Brevet FR2665757A1 — publié le 19920214

Condenseur de fluide réfrigérant à circulation verticale, et procédé de fabrication L'invention concerne les échangeurs de chaleur pour la condensation d'un fluide de l'état gazeux à l'état liquide, et notamment les condenseurs de fluide réfrigérant utilisés par exemple dans les installations de climatisation, plus particulièrement pour les véhicules automobiles. Le but de l'invention est de permettre une séparation optimale de la phase liquide formée lors de la condensation du fluide et de la phase gazeuse résiduelle, et par suite de minimiser la perte de charge occasionnée par cette phase liquide. A cet effet, l'échangeur de chaleur selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une multiplicité de tubes d'échange de chaleur propres à être parcourus par le fluide, avec transfert de chaleur de celui-ci à un milieu extérieur à travers les parois des tubes, s 'étendant à peu près verticalement et débouchant par leurs extrémités supérieures et inférieures dans des chambres de raccordement supérieures et inférieures, qui sont parcourues successivement et alternativement par le fluide, par l'intermédiaire à chaque fois d'un ou plusieurs tubes d'échange de chaleur en parallèle, les chambres inférieures étant formées par un tube collecteur inférieur s'étendant sensiblement horizontalement et divisé de façon étanche au fluide à l'état gazeux par des cloisons transversales, ces cloisons présentant à leur partie inférieure des ouvertures pour le passage du fluide condensé entre les chambres inférieures. La phase liquide formée dans chaque tube d'échange de chaleur vertical tombe immédiatement dans la chambre de raccordement inférieure reliée à celui-ci, et ne s'accumule donc pas dans ce dernier. Les ouvertures des cloisons permettent au liquide qui se rassemble au fond des chambres de raccordement inférieures de s'écouler de l'une à l'autre en court-circuitant ainsi la suite du parcours ascendant et descendant par les tubes d'échange de chaleur et les chambres de raccordement supérieures. En revanche, la présence des cloisons étanches au-dessus du niveau du liquide dans les chambres de raccordement inférieures oblige la phase gazeuse résiduelle à suivre ce même parcours pour être à son tour condensée dans les tubes d'échange de chaleur. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la surface des ouvertures va en croissant dans le sens de l'écoulement du fluide. Cette disposition permet de laisser passer dans les meilleures conditions, à travers chacune des cloisons, la quantité de liquide ayant traversé la cloison précédente, augmentée de la quantité de liquide tombé des tubes verticaux dans la chambre de raccordement comprise entre ces deux cloisons, tout en évitant le passage de la phase gazeuse par des ouvertures trop grandes dans les premières cloisons, ouvertures qui dépasseraient au-dessus de la faible quantité de liquide présente dans les premières chambres de raccordement. De préférence, la forme et les dimensions des ouvertures sont telles que le niveau de liquide dans le tube collecteur inférieur nécessaire pour couvrir l'ouverture de chaque cloison correspond à une section transversale de liquide croissante d'une cloison à l'autre dans le sens de l'écoule- ment du fluide. En particulier, lorsque le tube collecteur inférieur a une section circulaire uniforme, les ouvertures peuvent être adjacentes à la paroi inférieure de celui-ci et avoir une hauteur et/ou une largeur croissantes dans le sens de l'écoulement du fluide. Les ouvertures ont par exemple une forme en segment de cercle dont la corde est horizontale. Selon un mode de réalisation de l'invention, les chambres supérieures sont formées par un tube collecteur supérieur s 'étendant parallèlement au tube collecteur inférieur et divisé de façon étanche au fluide par des cloisons transversales. Les cloisons et les tubes d'échange de chaleur peuvent être brasés au tube collecteur inférieur et au tube collecteur supérieur. L'invention vise également un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur tel que défini ci-dessus, dans lequel on introduit les cloisons dans le tube collecteur inférieur et le cas échéant dans le tube collecteur supérieur, on les met en place et on les fixe de façon étanche à la paroi du tube collecteur, et simultanément on fixe de façon étanche à celle-ci les extrémités des tubes d'échange de chaleur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée donnée ci-après, et des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une représentation schématique d'un condenseur selon l'invention - la figure 2 est une vue à plus grande échelle, en coupe longitudinale, du détail II de la figure 1 - la figure 3 est une vue en coupe transversale selon la ligne III-III de la figure 2 ; et - la figure 4 représente une forme alternative de cloison utilisable dans le condenseur de la figure 1. Le condenseur illustré à la figure 1, prévu pour le fluide réfrigérant d'une installation de climatisation de véhicule automobile, comprend un tube collecteur supérieur H et un tube collecteur inférieur B, tous deux cylindriques ayant une même section circulaire uniforme, s'étendant horizontalement, parallèlement l'un à l'autre et l'un au-dessus de l'autre. Le tube collecteur supérieur H est divisé de façon étanche au fluide à condenser, par quatre cloisons transversales CH1, CH2, CH3 et CH4, en cinq compartiments ou chambres de raccordement H1, H2, H3, H4 et H5. De même, trois cloisons transversales CB1, CB2 et CB3 divisent le tube collecteur inférieur B en quatre chambres de raccordement B1, B2, B3 et B4. Les chambres de raccordement du tube collecteur supérieur et celles du tube collecteur inférieur sont reliées entre elles par quarante deux tubes d'échange de chaleur s'étendant verticalement. Neuf de ces tubes, repérés D1, débouchent par leur extrémité supérieure dans la chambre H1 et par leur extrémité inférieure dans la chambre B1. Sept tubes Al débouchent par leurs extrémités supérieure et inférieure dans les chambres H2 et B1 respectivement ; six tubes D2 dans les chambres H2 et B2 ; six tubes A2 dans les chambres H3 et B2 ; quatre tubes D3 dans les chambres H3 et B3 quatre tubes A3 dans les chambres H4 et B3 ; trois tubes D4 dans les chambres H4 et B4, et trois tubes A4 dans les chambres H5 et B4. Le fluide gazeux à condenser est introduit dans la chambre H1 selon la flèche E, puis parcourt l'ensemble des tubes d'échange de chaleur D1 de haut en bas pour atteindre la chambre B1, en se condensant partiellement par transfert de chaleur à travers la paroi de ces tubes. Le gaz quitte ensuite la chambre B1 et parcourt de bas en haut les tubes Al pour atteindre la chambre H2, et ainsi de suite en parcourant successivement les chambres et tubes D2, B2, A2, H3, D3, B3, A3, H4, D4 et B4. Pendant ce parcours, le liquide formé par condensation aussi bien dans les tubes d'échange de chaleur parcourus par le gaz de haut en bas que dans ceux parcourus par le gaz de bas en haut tombe dans les chambres de raccordement inférieures.Le liquide tombant ainsi dans la chambre B1 passe successivement dans les chambres B2, B3 et B4 à travers des ouvertures P1, P2 et P3 ménagées à la partie inférieure des cloisons CB1, CB2 et CB3, où il est rejoint par le liquide tombant directement dans ces chambres. Le liquide ainsi rassemblé dans la chambre B4 remonte par les tubes A4 dans la chambre H5, d'où il est évacué selon la flèche S. Comme on le voit aux figures 2 et 3, les tubes d'échange de chaleur, tous identiques, ont une section transversale oblongue, aplatie dans la direction longitudinale des tubes collecteurs. Leurs extrémités inférieures sont engagées dans des ouvertures ménagées dans la paroi du tube collecteur B, où ils sont fixés de façon étanche par brasage. La cloison CB2 montrée aux figures 2 et 3, de même que les cloisons CB1 et CB3, est un disque dont le diamètre correspond au diamètre intérieur du tube B, et dont la périphérie est également fixée de façon étanche à la paroi du tube collecteur par brasage. La cloison CB2 présente cependant à sa partie inférieure une ouverture P2 adjacente à son bord inférieur. Selon la configuration montrée à la figure 3, cette ouverture, symétrique par rapport au plan de symétrie longitudinal du condenseur, présente sur une partie de sa hauteur, à partir du bas, une largeur constante a, sa largeur diminuant ensuite selon un arrondi pour devenir nulle à une hauteur a. La valeur de a va en croissant de la cloison CB1 à la cloison CB3. Les extrémités supérieures des tubes d'échange de chaleur et les cloisons CH1 à CH4 coopèrent avec la paroi du tube collecteur supérieur H de la façon décrite ci-dessus en relation avec le tube collecteur inférieur B, les cloisons du tube collecteur supérieur ne comportant cependant pas d'ouverture et séparant donc les chambres supérieures de façon entièrement étanche. En raison du passage direct du fluide condensé d'une chambre de raccordement inférieure à la suivante à travers les ouvertures des cloisons, la quantité de fluide parcourant les tubes d'échange de chaleur d'une chambre de raccordement supérieure ou inférieure à la suivante va en diminuant dans le sens de l'écoulement, tandis que la quantité de fluide condensé traversant les cloisons va en augmentant de la cloisqn CB1 à la cloison CB3.C'est la raison pour laquelle le nombre de tubes d'échange de chaleur reliant deux chambres de raccordement consécutives va généralement en décroissant, tandis que la surface des ouvertures P1 à P3 des cloisons va en augmentant pour permettre le passage des quantités croissantes de liquide, la hauteur a des ouvertures étant également croissante de façon que le faible niveau de liquide dans les premières chambres de raccordement inférieures soit suffisant pour recouvrir ces ouvertures et éviter le passage direct du gaz d'une chambre à la suivante. Des éléments dissipateurs R sont prévus sous forme de bandes de tôle courbées selon un profil sinusoïdal et s'étendant parallèlement aux tubes d'échange de chaleur, chacun entre deux tubes voisins en étant alternativement tangent à ceuxci. La variante de cloison CB' illustrée à la figure 4 est sous forme d'un disque interrompu à sa partie inférieure selon une ligne horizontale qui définit avec la paroi du tube collecteur inférieur B, indiquée en trait interrompu, une ouverture inférieure P' en forme de segment de cercle. La flèche b de ce segment, qui représente la hauteur de l'ou- verture P', et par suite la surface de l'ouverture, vont avantageusement en croissant d'une cloison à l'autre dans le sens de l'écoulement du fluide. Pour le montage du condenseur illustré aux figures 2 et 3, les cloisons transversales sont avantageusement enfilées dans les tubes collecteurs respectifs, par exemple par une extrémité ouverte de ceux-ci, avant mise en place des tubes d'échange de chaleur. Simultanément, les extrémités des tubes d'échange de chaleur sont introduites dans les ouvertures, prévues à cet effet, des tubes collecteurs munis de leurs cloisons. Une fois en position, les cloisons sont fixées de façon étanche par brasage à la paroi intérieure des tubes collecteurs et un brasage étanche est réalisé le long des lignes de contact entre les tubes d'échange de chaleur et les tubes collecteurs. S'il y a lieu, les extrémités ouvertes des tubes collecteurs sont obturées par des bouchons ou des disques également brasés. Les différents composants sont avantageusement en alliage d'aluminium. Des changements peuvent être apportés au mode de réalisation décrit et représenté sans sortir de l'invention. En particulier, le nombre des chambres de raccordement et le nombre de tubes d'échange de chaleur peuvent être adaptés en fonction des besoins. L'entrée et la sortie du fluide peuvent se faire indifféremment, chacune, par une chambre de raccordement supérieure ou par une chambre de raccordement inférieure. Revendications 1. Echangeur de chaleur pour la condensation d'un fluide de l'état gazeux à l'état solide, caractérisé en ce qu'il comprend une multiplicité de tubes d'échange de chaleur (D1-D4, A1-A4) propres à être parcourus par le fluide, avec transfert de chaleur de celui-ci à un milieu extérieur à travers les parois des tubes, s'étendant à peu près verticalement et débouchant par leurs extrémités supérieures et inférieures dans des chambres de raccordement supérieures (H1-H5) et inférieures (B1-B4), qui sont parcourues successivement et alternativement par le fluide, par l'intermédiaire à chaque fois d'un ou plusieurs tubes d'échange de chaleur en parallèle, les chambres inférieures étant formées par un tube collecteur inférieur (B) s'étendant sensiblement horizontalement et divisé de façon étanche au fluide à l'état gazeux par des cloisons transversales (CB1-CB3), ces cloisons présentant à leur partie inférieure des ouvertures (P1-P3) pour le passage du fluide condensé entre les chambres inférieures. 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface des ouvertures (P1-P3) va en croissant dans le sens de l'écoulement du fluide. 3. Echangeur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la forme et les dimensions des ouvertures (P1-P3) sont telles que le niveau de liquide dans le tube collecteur inférieur (B) nécessaire pour couvrir l'ouverture de chaque cloison correspond à une section transversale de liquide croisssante d'une cloison à l'autre dans le sens de l'écoulement du fluide. 4. Echangeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le tube collecteur inférieur (B) a une section circulai re uniforme et que les ouvertures (P1-P3) sont adjacentes à la paroi inférieure de celui-ci et ont une hauteur et/ou une largeur croissantes dans le sens de l'écoulement du fluide. 5. Echangeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les ouvertures (P') ont une forme en segment de cercle dont la corde est horizontale. 6. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les chambres supérieures sont formées par un tube collecteur supérieur (H) s'étendant parallèlement au tube collecteur inférieur et divisé de façon étanche au fluide par des cloisons transversales (CH1-CH4). 7. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre de tubes d'échange de chaleur reliant deux chambres de raccordement consécutives va généralement en décroissant dans le sens de l'écoulement du fluide. 8. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les cloisons et les tubes d'échange de chaleur sont brasés au tube collecteur inférieur et au tube collecteur supérieur. 9. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on introduit les cloisons dans le tube collecteur inférieur et dans le tube collecteur supérieur, qu'on les met en place et qu'on fixe de façon étanche à ceux-ci les extrémités des tubes d'échange de chaleur.