Brevet FR2721698A1 — publié le 19951229

Echangeur de chaleur à circulation de fluide régulée L'invention concerne un échangeur de chaleur à circulation de fluide régulée, notamment pour véhicule automobile. On connaît déjà des échangeurs de chaleur comprenant un faisceau de tubes propre à être parcouru par un fluide caloporteur, et débouchant dans au moins une boîte à fluide, munie d'une tubulure d'entrée et/ou d'une tubulure de sortie, placées dans des positions déterminées. Un échangeur de chaleur de ce type est utilisé notamment dans l'industrie automobile pour former soit un radiateur de refroidissement d'un .noteur de véhicule automobile, soit un radiateur de chauftage de l'habitacle. Les tubes du faisceau sont parcourus par le fluide caloporteur, qui est par exemple de l'eau additionnée d'un antigel, et balayés par un flux d'air. Généralement, le fluide caloporteur pénètre dans une boîte à fluide par la tubulure d'entrée, parcourt ensuite les tubes et quitte l'échangeur de chaleur par la tubulure de sortie, qui est située dans la même boîte à fluide ou dans une autre boîte à fluide. Les tubes constituant le faisceau sont identiques, afin de limiter les coûts de production et de faciliter le montage mécanique de l'échangeur. Dans ce type d'échangeur de chaleur, il est clair que, quelle que soit la position de la tubulure d'entrée, le tube dont l'extrémité est la plus proche de cette tubulure est alimenté en fluide caloporteur le premier. Ce tube va donc se remplir avant les tubes adjacents. Or, pour des raisons évidentes de pression interne, le volume utilisable de l'échangeur n'est pas égal au volume du fluide caloporteur circulant dans celui-ci. En conséquence, le fluide caloporteur va circuler préférentiellement dans les tubes les plus près de la tubulure d'entrée, au détriment des tubes les plus éloignés. Il s'instaure alors un gradient de débit, et donc un gradient de température entre les tubes. Cette différence de température entre les tubes génère des tensions thermiques, qui peuvent entraîner une détérioration du radiateur. Le but de l'invention est donc de procurer un échangeur de chaleur à faisceau de tubes, remédiant à l'inconvénient mentionné ci-dessus. L'invention propose à cet effet un échangeur de chaleur du type mentionné précédemment, dans lequel au moins une boîte à fluide contient une plaque de distribution, munie d'orif i- ces disposés à des extrémités de tubes, une partie au moins desdits orifices ayant des sections calibrées selon une loi croissante, de manière à contrôler sélectivement le passage du fluide caloporteur circulant dans lesdits tubes. Cela permet d'instaurer un débit quasiment constant quel que soit le tube constituant le faisceau, ainsi qu'une distribution de débit optimisée. Selon un autre aspect de l'invention, l'orifice calibré de plus petite section est en regard du tube le plus près de la tubulure d'entrée, et l'orifice calibré de plus grande section en regard du tube le plus éloigné de la tubulure d'entrée. Selon l'invention, la plaque de distribution divise donc la boîte à fluide, dans laquelle elle se trouve logée, en deux parties qui communiqllent par l'intermédiaire des orifices calibrés. Une première partie contient les extrémités des tubes, alors qu'une seconde partie est apte à collecter le fluide caloporteur issu de la première partie, ou à alimenter en fluide caloporteur cette première partie. Selon un autre aspect de l'invention, la plaque de distribution comprend dans la première partie un élément plan, pourvu des orifices calibrés, et des cloisons perpendiculaires à cet élément plan et solidaires de celui-ci. Les cloisons entourent alors les extrémités des tubes. Ces cloisons, perpendiculaires à l'élément plan de la plaque de distribution, viennent comprimer un joint d'étanchéité contre une plaque collectrice, munie de trous autorisant le passage des extrémités des tubes. Ces cloisons forment ainsi, en collaboration avec la plaque de distribution et le joint qu'elles compriment contre la plaque collectrice, des chambres à tubes pouvant contenir, chacune, l'une des extrémités d'au moins un tube. Selon encore un autre aspect de l'invention, la plaque de distribution repose sur un épaulement des faces internes des parois de la boîte qui la contient. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'échangeur de chaleur comprend une boîte à fluide d'entrée et une boîte à fluide de sortie, munies respectivement de la tubulure d'entrée et de la tubulure de sortie. La plaque de distribution se trouve alors logée dans la boîte à fluide de sortie. Par ailleurs, la tubulure de sortie est logée à une extrémité de la boîte à fluide de sortie, près de l'orifice calibré de plus petite section. Dans les différents modes de réalisation de l'invention, les orifices calibrés sont avantageusement de section circulaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, donnés à titre d'exemple, sur lesquels - la figure 1 est une vue en perspective éclatée d'une forme de réalisation d'un échangeur de chaleur, - la figure 2 est une vue partielle en coupe de la partie inférieure d'un échangeur de chaleur selon la figure 1, et - la figure 3 est une vue du dessus d'une plaque de distribution d'un échangeur de chaleur selon la figure 1. On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente un échangeur de chaleur comprenant un faisceau de tubes 1-1 à 1-n relié d'une part à une boîte à fluide d'entrée 2 et d'autre part à une boîte à fluide de sortie 3. La boîte à fluide d'entrée 2 est munie à l'une de ses extrémités d'une tubulure d'entrée 4 autorisant l'entrée d'un fluide caloporteur dont le sens de circulation est symbolisé par la flèche. A titre d'exemple, l'échangeur de chaleur est un radiateur de véhicule automobile destiné à refroidir le moteur, le fluide caloporteur circulant pouvant être par exemple de l'eau additionnée d'un antigel. Il est maintenant fait référence à la figure 2. Une fois dans la boîte à fluide d'entrée 2, ledit fluide caloporteur pénètre alors dans les tubes 1-1 à l-n cylindriques identiques formant le faisceau de tubes parallèles et traversant une multiplicité d'ailettes 5. Après avoir circulé dans les tubes 1-1 à l-n, le fluide débouche dans la boîte à fluide de sortie 3 qui comprend une plaque collectrice 6 au travers de laquelle sont formés une multiplicité de trous 7-1 à 7-n, dont chacun est entouré par un collet 8. Dans chacun des trous 7-1 à 7-n est introduite l'une des extrémités d'un tube 1-1 à 1-n du faisceau. La plaque collectrice 6 reçoit un joint d'étanchéité 9 comportant, en correspondance des collets 8-1 à 8-n de ladite plaque collectrice 6, une multiplicité de collets compressibles 10-1 à 10-n. Chaque collet 10 du joint 9 est ainsi comprimé dans l'espace annulaire compris entre l'extrémité 11 du tube et un collet 8 de la plaque collectrice 6. La plaque collectrice 6 et le joint d'étanchéité 9 ont de préférence une forme rectangulaire. Par ailleurs, la plaque collectrice 6 comporte, sur son pourtour, un bord rabattu 12 formant une gorge pour recevoir une extrémité du joint 13, ainsi qu'un rebord périphérique 14 faisant partie d'une paroi de la boîte à fluide de sortie 3. Ce rebord périphérique 14 est maintenu par le bcrd rabattu 12, ce qui comprime l'extrémité du joint 13. Les parois latérales 15 de la boîte à fluide de sortie 3 sont munies sur leur face interne d'un épaulement 16, sur lequel vient s'appuyer l'extrémité d'une plaque de distribution 17. Cette plaque de distribution 17 divise la boîte à fluide de sortie 3 en deux parties, une première partie 18 dans laquelle débouchent les extrémités 11-1 à ll-n des tubes 1-1 à 1-n, et une seconde partie 19 assurant la collecte du fluide issu desdits tubes 1-1 à l-n. La plaque de distribution 17 comprend un élément plan 20 de forme rectangulaire, ainsi que des cloisons 21 perpendiculaires et solidaires de l'élément plan 20. Chaque cloison 21 est de forme générale cylindrique circulaire et entoure une extrémité 11 de tube 9 en formant, en collaboration avec l'élément plan 20, et le joint 9 qu'elle comprime contre la plaque collectrice 6, une chambre à tube 22. Par ailleurs, l'élément plan 20 de la plaque de distribution 17 est muni d'une multiplicité d'orifices calibrés 23-1 à 23-n, chacun en regard d'une extrémité 11 de tube et débouchant dans une chambre à tube 22. Il est maintenant fait référence à la figure 3 qui schématise, en vue du dessus, la plaque de distribution 17. Les orifices 23-1 à 23-n de l'élément plan 20 sont disposés alignés et ont des sections calibrées s-l à s-n selon une loi croissante. L'orifice 23-1 de plus petite section s-l se trouve à l'une des extrémités de l'élément plan 20, et celui 23-n de plus grande section s-n à l'extrémité opposée de ce même élément plan 20. La plaque de distribution 17 est orientée dans la boîte à fluide 2 de sortie 3 de façon que l'orifice 23-1 de plus petite section s-l soit en regard du tube 1-1 dont l'une des extrémités débouche le plus près de la tubulure d'entrée 3. Dans l'exemple choisi, l'autre extrémité 11-1 du tube débouche près d'une tubulure de sortie 24, qui se trouve à l'une des extrémités de la boîte à fluide de sortie 3, et par laquelle le fluide caloporteur sort de l'échangeur de chaleur suivant le sens indiqué par la flèche. Dans la forme de réalisation précédemment décrite, l'extrémité 11 de chaque tube débouche dans une chambre 22 qui lui est propre, chaque chambre 22 communiquant avec la seconde partie 19 par un unique orifice calibré 23. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, chaque chambre 22 peut loger une ou plusieurs extrémités 11 de tubes, et/ou communiquer avec la seconde partie 19 par un ou plusieurs orifices 23 calibrés. Le dispositif selon l'invention présente, par rapport à l'état de l'art, un avantage fonctionnel qui permet d'améliorer notablement les porformances des échangeurs de chaleur à faisceaux de tubes. La plaque de distribution autorise un contrôle sélectif du passage du fluide circulant dans les tubes. Le débit dans chaque tube est maintenu quasiment constant quelle que soit la position du tube par rapport à la tubulure d'entrée. En conséquence, l'échange de chaleur est réparti de façon homogène sur tous les tubes, et les pertes de charges sont minimalisées. La température de chaque tube étant à peu près identique, on supprime les problèmes de contraintes thermiques, donc la fiabilité de l'échangeur est notablement améliorée. Il a été fait référence dans tout le descriptif ci-dessus à un échangeur de chaleur muni d'une boîte d'entrée et d'une boîte de sortie. Cependant, l'invention ne se limite pas à ce cas. On pourra donc envisager d'autres solutions, comme par exemple utiliser une boîte à fluide munie des tubulures d'entrée et de sortie, chacune débouchant dans un compartiment distinct, plus une boîte de transfert, le fluide circulant du compartiment d'entrée de la boîte contenant les tubulures, vers la boîte de transfert, puis de celle-ci vers le compartiment de sortie de ladite boîte contenant les tubulures. Comme autre solution, on peut utiliser une seule boîte à fluide munie des tubulures d'entrée et de sortie, chacune débouchant dans un compartiment distinct, le fluide circulant dans un faisceau de tubes en U. De nombreuses autres possibilités plus compliquées, faisant appel à un plus grand nombre de boîtes à fluide, sont également envisageables. Par ailleurs, l'invention ne se limite pas à l'utilisation d'une seule plaque de distribution. On pourra envisager d'utiliser autant de plaques de distribution qu'on le souhaite, en fonction du nombre de compartiments utilisés. Ainsi, dans le dispositif décrit par les figures, on peut utiliser une plaque en entrée et/ou une plaque en sortie. Dans les exemples décrits ci-dessus, dans lesquels chaque boîte à fluide sert d'entrée et de sortie pour les tubes, on pourra faire appel soit à des demi-plaques de distribution calibrées suivant une loi croissante, soit à des plaques aux dimensions de la boîte, mais dont l'une des moitiés sera soit évidée, soit munie d'orifices de section identique, tandis que l'autre moitié sera calibrée selon ladite loi croissante. Enfin, il pourra également être envisagé d'utiliser des boîtes dont la tubulure d'entrée sera installée en un endroit déterminé. Dans cette hypothèse, la plaque de distribution devra être conçue de façon que l'orifice de plus petite section soit toujours en regard du tube débouchant le plus près de la tubulure d'entrée. L'échangeur de chaleur de l'invention est parcouru par un fluide caloporteur servant au refroidissement d'un moteur thermique de véhicule. Il peut être utilisé également comme condenseur d'une installation de climatisation de véhicule. Revendications 1. Echangeur de chaleur, du type comprenant un faisceau de tubes (1-1 à 1-n) propre à être parcouru par un fluide caloporteur, et débouchant dans au moins une boîte à fluide (2, 3), munie d'une tubulure d'entrée (4) et/ou d'une tubulure de sortie (24), placées dans des positions déterminées, caractérisé en ce qu'au moins une boîte à fluide (3) loge une plaque de distributicn (17) munie d'orifices (23-1 à 23-n) disposés à des extrémités (11-1 à ll-n) de tubes, une partie au moins desdits orifices (23-1 à 23-n) ayant des sections (s-1 à s-n) calibrées selon une loi croissante, de manière à contrôler sélectivement le passage du fluide caloporteur circulant dans lesdits tubes (1-1 à l-n). 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'orifice calibré (23-1) de plus petite section (s-1) est en regard du tube (1-1) le plus près de la tubulure d'entrée (4), et l'orifice calibré (23-n) de plus grande section (s-n) est en regard du tube (l-n) le plus éloigné de la tubulure d'entrée (4). 3. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la plaque de distribution (17) divise la boîte à fluide (3), dans laquelle elle se trouve logée, en deux parties communiquant par l'intermédiaire des trous calibrés (23-1 à 23-n), une première partie (18) contenant les extrémités (11-1 à ll-n) des tubes (1-1 à l-n) et une seconde partie (19) apte à collecter le fluide caloporteur issu de la première partie (18), ou à alimenter en fluide caloporteur celle-ci. 4. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la plaque de distribution (17) comprend en outre, dans la première partie (18), un élément plan (20) pourvu des orifices calibrés (23-1 à 23-n) et des cloisons (21) perpendiculaires à ladite plaque (17), et solidaires de celle-ci, lesdites cloisons (21) entourant les extrémités (11) des tubes. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites cloisons (21) compriment un joint d'étanchéité (9) contre une plaque collectrice (6), munie de trous (7-1 à 7-n) autorisant chacun le passage d'un tube (1-1 à 1-n). 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les cloisons (21) sont aptes à former, en collaboration avec l'élément plan (20) de la plaque de distribution (17) et le joint (9), qu'elles compriment contre la plaque collectrice (6), des chambres à tubes (22). 7. Echangeur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les chambres (22) sont aptes à contenir, chacune, l'une des extrémités (11-1 à ll-n) d'au moins un tube (1-1 à 1-n). 8. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite plaque de distribution (17) repose sur un épaulement (16) des faces internes des parois (15) de la boîte à fluide (3) la contenant. 9. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, comprenant une bote à fluide d'entrée (2) et une boîte à fluide de sortie (3) munies respectivement d'une tubulure d'entrée (4) et d'une tubulure de sortie (24), caractérisé en ce que la plaque de distribution (17) est logée dans la boîte à fluide de sortie (3). 10. Echangeur de chaleur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la tubulure de sortie (24) est logée à une extrémité de la boîte à fluide de sortie (3), près de l'orifice calibré (23-1) de plus petite section (s-l). 11. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les orifices calibrés (23-1 à 23-n) sont de section circulaire.