Brevet FR2712077A1 — publié le 19950512

Échangeur de chaleur à faisceau de tubes, d'encombrement réduit dans la direction longitudinale des tubes L'invention concerne les échangeurs de chaleur, en particulier pour véhicules automobiles. Une forme de réalisation courante d'un tel échangeur de chaleur comprend un faisceau de tubes de circulation de fluide caloporteur dans lequel les tubes sont allongés dans une première direction et communiquent par leurs deux extrémités respectivement avec deux boîtes à fluide allongées sensiblement dans une seconde direction perpendiculaire à la première, en traversant une paroi perforée ou collecteur de chaque boîte à fluide, les deux boîtes à fluide présentant respectivement une tubulure d'entrée et une tubulure de sortie de fluide situées au voisinage de deux sommets opposés du contour de forme générale quadrilatérale de l'échangeur de chaleur, comme vu dans un plan défini par lesdites première et seconde directions. Dans les échangeurs de chaleur connus de ce genre, le faisceau de tubes a la forme d'un parallélépipède rectangle dont les faces d'extrémités sont perpendiculaires à la première direction. L'encombrement de l'échangeur de chaleur dans la première direction est donc défini par la somme de la longueur d'un tube et de l'encombrement des deux boîtes à fluide au-delà des faces d'extrémités du faisceau. Cet encombrement des boîtes à fluide ne peut descendre au-dessous d'une valeur minimale nécessaire pour assurer la répartition du débit de fluide entrant ou sortant par la tubulure d'entrée ou de sortie. De plus, lorsque, comme c'est fréquemment le cas, les tubulures d'entrée et de sortie sont orientées perpendiculairement à la première direction, l'encombrement minimal des boîtes à fluide ne peut être inférieur au diamètre de ces tubulures. Le but de l'invention est de réduire l'encombrement de l'échangeur de chaleur dans la direction longitudinale des tubes, notamment à une valeur inférieure à la somme précitée, pour une capacité de refroidissement donnée; ou bien, ce qui revient au même, d'augmenter la surface d'échange de chaleur, c'est-à-dire la capacité de refroidissement, pour un encombrement donné. L'invention vise notamment un échangeur de chaleur du genre défini en introduction, et prévoit que, pour chacune des boîtes à fluide, les extrémités des tubes voisines de la tubulure d'entrée ou de sortie, et la région correspondante du collecteur, sont décalées dans la première direction, vers l'autre boîte à fluide, par rapport aux extrémités des autres tubes et à la région restante du collecteur respectivement. D'autres caractéristiques, complémentaires ou alternatives, de l'invention sont énoncées ci-après - Les extrémités des tubes sont décalées entre elles progressivement d'une extrémité à l'autre de la boîte à fluide, et le collecteur est disposé obliquement par rapport à la première direction. - L'ensemble des extrémités des tubes situées dans une boîte à fluide, l'ensemble des extrémités des tubes situées dans l'autre bote à fluide et les deux collecteurs sont sensiblement disposés respectivement dans quatre plans obliques parallèles entre eux. - Les tubulures d'entrée et de sortie ont leurs axes orientés perpendiculairement aux première et seconde directions de façon à ne pas faire saillie hors dudit contour quadrilatéral. - La paroi de chaque boîte à fluide opposée au collecteur est sensiblement plane et perpendiculaire à la première direction, conférant audit contour quadrangulaire une forme générale rectangulaire. La réalisation du faisceau de tubes est facilitée lorsque celui-ci est du type dans lequel deux tubes voisins dans la seconde direction sont reliés entre eux par un intercalaire sous forme d'une bande de tôle conformée selon un parcours sinueux de façon à venir en contact alternativement avec ces deux tubes. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront exposés plus en détail dans la description ci-après, en se référant au dessin annexé, dont la figure unique est une vue en coupe d'un échangeur de chaleur selon l'invention. L'échangeur de chaleur représenté, destiné au refroidissement de l'air de suralimentation du moteur thermique d'un véhicule automobile, comprend un faisceau de tubes parallèles 1 et deux boîtes à fluide 2 et 3 allongées dans une direction sensiblement perpendiculaire à la direction longitudinale des tubes. Chaque boîte à fluide comprend une pièce moulée en forme de bac 4 et une plaque perforée ou collecteur 5 formant couvercle pour le bac. L'une des extrémités de chaque tube pénètre dans la boîte à fluide 2 en traversant une perforation du collecteur correspondant, et l'autre extrémité pénètre dans la boîte à fluide 3 en traversant le collecteur correspondant. La boîte à fluide 2 présente une tubulure d'entrée de fluide caloporteur 6 et la boîte à fluide 3 présente une tubulure de sortie de fluide caloporteur 7, les axes 8 et 9 de ces tubulures étant orientés perpendiculairement à la direction longitudinale des tubes et à la direction longitudinale des boîtes à fluide. De façon classique, les fonds 10 des bacs 4 des deux boîtes à fluide, qui limitent l'échangeur de chaleur dans la direction des tubes, sont situés dans des plans parallèles à cette direction, conférant à l'échangeur de chaleur un contour sensiblement rectangulaire comme vu dans le plan de la figure qui est parallèle aux directions longitudinales des tubes et des boîtes à fluide. Les tubulures 6 et 7 sont situées en deux sommets opposés de ce contour rectangulaire. Selon l'invention, les deux collecteurs 5 sont situés dans des plans parallèles entre eux mais inclinés par rapport à la direction longitudinale des tubes. La longueur dont les extrémités des tubes font saillie à l'intérieur des boîte à fluide étant uniforme d'un bout à l'autre de celles-ci, le contour du faisceau de tubes présente, comme vu dans le plan de la figure, la forme d'un parallélogramme non rectangle. Certains tubes la ont une extrémité lia débouchant dans la boîte à fluide 2 au droit de la tubulure 6 et leur extrémité opposée 12a débouchant dans la région d'extrémité de la boîte à fluide 3 opposée à la tubulure 7. De même, certains tubes lb débouchent par une extrémité lib dans la région d'extrémité de la boîte à fluide 2 opposée à la tubulure 6, et par leur extrémité opposée 12b dans la boîte à fluide 3 au droit de la tubulure 7. Alors que les extrémités lia et 12b sont à une distance du fond 10 de la boîte à fluide correspondante supérieure au diamètre de la tubulure 6 ou 7, les extrémités 12a et llb sont à une distance du fond 10 inférieure au diamètre de la tubulure. Par rapport à un échangeur de chaleur de la technique antérieure, dans lequel toutes les extrémités des tubes sont à une distance du fond de la boîte à fluide correspondante supérieure au diamètre de la tubulure, l'encombrement total est réduit d'une valeur correspondant au décalage longitudinal entre les tubes la et lb. En d'autres termes, l'invention permet d'augmenter la surface d'échange de chaleur pour un encombrement donné. Cette augmentation varie entre 10 et 30% selon les dimensions du faisceau de tubes. Les intercalaires 13, représentés partiellement sur la figure, qui relient entre eux les tubes, sont brasés à ceuxci. Dans l'exemple de réalisation décrit et représenté, les tubulures d'entrée 6 et de sortie 7, dont les axes sont orientés perpendiculairement au plan de la figure, se raccordent aux faces latérales des bacs 4 et ne font donc pas saillie par rapport au contour rectangulaire de l'échangeur de chaleur. Dans le cas où l'encombrement de celui-ci ne serait pas strictement limité dans la direction longitudinale des boîtes à fluide, les tubulures pourraient être orientées dans cette direction et se raccorder aux faces terminales des boîtes à fluide. Il est également envisageable que l'une au moins des tubulures soit orientée dans la direction des tubes, dans le cas où l'encombrement de l'échangeur de chaleur dans cette direction ne serait limité que sur une fraction de la longueur des boîtes à fluide. Dans ce cas, la distance maximale entre les extrémités des tubes et le fond des boîtes à fluide serait définie non plus par le diamètre des tubulures, mais par la section de passage nécessaire pour permettre le débit total du fluide pénétrant dans l'échangeur de chaleur ou sortant de celui-ci. Bien entendu, le décalage longitudinal des tubes, au lieu d'être progressif et uniforme comme décrit, peut s'effectuer avec un pas variable, et/ou par un ou plusieurs sauts brusques. De même, chaque collecteur 5, au lieu d'être disposé selon un seul plan oblique, peut être incurvé et/ou formé de segments ayant différentes orientations. Revendications 1. Échangeur de chaleur comprenant un faisceau (1) de tubes de circulation de fluide caloporteur dans lequel les tubes sont allongés dans une première direction et communiquent par leurs deux extrémités respectivement avec deux boîtes à fluide (2,3) allongées sensiblement dans une seconde direction perpendiculaire à la première, en traversant une paroi perforée ou collecteur (5) de chaque boîte à fluide, les deux boîtes à fluide présentant respectivement une tubulure d'entrée (6) et une tubulure de sortie (7) de fluide situées au voisinage de deux sommets opposés du contour de forme générale quadrilatérale de l'échangeur de chaleur, comme vu dans un plan défini par lesdites première et seconde directions, caractérisé en ce que, pour chacune des boîtes à fluide, les extrémités (lla,12b) des tubes (la,lb) voisines de la tubulure d'entrée (6) ou de sortie (7), et la région correspondante du collecteur, sont décalées dans la première direction, vers l'autre boîte à fluide, par rapport aux extrémités (llb,12a) des autres tubes (lb,la) et à la région restante du collecteur respectivement. 2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les extrémités des tubes sont décalées entre elles progressivement d'une extrémité à l'autre de la boîte à fluide, et que le collecteur est disposé obliquement par rapport à la première direction. 3. Échangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'ensemble des extrémités des tubes situées dans une boîte à fluide, l'ensemble des extrémités des tubes situées dans l'autre boîte à fluide et les deux collecteurs sont sensiblement disposés respectivement dans quatre plans obliques parallèles entre eux. 4. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tubulures d'entrée et de sortie (6,7) ont leurs axes (8,9) orientés perpendiculai rement aux première et seconde directions de façon à ne pas faire saillie hors dudit contour quadrilatéral. 5. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi (10) de chaque boîte à fluide opposée au collecteur est sensiblement plane et perpendiculaire à la première direction, conférant audit contour quadrangulaire une forme générale rectangulaire. 6. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que deux tubes voisins dans la seconde direction sont reliés entre eux par un intercalaire (13) sous forme d'une bande de tôle conformée selon un parcours sinueux de façon à venir en contact alternativement avec ces deux tubes.