Brevet FR2728665A1 — publié le 19960628

Échangeur de chaleur à trois fluides de construction simplifiée L'invention concerne un échangeur de chaleur triple pour l'échange de chaleur entre un premier fluide à l'état gazeux et des second et troisième fluides circulant dans des circuits séparés, présentant une série d'intervalles de forme plate empilés dans une direction d'empilement en alternance avec une première série de veines plates et une seconde série de veines plates dans lesquelles circulent respectivement les second et troisième fluides, deux veines appartenant respectivement aux deux séries étant juxtaposées entre deux intervalles consécutifs et chacune d'elles étant séparée de chacun de ces deux intervalles par des parois conductrices de la chaleur propres à être balayées par un courant du premier fluide s'écoulant dans lesdits intervalles. Un tel échangeur de chaleur est décrit dans EP-A-0431917. Cet échangeur de chaleur connu joue le rôle de radiateur pour le refroidissement du moteur thermique d'entraînement d'un véhicule automobile, et de condenseur d'un circuit de climatisation de l'habitacle du véhicule. Le premier fluide est alors l'air atmosphérique, le second fluide le fluide de refroidissement du moteur et le troisième fluide le fluide réfrigérant du circuit de climatisation. Les deux veines juxtaposés entre deux intervalles consécutifs sont définies par des pochettes indépendantes disposées à une certaine distance l'une de l'autre.L'encombrement total de cet échangeur dans la direction de juxtaposition des pochettes correspond à la somme des encombrements d'un radiateur et d'un condenseur séparés qui exerceraient les mêmes fonctions que lui, et d'un encombrement supplémentaire correspondant à la distance entre les deux pochettes juxtaposées. De plus, les deux séries de pochettes doivent être réalisées indépen dament et assemblées indépendamment l'une de l'autre en alternance avec les intervalles, ce qui complique la fabrication de l'échangeur de chaleur. Enfin, ces deux séries de pochettes ne sont en liaison thermique mutuelle que par l'intermédiaire de plaques ondulées disposées dans les intervalles. Dans les dispositifs de climatisation de l'habitacle des véhicules, il est courant de disposer en série dans le trajet de l'air à traiter un évaporateur appartenant au circuit de fluide réfrigérant, destiné à refroidir cet air, et un radiateur pour le chauffage de l'air. L'espace disponible pour les dispositifs de climatisation étant généralement chichement mesuré, il est tentant, pour gagner de la place, de remplacer ces deux échangeurs de chaleur par un échangeur unique remplissant les deux fonctions. Le but de l'invention est de perfectionner l'échangeur de chaleur triple selon le document précité en simplifiant sa construction et en réduisant son encombrement. Un autre but est de favoriser, outre l'échange de chaleur direct entre le premier fluide et chacun des second et troisième fluides, un échange direct entre les second et troisième fluides. Dans l'exemple précité d'un échangeur de chaleur jouant le rôle de radiateur de chauffage et d'évaporateur, l'échange de chaleur direct entre le fluide caloporteur du radiateur de chauffage et le fluide réfrigérant de l'évaporateur favorise le transfert de chaleur vers ce dernier fluide et par conséquent son évaporation complète. L'invention vise notamment un échangeur de chaleur du genre défini en introduction, et prévoit que les deux veines juxtaposées entre deux intervalles sont définies par une même pochette plate dont le volume intérieur est séparé de ces deux intervalles par des parois unitaires respectives et dans laquelle les second et troisième fluides circulent de part et d'autre d'une séparation étanche, chacune desdites parois unitaires étant balayée par le second fluide sur une fraction de sa surface et par le troisième fluide sur la fraction restante de sa surface. Grâce à l'invention, une seule série de pochettes doit être fabriquée et empilée en alternance avec les intervalles. Le supplément d'encombrement correspondant à la distance entre les deux pochettes juxtaposées de l'échangeur connu est supprimé. Par ailleurs, les parois unitaires de chaque pochette assurent un transfert de chaleur direct entre les second et troisième fluides, qui balaient ces parois respectivement dans des régions voisines de leur superficie. Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémentaires ou alternatives, sont énoncées ci-après - L'épaisseur de chaque intervalle est définie par une plaque mince ondulée conductrice de la chaleur, dont les crêtes sont en contact alternativement avec les deux parois, qui sert d'entretoise entre les deux pochettes correspondantes et participe à l'échange de chaleur entre les trois fluides. - Chaque pochette est formée de deux plaques de tôle embouties en forme de cuvettes plates, dont les concavités sont tournées l'une vers l'autre et qui sont mutuellement reliées de façon étanche à leur périphérie. - Les deux plaques de tôle sont en outre reliées mutuellement en une zone médiane de leur largeur et sur la totalité de leur longueur pour réaliser ladite séparation étanche, ainsi qu'en une zone médiane de la largeur de chacun des espaces ainsi délimités pour la circulation des second et troisième fluides, et sur une fraction notable de la longueur dudit espace à partir d'une première extrémité de celle-ci, de façon à définir pour le fluide correspondant un trajet en U dont les deux branches s'étendent de part et d'autre de ladite zone médiane de cet espace. - La profondeur de la cuvette formée par chaque plaque est augmentée dans une région adjacente à ladite première extrémité, de part et d'autre de ladite zone médiane, pour former une chambre d'entrée du fluide dans l'espace correspondant et une chambre de sortie du fluide de ce même espace, les couples chambre d'entrée-chambre de sortie d'une série d'espaces destinés au même fluide étant alignés dans ladite direction, sur un côté de l'empilement, le fond d'une cuvette dans ladite région étant en contact étanche avec le fond d'une cuvette formée par une pochette voisine, autour d'une ouverture ménagée dans chacun de ces deux fonds, pour permettre le passage du fluide, de façon étanche vis-à-vis de l'extérieur des pochettes, de l'une à l'autre des chambres d'entrée et/ou de sortie définies par les deux cuvettes. - Les chambres d'entrée et les chambres de sortie d'une série d'espaces d'une part, les chambres d'entrée et les chambres de sortie de l'autre série d'espaces d'autre part, sont alignées sur deux côtés opposés de l'empilement, les chambres appartenant aux espaces de chaque série faisant saillie du côté correspondant par rapport aux régions des pochettes définissant les espaces de l'autre série. - Les espaces d'une série au moins s'interrompent à distance des chambres d'entrée et de sortie de l'autre série, du côté de l'empilement où se trouvent ces chambres, de façon à définir au moins une zone latérale de 1'empilement dans laquelle le premier fluide échange de la chaleur avec un seul des second et troisième fluides. Dans un dispositif de climatisation, l'air ayant traversé une telle zone latérale peut être envoyé dans une partie de l'habitacle où on désire de l'air plus chaud ou plus froid que dans les autres parties. Le cas échéant, une zone d'air chaud et une zone d'air froid peuvent être prévues de part et d'autre de ltempilement. - Les chambres d'entrée d'une part et les chambres de sortie d'autre part d'une même série d'espaces sont mutuellement alignées pour former une conduite d'entrée et une conduite de sortie respectivement, les trajets en U définis dans lesdits espaces étant disposés en parallèle entre les conduites d'entrée et de sortie. L'invention a également pour objet une utilisation d'un échangeur de chaleur tel que défini ci-dessus, dans laquelle les premier, second et troisième fluides sont respectivement de l'air destiné à être envoyé dans l'habitacle d'un véhicule, un fluide réfrigérant propre à passer de l'état liquide à l'état gazeux dans l'échangeur en absorbant de la chaleur, et un fluide chaud propre à céder de la chaleur aux deux autres fluides. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront exposés plus en détail dans la description ci-après, en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue de côté de l'empilement d'intervalles et de pochettes d'un échangeur de chaleur selon l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne II-II de la figure 1; et - la figure 3 est une vue partielle en coupe selon la ligne III-III de la figure 2. L'échangeur de chaleur illustré comprend une série de pochettes 1 empilées de la gauche vers la droite de la figure 1 sur une hauteur H mesurée de haut en bas de la figure 1. Sur cette hauteur, les pochettes présentent une épaisseur sensiblement constante e et sont limitées par des faces sensiblement planes et verticales, la face tournée vers la droite d'une pochette étant séparée de la face tournée vers la gauche de la pochette suivante par un intervalle 3. Chacun des intervalles 3 est garni d'une plaque mince ondulée 4 conductrice de la chaleur, dont les crêtes sont en contact alternativement avec les deux faces des pochettes limitant l'intervalle. De façon connue, de l'air peut circuler dans les intervalles 3, à l'intérieur des canaux horizontaux délimités par les ondulations des plaques 4, pour échanger de la chaleur, à travers ces plaques et les parois des pochet tes, avec des fluides qui circulent dans ces dernières comme exposé plus loin. Toutes les pochettes 1 sont identiques, chacune étant constituée par deux plaques de tôle 5 et 6 symétriques l'une de l'autre par rapport à un plan. Comme le montre la figure 2, chaque plaque 5 ou 6 présente un contour formé par la juxtaposition de deux rectangles de mêmes dimensions, ces deux rectangles étant accolés selon un grand côté et décalés l'un par rapport à l'autre, dans leur direction longitudinale, d'une petite fraction de leur longueur.Les deux parties rectangulaires 6-1, 6-2 de la plaque 6 montrée sur la figure 2 sont embouties en forme de cuvettes et les plaques 5 et 6 d'une même pochette sont réunies entre elles de façon étanche sur tout le contour sensiblement rectangulaire de chaque cuvette pour définir deux volumes intérieurs fermés, de part et d'autre de la zone de jonction médiane 2 correspondant à la partie de côté commune des deux rectangles. Le côté inférieur 15-1 des régions 1-1 des pochettes 1 formées par la partie rectangulaire 6-1 d'une plaque 6 et la partie rectangulaire associée 5-1 d'une plaque 5 se situe à la limite inférieure de la hauteur H, et ces mêmes demi-pochettes 1-1 font saillie vers le haut au-delà de la limite supérieure de cette hauteur.Dans la région surplombant ainsi la hauteur H, la profondeur des cuvettes formées par les parties rectangulaires 5-1 et 6-1 est augmentée, par rapport à la faible profondeur constante qu'elles présentent sur la hauteur H, de façon que le fond plat 7 de la partie 5-1, convexe vers la gauche, d'une pochette 1 vienne s'appuyer sur le fond plat 8 de la partie 6-1, convexe vers la droite, de la pochette située à gauche de la précédente. L'épaisseur de chaque pochette est ainsi égale dans cette région au pas de l'empilement alterné, sur la hauteur H, des intervalles 3 et des pochettes.De la même façon, le côté supérieur 15-2 des demipochettes 1-2 formé par la partie rectangulaire 6-2 d'une plaque 6 et la partie rectangulaire associée 5-2 d'une plaque 5 est situé à la limite supérieure de la hauteur H, et ces demi-pochettes s'étendent vers le bas au-delà de la limite inférieure de la hauteur H, en s'épaississant et en venant en contact mutuel par des fonds plats 7 et 8 tournés respectivement vers la gauche et vers la droite. Les plaques 5 et 6 de chaque pochette sont en outre réunies de façon étanche en deux zone 9-1 et 9-2 médianes par rapport à la largeur des demi-pochettes 1-1 et 1-2, s'étendant chacune de façon continue depuis le bord d'extrémité 14-1 ou 14-2 de la demi-pochette correspondante située au-dessus ou au-dessous de la hauteur H jusqu'à une certaine distance du bord opposé 15-1 ou 15-2. Le volume intérieur de chacune de ces demi-pochettes présente donc une configuration en U dont les extrémités des deux branches 10 et 11 sont situées dans la région épaissie de la pochette, chacun des fonds plats 7, 8 étant séparé en deux parties 7a et 7b, 8a et 8b, par la zone de liaison 9-1 ou 9-2. Chacune des parties 7a, 7b, 8a, 8b est percée d'une ouverture 12.Les ouvertures 12 de deux parties de fond adjacentes assurent une communication entre les extrémités épaissies des branches des trajets en U de deux demi-pochettes 1-1 ou 1-2 voisines. Les extrémités épaissies 13a des branches 10 constituent des chambres d'entrée du fluide dans chaque pochette et sont reliées entre elles par les ouvertures 12 correspondantes pour former une conduite d'entrée. De même, les extrémités épaissies 13b des branches 11 constituent des chambres de sortie du fluide de chaque pochette et sont réunies entre elles, par les ouvertures 12 correspondantes, pour former une conduite de sortie. Chaque fluide circule en parallèle, dans les trajets en U correspondants des différentes pochettes, entre la conduite d'entrée et la conduite de sortie. Bien entendu, la partie de fond 7a ou 7b et la partie de fond 8a ou 8b mutuellement adjacente de deux pochettes voisines sont reliées de façon étanche, autour de leurs ouvertures 12. L'une des deux ouvertures 12 situées aux extrémités de chaque conduite d'entrée ou de sortie est raccordée à une tubulure d'entrée ou de sortie de l'échangeur non représentée, l'autre ouverture étant obturée. Revendications 1. Échangeur de chaleur triple pour l'échange de chaleur entre un premier fluide à l'état gazeux et des second et troisième fluides circulant dans des circuits séparés, présentant une série d'intervalles (3) de forme plate empilés dans une direction d'empilement en alternance avec une première série de veines plates et une seconde série de veines plates dans lesquelles circulent respectivement les second et troisième fluides, deux veines appartenant respectivement aux deux séries étant juxtaposées entre deux intervalles consécutifs et chacune d'elles étant séparée de chacun de ces deux intervalles par des parois (5-1, 5-2, 6-1, 6-2) conductrices de la chaleur propres à être balayées par un courant du premier fluide s'écoulant dans lesdits intervalles, caractérisé en ce que les deux veines juxtaposées entre deux intervalles sont définies par une même pochette plate (1) dont le volume intérieur est séparé de ces deux intervalles par des parois unitaires respectives (5, 6) et dans laquelle les second et troisième fluides circulent de part et d'autre d'une séparation étanche (2), chacune desdites parois unitaires étant balayée par le second fluide sur une fraction de sa surface (5-1, 6-1) et par le troisième fluide sur la fraction restante (5-2, 6-2) de sa surface. 2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de chaque intervalle est définie par une plaque mince (4) ondulée conductrice de la chaleur, dont les crêtes sont en contact alternativement avec les deux parois, qui sert d'entretoise entre les deux pochettes correspondantes et participe à l'échange de chaleur entre les trois fluides. 3. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque pochette est formée de deux plaques de tôle (5, 6) embouties en forme de cuvettes plates, dont les concavités sont tournées l'une vers l'autre et qui sont mutuellement reliées de façon étanche à leur périphérie. 4. Échangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux plaques de tôle sont en outre reliées mutuellement en une zone médiane (2) de leur largeur et sur la totalité de leur longueur pour réaliser ladite séparation étanche, ainsi qu'en une zone (9-1, 9-2) médiane de la largeur de chacun des espaces ainsi délimités pour la circulation des second et troisième fluides, et sur une fraction notable de la longueur dudit espace à partir d'une première extrémité (14-1, 14-2) de celle-ci, de façon à définir pour le fluide correspondant un trajet en U dont les deux branches (10, 11) s'étendent de part et d'autre de ladite zone médiane de cet espace. 5. Échangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la profondeur de la cuvette formée par chaque plaque est augmentée dans une région adjacente à ladite première extrémité, de part et d'autre de ladite zone médiane, pour former une chambre (13a) d'entrée du fluide dans l'espace correspondant et une chambre (13b) de sortie du fluide de ce même espace, les couples chambre d'entréechambre de sortie d'une série d'espaces destinés au même fluide étant alignés dans ladite direction, sur un côté de l'empilement, le fond (7) d'une cuvette dans ladite région étant en contact étanche avec le fond (8) d'une cuvette formée par une pochette voisine, autour d'une ouverture (12) ménagée dans chacun de ces deux fonds, pour permettre le passage du fluide, de façon étanche vis-à-vis de l'extérieur des pochettes, de l'une à l'autre des chambres d'entrée et/ou de sortie définies par les deux cuvettes. 6. Échangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les chambres d'entrée et les chambres de sortie d'une série d'espaces d'une part, les chambres d'entrée et les chambres de sortie de l'autre série d'espaces d'autre part, sont alignées sur deux côtés opposés de l'empi- lement, les chambres appartenant aux espaces de chaque série faisant saillie du côté correspondant par rapport aux régions des pochettes définissant les espaces de l'autre série. 7. Échangeur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les espaces d'une série au moins s'interrompent à distance des chambres d'entrée et de sortie de l'autre série, du côté de l'empilement où se trouvent ces chambres, de façon à définir au moins une zone latérale de l'empilement dans laquelle le premier fluide échange de la chaleur avec un seul des second et troisième fluides. 8. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les chambres d'entrée d'une part et les chambres de sortie d'autre part d'une même série d'espaces sont mutuellement alignées pour former une conduite d'entrée et une conduite de sortie respectivement, les trajets en U définis dans lesdits espaces étant disposés en parallèle entre les conduites d'entrée et de sortie. 9. Utilisation d'un échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les premier, second et troisième fluides sont respectivement de l'air destiné à être envoyé dans l'habitacle d'un véhicule, un fluide réfrigérant propre à passer de l'état liquide à l'état gazeux dans l'échangeur en absorbant de la chaleur, et un fluide chaud propre à céder de la chaleur aux deux autres fluides.