Brevet FR2695465A1 — publié le 19940311

i L'invention concerne un échangeur de chaleur, notamment un évaporateur pour installations de climati- sation de véhicules automobiles, comprenant plusieurs tuyaux par lesquels circule le fluide frigorigène et qui débouchent dans un tuyau collecteur On connaît des échangeurs de chaleur de ce type (DE-OS 39 02 046) sur lesquels, afin d'éviter des pertes au remplissage et du bruit indésiré, on donne une plus grande dimension radiale au cylindre collecteur creux, servant de dispo- sitif collecteur, dans le prolongement de la tubulure d'aspiration à l'admission qu'au droit de cette tubu- lure. On connaît aussi d'autres échangeurs de chaleur pour installations de climatisation de véhicules automobiles (brevet US 4 962 811) sur lesquels on fait aboutir à peu près tangentiellement dans le tuyau collecteur les axes de tuyaux plats débouchant dans le tuyau collecteur afin d'éviter ainsi autant que possible l'impact de l'écoulement sur la paroi opposée du tuyau collecteur et le bruit produit par l'évaporateur à cause de cet impact. Pour les véhicules plus récents, on a veillé de manière générale à supprimer autant que possible les sources de bruits La réduction ainsi obtenue des bruits émis par le moteur ou dus à la marche du véhicule, ont pour conséquence que les bruits des appareils annexes et notamment ceux de l'évaporateur d'une installation de climatisation ressortent plus fortement que jusqu'à présent et peuvent être perçus comme des bruits gênants.30 L'invention vise par conséquent à réduire plus encore que jusqu'à présent les bruits produits dans la zone de l'évaporateur. Selon l'invention, on obtient ce résultat, avec un échangeur de chaleur du type mentionné au début, par le fait que: a) les tuyaux débouchent à peu près tangentiellement dans le tuyau collecteur, b) les axes des tuyaux sont orientés sous un angle incliné dans la direction drécoulement vers l'ou- verture de sortie par rapport à l'axe du tuyau collecteur et c) la section d'écoulement du tuyau collecteur est plus grande que la somme des sections d'écoulement des différents tuyaux. Il s'est avéré que cette combinaison de caractéristiques diminue le degré de turbulence et par suite le bruit Par l'application de l'invention, il s'établit dans le tuyau collecteur un écoulement en forme de spiralé Les changements de direction à angle droit, qui sont généralement la cause de bruits d'écou- lement, sont ainsi évités Des essais ont montré que dans le domaine des fréquences allant de 3,15 à 12,5 k Hz, dans lequel les bruits d'écoulement ressortent jusqu'à présent de façon particulièrement accentuée, on obtient une réduction du bruit de 3 à 5 d B Comme l'application de l'invention réduit également la perte de charge côté fluide frigorigène, on peut obtenir aussi un accroissement de la capacité de l'évaporateur. Il s'est révélé particulièrement avantageux que l'angle sous lequel les axes des tuyaux sont in- clinés sur l'axe du tuyau collecteur, corresponde au vecteur pente de l'hélice (ligne hélicoïdale) générée par l'écoulement dans le tuyau collecteur. Selon d'autres perfectionnements de l'inven- tion, la section d'écoulement du tuyau collecteur correspond à la somme des sections d'écoulement des différents tuyaux multipliée par un facteur K qui est avantageusement compris entre 1,8 et 2,3 Il s'est avéré qu'un tel mode de réalisation permet d'obtenir une réduction particulièrement grande du bruit Il convient aussi, selon une autre caractéristique, que la sortie de l'écoulement du tuyau collecteur s'effectue également sous aspiration tangentielle Ainsi, l'écoulement suivant une ligne hélicoïdale dans le tuyau collecteur n'est pas non plus perturbé dans la zone de la sortie, ce qui contribue aussi à la réduction du degré de turbulence et de l'émission de bruit. Encore un autre perfectionnement prévoit que la sortie de l'écoulement s'effectue au milieu du tuyau collecteur et que des dispositifs de déviation, diri- geant l'écoulement sur le côté intérieur du tuyau collecteur vers la sortie, sont coordonnés à l'ouverture de sortie centrale. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la descrip- tion qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique du tuyau collecteur réalisé selon l'invention pour l'évaporateur d'une installation de climatisation de véhicule automo- bile, prise dans le sens de la flèche I de la figure 2; la figure 2 est une coupe transversale de ce tuyau collecteur, prise suivant la ligne IIII de la figure 1; la figure 3 est une vue en perspective de la section du tuyau collecteur et d'un tuyau d'alimenta- tion, dans laquelle sont représentées les lignes d'écou- lement en spirale générées dans le tuyau collecteur ainsi que la disposition accordée à ces lignes d'écou- lement de l'axe du tuyau d'alimentation; la figure 4 est une représentation de la spirale d'écoulement avec la disposition de l'axe d'un tuyau d'alimentation; la figure 5 est une vue en perspective du tuyau collecteur des figures 1 et 2, muni d'une sortie axiale; la figure 6 est une vue d'un tuyau collec- teur semblable à la figure 1, mais montrant un mode de réalisation selon lequel la sortie s'effectue au milieu, vers le côté ou vers le haut, la vue étant prise dans le sens de la flèche VI de la figure 7; la figure 7 est une coupe semblable à la figure 2, mais du mode de réalisation selon la figure 6, la coupe correspondant à la ligne VII-VII de la figure 6, avec une sortie centrale sur le côté; la figure 8 est une coupe analogue à la figure 7, mais avec une sortie centrale vers le haut; la figure 9 est une vue en perspective du tuyau collecteur des figures 6 et 7 avec une sortie latérale et tangentielle et la figure 10 est un détail supplémentaire des exécutions selon les figures 7 à 9. Les figures 1, 2 et 5 montrent le tuyau collecteur, désigné globalement par 1, d'un évaporateur d'une installation de climatisation d'un véhicule automobile, constitué dans cet exemple de plusieurs tronçons identiques la pourvus chacun d'un perçage 2 et juxtaposés de manière que les perçages des tronçons la forment ensemble l'espace intérieur cylindrique du tuyau collecteur Dans chacun des tronçons la débouche un tuyau d'évaporateur 3 parcouru par un fluide échangeur de chaleur L'axe 3 a de ce tuyau d'évaporateur débouche d'une part tangentiellement dans le perçage 2 du tuyau collecteur 1 et est d'autre part incliné sous un angle B par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe 4 Ce plan30 est symbolisé sur les figures 3 et 4 par une tangente 5 située dans ce plan et rejoignant l'hélice 6 formée théoriquement par l'écoulement dans le tuyau collecteur 1. La représentation schématique de la figure 3 montre la disposition qu'aurait l'axe 3 a' du tuyau d'alimentation 3 ' si l'alimentation s'effectuait à angle droit par rapport à l'axe 4 du tuyau collecteur L'axe 3 a' formerait dans ce cas également une tangente au cercle 7 correspondant au diamètre du cylindre sur lequel l'écoulement circulaire avance en hélice vers la sortie 8, laquelle est axiale dans cet exemple et se trouve à une extrémité ouverte du tuyau collecteur 1. L'autre extrémité de ce dernier est obturée par un bouchon inséré 9. Le cylindre d'écoulement 7 ', symbolisé par le cercle 7 sur la figure 3, forme, ainsi que le montre schématiquement la figure 4, le trajet moyen d'écoule- ment situé à peu près au centre de gravité du profil d'écoulement du courant dans le tuyau collecteur, s'effectuant sous la forme de l'hélice 6 en direction de l'axe 4 du tuyau collecteur. Cette représentation schématique de la figure 4 fait ressortir aussi que la droite 5 est située dans un plan perpendiculaire à l'axe 4, avec l'axe Z comme vecteur normal La droite 5 est également tangente au cylindre d'écoulement 7 ' Chaque axe de tuyau 3 a de chaque tronçon la du tuyau collecteur 1 est incliné de l'angle B par rapport à la droite 5 L'angle B corres- pond donc au vecteur pente ou à la tangente à la pente de l'hélice 6 On pourrait dire aussi que chacun des axes 3 a correspond au vecteur vitesse résultante de l'hélice (ligne hélicoïdale) 6 découlant de la vitesse dans le sens périphérique, c'est-à-dire de la vitesse tangentielle, et de la vitesse axiale de l'écoulement en direction de l'axe 4 du tuyau collecteur 1. La figure 5 montre le tuyau collecteur des f igures 1 et 2 par une vue en perspective On a tenté dans cette figure de représenter l'écoulement à l'inté- rieur du perçage 2 du tuyau collecteur 1, suivant l'hélice 6, jusqu'à la sortie 8 On peut voir sur la figure 5 que l'écoulement de fluide frigorigène débou- chant des tuyaux 3 dans le tuyau collecteur 1 ne subit de changements de direction à angle vif à aucun endroit, mais que l'écoulement global s'effectue sous la forme d'une ligne hélicoïdale vers la sortie 8 Cette confi- guration de l'écoulement garantit la réduction du bruit. La section droite libre du perçage 2 dans le tuyau collecteur 1, c'est-àdire la section d'écoulement de ce tuyau, a été choisie dans cet exemple de réali- sation de manière qu'elle corresponde à la somme des sections d'écoulement des six tuyaux d'alimentation 3 individuels débouchant dans le tuyau collecteur 1, multipliée par un facteur K En désignant la section d'écoulement de chacun des tuyaux 3 par A et en désig- nant la section d'écoulement du tuyau collecteur 1 par As, on obtient donc la relation suivante: As = K * Ai' Il s'est révélé qu'on obtient des conditions particu- lièrement favorables lorsque l'ordre de grandeur du facteur K est compris entre 1,8 et 2,3 En prévoyant de telles dimensions, on peut atteindre, aux fréquences relativement élevées, o les bruits d'écoulement d'éva- porateurs d'installations de climatisation de véhicules automobiles se manifestent de façon particulièrement gênante, une diminution du niveau de bruit d'environ 3 à d B (dans le domaine des fréquences de 3,15 à 12, 5 k Hz) Il serait également possible, en plus, d'évaser coniquement la section du tuyau collecteur 1 vers le côté de la sortie 8 Le tuyau collecteur 1 aurait alors un diamètre augmentant régulièrement vers la sortie 8. L'exemple de réalisation des figures 6 à 9 montre que la disposition des axes 3 a des tuyaux par rapport au perçage 2 du tuyau collecteur n'est pas limitée à celle de la figure 5 Il est possible aussi de35 doter le tuyau collecteur 1 ', voir la figure 9, à la place d'une sortie axiale, d'une sortie centrale ( 10 ou 11) qui est dirigée soit vers le côté, comme représenté sur les figures 6, 7 et 9, soit vers le haut, comme indiqué schématiquement sur la figure 6 et ainsi que le montre aussi la figure 8 Dans les deux cas, 1 'agence- ment est tel que les tuyaux 3 ou 3 ' d'un même nombre de tronçons la ou la' sont disposés avec leurs axes 3 a ou 3 a' symétriquement par rapport à un plan médian tra- versant le tuyau collecteur 1 ' et coupant l'axe 4 de ce tuyau perpendiculairement On obtient ainsi, par la disposition des axes 3 a ou 3 a' des tuyaux sur la moitié gauche du tuyau collecteur 1 ', disposition qui est analogue à celle choisie pour les figures 1 à 5 dans les trois tronçons la se trouvant à gauche dans cet exemple un écoulement hélicoïdal sous la forme d'une hélice 6 comme celle obtenue aussi pour l'écoulement dans l'exemple selon la figure 5 Sur l'autre moitié, c'est-à-dire dans les trois tronçons la' situés à droite, on obtient une hélice 6 ' qui est symétrique à l'hélice 6 La sortie de ces deux écoulements de sens contraires s'effectue à l'endroit désigné par 10 Dans ce cas aussi, l'ouverture libre des tronçons gauches la et des tronçons droits la' pourrait augmenter chaque fois vers la sortie 10 Le tuyau collecteur 1 ' formerait alors un double cône ayant son diamètre maximal au droit de la section de la sortie 10, formant également le plan de symétrie du tuyau collecteur 1 ' Dans le but d'amé- liorer l'écoulement sortant des deux moitiés (formées respectivement par les tronçons la et les tronçons la'), il est possible, comme l'indique la figure 10, de prévoir un dispositif de déviation 12 pour guider l'écoulement sur le côté intérieur du tuyau collecteur 1 ' situé à l'opposé de la sortie 10 ou 11, dispositif qui est réalisé symétriquement par rapport au plan médian 13 perpendiculaire à l'axe 4 du tuyau et passant par le milieu de l'ouverture de sortie 10 ou 11. Une conformation analogue serait prévue si la sortie 11 se trouvait sur le côté opposé aux tuyaux 3, mais également au milieu du tuyau collecteur 1 ' Dans les deux cas, les ouvertures de sortie 10 ou Il pour- raient être agencées de manière que leurs axes ne coupent pas l'axe 4 du tuyau collecteur 1, 1 ', mais soient orientés à peu près tangentiellement par rapport à l'écoulement hélicoïdal Cette disposition conduit à la sortie tangentielle déjà mentionnée et qui est avantageuse Il est encore à noter que la grandeur de l'angle B dépend de différents paramètres qui conduisent à la formation de l'écoulement hélicoïdal C'est ainsi que cet angle dépend par exemple du diamètre du perçage 2, du nombre et de la succession des tuyaux d'évapora- teur 3 débouchant dans le tuyau collecteur 1 ou 1 ' et aussi, enfin, de la vitesse d'écoulement (calculée) à l'intérieur du tuyau collecteur. REVENDICATIONS 1 Echangeur de chaleur, notamment évaporateur pour installations de climatisation de véhicules auto- mobiles, comprenant plusieurs tuyaux ( 3, 3 ') par les- quels circule le fluide frigorigène et qui débouchent dans un tuyau collecteur ( 1, 1 '), caractérisé en ce que: a) les tuyaux ( 3, 3 ') débouchent à peu près tangen- tiellement dans le tuyau collecteur ( 1), b) les axes ( 3 a, 3 a') des tuyaux sont orientés sous un angle B incliné dans la direction d'écoulement ( 6) vers l'ouverture de sortie ( 8, 10, 11) par rapport à l'axe ( 4) du tuyau collecteur ( 1) et c) la section d'écoulement du tuyau collecteur ( 1) est plus grande que la somme des sections d'écoulement des différents tuyaux ( 3, 3 '). 2 Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle B correspond au vecteur pente de l'hélice ( 6, 6 ') générée par l'écoulement dans le tuyau collecteur ( 1 I. 3 Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section d'écoulement (As) du tuyau collecteur ( 1) correspond à la somme des sections d'écoulement (Ai) des différents tuyaux ( 3, 3 ') multi- pliée par un facteur (K) (As = K * 5-Ai). 4 Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le facteur (K) est compris entre 1,8 et 2,3. Echangeur de chaleur selon une des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que la sortie de l'écou- lement ( 6) du tuyau collecteur ( 1) est produite sous aspiration tangentielle. 6 Echangeur de chaleur selon une des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce que la sortie de l'écou- lement s'effectue au milieu du tuyau collecteur ( 1 ') et que des dispositifs de déviation ( 12), dirigeant l'écou- lement sur le côté intérieur du tuyau collecteur vers la sortie, sont coordonnés à l'ouverture de sortie centrale ( 10). 7 Echangeur de chaleur selon une des revendica- tions 1 à 5 ou 6, caractérisé en ce que la section du tuyau collecteur ( 1 ou 1 ') s'élargit coniquement vers la sortie ( 8 ou 10).