Brevet FR2699995A1 — publié le 19940701

La présente invention concerne une structure poreuse qui est destinée à équiper les tubes des échangeurs de chaleur en particulier ceux des machines frigorifiques et/ou pompes à chaleur. Dans les machines de ce type, les échangeurs de chaleur sont construits pour jouer le rôle soit d'évaporateur, soit de condenseur, soit les deux à la fois. Dans ces applications, les échangeurs de chaleur utilisent l'énergie fournie lors du changement de phase liquide/vapeur ou vapeur/liquide des fluides couramment utilisés appelés liquides frigorigènes. Dans le cas d'échangeurs conçus pour fonctionner exclusivement comme évaporateur, il s'avère que le liquide ne remplit qu'au maximum les 2/3, afin d'éviter les "coups de liquide", donc la surface d'échange n'est utilisée que dans les mêmes proportions, influençeant directement le coefficient d'échange. Dans le cas d'échangeurs conçus pour fonctionner comme un condenseur, il faut pour des raisons techniques, liées en particulier aux problèmes des vapeurs arrivant au condenseur, que celles-ci soient complètement condensées à la sortie. I1 en résulte un surdimensionnement de l'échangeur, augmentant ainsi son coût de production. Dans le cas de machines réversibles, c'est - à - dire fonctionnant aussi bien en condenseur, qu'en évaporateur, les inconvénients de l'un et l'autre sont cumulés, et ont de ce fait un mauvais rendement. I1 faut rappeler que les tubes des échangeurs sont habituellement fabriqués en tubes de cuivre lisses intérieurement sur lesquels sont serties des ailettes pour favoriser la dissipation d'énergie vers l'extérieur. Les différents assemblages des deux composants sont nombreux et connus. L'augmentation du coefficient d'échange a fait l'objet de plusieurs améliorations concernant les tubes dans lesquels circule le fluide, en particulier en créant un effet de turbulence à l'intérieur de ceux-ci. Pour créer cet effet, plusieurs procédés existent. Selon une pratique courante, les tubes sont rainurés intérieurement en forme d'hélice. I1 en résulte une faible amélioration du coefficient d'échange. Selon le FRA.990531, il est rapporté une structure capillaire constitué par une toile métallique appliquée contre la paroi interne du tube échangeur par une corde à piano. I1 a été constaté une augmentation sensible des pertes de charge ainsi que le piégeage de l'huile de lubrification. Ces inconvénients sont en particulier nuisibles au bon fonctionnement du compresseur. Selon le FRA.8. 103.033, il est rapporté une structure capillaire appliquée le long de la paroi intérieure du tube des échangeurs. Celle-ci est constituée de fibres libres et lisses, sensiblement rectilignes et parallèles à l'axe du tube. Les fibres en nombre important doivents être espacées entre elles impérativement pour assurer l'écoulement longitudinal du fluide contre la paroi. Du fait que les fibres sont libres, il y a une difficulté certaine de réalisation pour l'homme de l'art. D'autres structures capillaires existent, par exemple le USA.4.018.269, mais leur fonctionnement et leur but sont différents. En effet, il s'agit de transfert de chaleur, mais dans le sens "Transport de chaleur d'un point à un autre". Ces systèmes communément appellés "Caloducs" joutent donc essentiellement un rôle de transport de l'énergie et n'assurent aucun échange de chaleur pendant le transport du fluide. Le but de la présente invention est d'apporter une amélioration sensible du coefficient d'échange concernant les échangeurs des machines frigoriques et/ou pompes à chaleur. Suivant l'invention, le principe de cette amélioration est de créer à l'intérieur des tubes des échangeurs une turbulence suffisante du fluide, sans créer de pertes de charges importantes et de canaliser celui-ci le long de la paroi interne des tubes, afin d'augmenter la surface d'échange. Suivant l'invention, cette amélioration est obtenue grace à une structure poreuse, rapportée à l'intérieur des tubes échangeurs. Suivant l'invention, la structure poreuse est mono composant. La matière la constituant doit être compatible avec le fluide avec lequel elle est en contact, et doit posséder également une bonne conductibilité thermique. par exemple de l'aluminium ou du cuivre, ce qui n'est pas limitatif. Les sillons formés (1) (4) peuvent être de différentes formes, par exemple triangulaire, ce qui n'est pas limitatif. Les sillons d'une même face (1) ou (4) peuvent ne pas - être de formes et de dimensions identiques . Les sillons des deux faces opposées (1) et (4) peuvent ne pas être de formes et de dimensions identiques.L'angle (3) formé par les sillons (1) de la face supérieure par rapport à ceux (4) de la face inférieure doit être significatif.Après mise en forme tubulaire de la structure, celle-ci est faite de façon à ce que les sillons de la face externe soient parallèles à l'axe du tube ainsi formé, et les sillons sur la face interne se trouvent donc naturellement en forme d'hélice, assurant ainsi la turbulence du fluide. A titre d'exemple, l'angle ainsi formé est d'environ 45 degrès. Suivant l'invention, à titre d'exemple, la structure peut être obtenue par laminage/gauffrage d'une bande d'aluminium d'une épaisseur initiale de 0.2mm environ. Dans ce cas, le cylindre supérieur du laminoir possède des sillons perpendiculaires à son axe et parallèles entre eux, de forme et de section souhaitées. Le cylindre inférieur du laminoir possède des sillons taillés suivant une hélice. Pendant le passage de la bande primaire dans le laminoir, la matière se déforme et prend la forme des sillons gravés sur les cylindres. Dans cet exemple des sillons (1) parallèles et rectilignes seront imprimés sur laface supérieure de la bande et ceux (4) de la face opposée seront également parallèles et rectilignes entre eux mais formeront un angle (3) avec ceux de la face opposée. Après laminage/gauffrage, la structure est fragilisée par la faible épaisseur restant aux endroits de croisements des fonds de sillons. Les sillons de chaque face (1) et (4) ont une profondeur avoisinant la moitié de l'épaisseur totale.Par procédé chimique, on enlève de la matière à la structure. Des ouvertures (2) se forment en priorité à ces endroits.On obtient ainsi la porosité de la structure.Les ouvertures ainsi obtenue à l'intersection des sillons, représentent au moins un tiers de la surface de chaque face. On peut également imaginer un autre procédé de fabrication par photosensibilisation de traits sur une bande de métal représentant les sillons. Après sensibilisation sur les deux faces et par procédé chimique, des sillons se creusent aux endroits non masqués. Les sillons de chaque face (1) et (4) ont une profondeur avoisinant la moitié de l'épaisseur totale. Pendant l'opération chimique, des ouvertures (2) apparaissent aux croisements des sillons (4) de la face inférieure avec ceux (1) de la face supérieure et on obtient la porosité de la structure.Les ouvertures ainsi obtenue à l'intersection des sillons, représentent au moins un tiers de la surface de chaque face. Selon l'invention, la structure poreuse sous forme tubulaire est incorporée à l'intérieur des tubes (7) des échangeurs et sur toute leur longueur, de façon à ce que la structure soit bien plaquée le long de la paroi intérieure des tubes. Ceci est obtenu par la fabrication de la structure poreuse d'un diamètre légèrement supérieur à celui du tube dans lequelle elle sera incorporée. La structure ainsi positionnée apporte les avantages suivants - Le fluide est soumis à un effet de turbulence grâce aux sillons internes (6) de la structure qui sont en hélice. - Les sillons internes permettent une bonne circulation centrale du fluide sans ralentir sa vitesse, ni créer de pertes de charges importantes. - La turbulence directionnelle ainsi créée projète le liquide sur toute la surface interne de la structure. - Grâce à la porosité (2) de la structure, le fluide est en communication avec la paroi interne du tube de l'échangeur et il est constaté un courant longitudinal entre la structure et la paroi grâce aux sillons extérieures (5) de la structure, appellé courant laminaire. - Grâce à la porosité de la structure, il ya communication permanente entre le courant central et le courant laminaire de surface et de ce fait la structure ne piège pas l'huile de lubrification du compresseur qui se trouve dans le fluide. - La communication permanente entre le courant central et le courant laminaire favorise également le changement de phase du fluide. REVENDICATIONS 1") Structure poreuse possédant des sillons(l)(4) sur chacune des deux faces principales, caractérisée par ce que les sillons de chaque face sont sensiblement rectilignes et parallèles entre eux et forment un angle (3) avec ceux de la face opposée. La porosité de la structure est assurée par des ouvertures(2) effectuées aux croisements du fond des sillons des deux faces opposées. 2") - Structure suivant la revendication 1, caractérisée par ce que les sillons d'une même face ne sont pas de forme et de dimensions identiques. 3 ) - Structure suivant les revendications 1 et 2, caractérisée par ce que les sillons des deux faces opposées ne sont pas entre eux de forme et de dimensions identiques. 4 ) - Structure suivant les revendication 1 à 3, caractérisée par sa réalisation à partir d'une bande d'aluminium de faible épaisseur sur laquelle les sillons (1)(4) des deux faces opposées forment un angle (3) avoisinant 45". Ceux ci de forme triangulaire, d'une profondeur avoisinant la moitié de l'épaisseur totale, font apparaitre à leurs intersections des ouvertures (2) représentant au moins un tiers de la surface de chaque face. 5 ) - Structure suivant la revendication 1, caractérisée par son mode de fabrication obtenu par laminage/gauffrage d'une bande de métal suivi d'un traitement chimique(2) pour effectuer par enlèvement de métal les ouvertures aux croisements du fond des sillons des deux faces opposées. 6 ) - Structure suivant la revendication 1, caractérisée par son mode de fabrication obtenu par photosensibilisation d'une bande de métal, suivi d'un traitement chimique pour réalisation des sillons (1)(4) et des ouvertures (2) aux croisements de ceux-ci, par enlèvement de métal. 7 ) - Structure suivant l'une quelconque des revendications précédentes,qui, après mise en forme tubulaire est caractérisée par ce que les sillons (5) se trouvant sur la paroi extérieure sont sensiblement parallèles à l'axe du tube ainsi formé et que les sillons (6) se trouvant à l'intérieur forment naturellement une hélice. 8 ) - Structure suivant la revendication 7, qui introduite à l'intérieur des tubes des échangeurs de chaleur (7) des machines frigorifiques et/ou pompes à chaleur de façon à être plaquée contre la paroi intérieure de ceux-ci, par simple élasticité de la structure est caractérisée par l'effet de turbulence auquel elle soumet le fluide . Grâce à la porosité de la structure, le fluide traverse celle-ci sur toute sa surface et circule le long des sillons extérieurs. L'énergie du fluide est ainsi transmise à l'entière surface de la paroi inteme des tubes des échangeurs.