pa à l'écoulement de l'air, plus faible est le rendement Q de l'échange de chaleur. La largeur C de l'ailette 3 est une dimension mesurée selon la direction de l'écoulement de l'air de refroidissement indiquée par la flèche N de la figure 3 et on la choisit de préférence dans l'intervalle compris entre 14 et 25 mm Dans ce mode de réa- lisation spécifique, C = 20 mm On choisit cette valeur au vu de la relation entre la largeur C de l'ailette et le rendement Q de l'échangeur thermique comme indiqué par la courbe caractéristique de la figure 7 et de façon à obtenir 90 % ou plus du rendement maximal Q. On choisit de préférence l'épaisseur D de paroi de l'ailette 3 dans l'intervalle compris entre 0,12 et 0,14 mm et, dans ce mode de réalisation spécifique, D = 0,13 mm On choisit une telle valeur en fonction de la relation entre l'épaisseur de paroi D et le rendement Q de l'échangeur de chaleur comme indiqué par la courbe caractéristique de la figure 8 Bien que cette courbe caractéristique suggère que l'épaisseur de paroi D devrait être de préférence choisie aussi faible que possible, une courbe X& de stabilité de l'installation suggère que la stabilité de l'installation décroît fortement lorsque l'épaisseur de paroi D décroît en-dessous de 0,12 mm On choisit donc la valeur de l'épaisseur de paroi D indiquée ci-dessus. Le pas E de l'ailette 3 est la distance entre chaque paire d'ondulations voisines, comme représenté sur la figure 4, et on le choisit de préférence dans l'intervalle compris entre 2,0 et 4,0 Dams ce mode de réalisation spécifique, E = 3,6 mm On choisit cette valeur en fonction de la relation existant entre le pas E des ailettes et le rendement Q de l'échangeur de chaleur, comme indiqué par la courbe caractéristique de la figure 9 et de façon à obtenir 90 % ou plus du rendement maximal Q. Comme représenté sur les figures 3 et 4, la hauteur F du tube plat 2 est une dimension mesurée dans la direction de l'empilement et on la choisit de préférence dans un intervalle compris entre 1,5 et 2,5 mm Dans ce mode de réalisation spécifique, 7, F = 2 mm On choisit cette valeur en fonction de la relation existant entre la hauteur F du tube et le rendement Q de l'échangeur de chaleur, comme indiqué par la courbe caractéristique de la figure 10 Cette courbe caractéristique suggère qu'une hauteur F du tube inférieure à 1,5 mm rendrait très difficile la production en série des tubes 2 par extrusion et par conséquent la valeur minimale doit être égale à 1,5 mm. La courbe caractéristique suggère également que la valeur maximale ç du rendement Q (Kcal/h m 2) comme représenté sur la figure 6 s'obtient pour une hauteur de tube F = 2,0 mm On choisit donc la valeur maximale F = 2,5 mm en partant de la valeur centrale de la hauteur du tube F = 2,0 mm, comme représenté sur la figure 10. Comme représenté sur la figure 3, la largeur G du tube plat 2 est la dimension mesurée selon la direction dans laquelle l'air de refroidissement s'écoule à travers le tube 2 et on la choisit de préférence dans un intervalle canpris entre 12 et 23 mm. Dans ce mode de réalisation spécifique, G = 18 mm La largeur G du tube est définie comme la dimension correspondant à la largeur de l'ailette mentionnée ci-dessus moins 2 mm, c'est-à-dire que l'on soustrait respectivement aux bords opposés l'épaisseur de paroi de l'ailette de 1 mm On dimensionne la largeur G du tube de cette façon du fait que, si la largeur G est supérieure à la largeur C de l'ailette, les bords opposés du tube 2 vont s'étendre au-delà de l'ailette 3 et sont susceptibles d'être endommagés, tandis qu'une largeur G du tube excessivement étroite détériorerait le rendement Q de l'échangeur de chaleur La valeur de la largeur du tube G telle que définie ci-dessus évite l'un et l'autre de ces risques. Les chemins comportent respectivement une pluralité de tubes plats 2 définis par les cloisons 10 et, de préférence, le nombre P de ces chemins est choisi entre 3 et 6. s Dans cette réalisation spécifique, Ps = 5, comme représenté sur la figure l On choisit l'intervalle de 3 à 6 en fonction de la relation existant entre le nombre pair des chemins et le rendement Q de l'échangeur de chaleur comme indiqué par la courbe caractéristique de la figure 11 Cette courbe caractéristique suggère que le rendement Q augmente au fur et à mesure que le nombre pair des chemins augmente et l'intervalle de P = 3 à 6 assure s un niveau suffisant de rendement Q avec une résistance de passage À Pr inférieure à 1. On choisit le nombre de tubes plats constituant chaque chemin de façon que ce nombre diminue graduellement, sensiblement du même nombre, depuis le côté le plus en amont jusqu'au côté le plus en aval, et de façon que le nombre de tubes plats 2 constituant le premier chemin, ou chemin supérieur du côté entrée, soit sensiblement le double du nombre de tubes plats constituant le dernier chemin, soit le chemin le plus bas du côté sortie. Par exemple on prévoit cinq chemins dans cette réalisation spécifique et, comme représenté sur la figure 1, les nombres des tubes plats constituant les chemins respectifs Psl à Ps 5 sont respectivement 8, 7, 6, 5 et 4, c'est-à-dire que le nombre des tubes plats diminue successivement de un en allant vers le côté le plus en aval, de façon que le nombre des tubes plats constituant le premier chemin Psl soit deux fois le nombre des tubes plats constituant le dernier et cinquième chemin P 5. Une telle disposition est basée sur le fait que, de façon générale dans un échangeur de chaleur tel qu'un condenseur, le réfrigérant pénètre dans l'échangeur de chaleur à l'état gazeux, de volume relativement important, et quitte l'échangeur de chaleur à l'état sensiblement liquéfié, de volume relativement faible. De façon plus spécifique, au cours de son passage à travers l'échangeur de chaleur, le réfrigérant se condense pour passer de l'état gazeux à l'état gaz/liquide à deux phases, au fur et à mesure que l'échange de chaleur se produit à l'intérieur de l'échangeur de chaleur et, en conséquence, le volume nécessaire de réfrigérant diminue graduellement, et par conséquent le nombre nécessaire de tubes plats diminue également de façon correspondante L'expérience a montré que, de préférence, le nombre de tubes plats définissant chaque chemin diminue successivement du même nombre depuis le côté le plus en amont jusqu' au côté le plus en aval On a également trouvé expérimentalement que de préférence le nombre des tubes plats définissant le chemin de sortie est sensiblement la moitié du nombre des tubes plats définissant le chemin d'entrée et que le fait de diminuer excessivement le nombre de tubes plats définissant ledit chemin de sortie se traduirait par un effet d'étranglement excessif et une augmentation désavantageuse de la résistance de passage. Comme cela apparaîtra à partir de la description ci-dessus, la réalisation représentée de l'invention comporte les ailettes ondulées et les tubes plats tels que dimensionnés ci-dessus, à l'intérieur des intervalles optimaux respectifs et du nombre de chemins optimal respectif, ainsi que des nombres de tubes plats définissant les chemins respectifs, que l'on choisit également de façon optimale de façon à pouvoir réduire la résistance de passage du réfrigérant et la résistance d'écoulement de l'air de refroidissement tout en améliorant le rendement de l'échange de chaleur et par conséquent on obtient un échangeur de chaleur présentant une fiabilité totalement élevée. Il faut comprendre que, bien que l'on ait décrit et illustré ci-dessus la réalisation spécifique incluant cinq chemins, une autre réalisation d'une disposition à quatre chemins est également possible et comporte, depuis le côté le plus en amont jusqu'au côté le plus en aval, Psl = 12, P S 2 10, Ps 3 = 8, et Ps 4 6. Conformément à l'invention, on choisit les plages dimensionnelles respectives de la hauteur B de l'ailette, de largeur C de l'ailette, de l'épaisseur de paroi D de l'ailette, du pas E de l'ailette, de la hauteur F du tube et de la largeur G du tube en fonction de la résistance à l'écoulement de l'air de refroidissement ainsi que de la valeur du rayonnement thermique, d'une part, et on distribue le nombre de chemins, Ps et le nombre de tubes plats définissant chaque chemin en considération de la résistance de passage du réfrigérant ainsi que du rendement de l'échange thermique de façon que le rendement de l'échange thermique puisse être totalement amélioré tout en réduisant ladite résistance à l'écoulement ainsi que ladite résistance de passage de l'échangeur thermique. REVENDICATION 1 Echangeur de chaleur ( 1) du type à flux parallèle comportant une pluralité de tubes plats ( 2) et des ailettes ondulées ( 3) empilées alternativement, les uns sur les autres, une conduite distributrice d'entrée ( 4) à laquelle lesdits tubes plats sont reliés à l'une de leurs extrémités, une conduite collectrice de sortie ( 5) à laquelle lesdits tubes plats sont reliés à l'autre extrémité, et des cloisons ( 10) prévues à l'intérieur desdites conduites distributrice/collectrice respectives de façon qu'un flux de réfrigérant replié plusieurs fois en zigzag s'établisse le long d'une pluralité de chemins définis entre les deux conduites distributrice/collectrice, caractérisé par le fait que: a) chacune desdites ailettes ondulées a une hauteur B coaprise entre 7 et 10 mm; b) chacune desdites ailettes ondulées a une largeur C caprise entre 14 et 25 mm, mesurée dans la direction parallèle au flux d'air; c) chacune desdites ailettes ondulées a une épaisseur de paroi D comprise entre 0,12 et 0,14 mm; d) chacune desdites ailettes ondulées a un pas E, tel que la distance entre chaque paire d'ondulations voisines soit comprise entre 2,0 et 4,0 mm; e) chacun desdits tubes plats a une hauteur F comprise entre 1,5 et 2,5 mm; f) chacun desdits tubes plats a une largeur G comprise entre 12 et 23 mm, mesurée dansladirection parallèle au flux d'air; g) il est défini des chemins dont le nombre Ps est compris entre 3 et 6; et h) les nombres de tubes plats dans lesdits chemins respectifs va en décroissant, d'environ le même nombre, depuis le côté le plus en amont jusqu'au côté le plus en aval, et le nombre de tubes définissant le chemin le plus en amont est environ le double du nombre de tubes définissant le chemin le plus en aval.