Brevet FR2754047A1 — publié le 19980403

Echanaeur de chaleur à distribution de fluide contrôlée L'invention concerne le domaine des échangeurs de chaleur à distribution de fluide contrôlée, notamment pour véhicule automobile. Elle concerne plus particulièrement les échangeurs de chaleur qui comprennent au moins un tube, de forme générale plate et subdivisé en au moins de premier et second canaux, placés de telle sorte que le premier canal est balayé le première par un flux d'air, et munis d'extrémités qui débouchent dans au moins une boite à fluide munie au moins d'une tubulure d'entrée propre à les alimenter en fluide frigorigène. Ce type d'échangeur de chaleur est généralement utilisé pour former un évaporateur intégré dans une installation de climatisation d'un habitacle de véhicule automobile. Il sert par conséquent, habituellement, à refroidir de l'air extérieur et/ou recirculé, qui arrive selon une direction sensiblement parallèle au(x) tube(s) plat(s) qu'il comporte, et qui est destiné à un boîtier de distribution d'air pour l'habitacle. Généralement, le fluide frigorigène pénètre dans une boîte à fluide par la tubulure d'entrée sous forme d'un mélange liquide/gaz froid, circule dans les canaux du (ou des) tube(s) pour ne plus être qu'en phase gazeuse froide, puis débouche dans une boîte à fluide, qui peut être la même que celle qui comprend la tubulure d'entrée, et enfin quitte l'échangeur de chaleur par une tubulure de sortie. En raison de la configuration particulière de l'échangeur de chaleur, l'air qui doit être refroidi, l'atteint par une face amont, qui contient le premier canal (ou canal amont) de chaque tube, et ressort par une face aval qui contient le dernier canal (ou canal aval) après avoir léché les canaux intermédiaires de chaque tube. L'air se refroidit donc progressivement au fur et à mesure qu'il se rapproche du canal aval, et par conséquent la différence de température entre l'air et le canal léché diminue lorsque l'on s'aproche du canal aval. Or, étant donné que le débit de fluide frigorigène qui circule dans les canaux est à peu près constant, la quantité d'énergie thermique qui peut être échangée par chaque canal est sensiblement la même. I1 en résulte que le rendement thermique de ce type d'échangeur n'est pas optimisé. Un but de l'invention est donc de procurer un échangeur de chaleur qui ne présente pas l'inconvénient mentionné ci-dessus. L'invention propose à cet effet un échangeur de chaleur du type décrit dans l'introduction, dans lequel, d'une part, la bote à fluide, qui comporte la tubulure d'entrée, loge une chambre de dimensions choisies qui communique avec ladite tubulure d'entrée et est munie d'au moins un orifice pour alimenter les canaux du tube en fluide frigorigène selon une première direction choisie par rapport à la direction générale du tube, et d'autre part, la tubulure d'entrée débouche dans la chambre en un lieu choisi, et selon une seconde direction choisie par rapport à cette direction générale du tube. Les première et seconde directions, les dimensions de la chambre et le lieu où débouche la tubulure d'entrée dans cette chambre, sont choisis de sorte que le débit du fluide frigorigène qui circule dans les canaux du tube suive une loi monotone décroissante en partant du premier canal. I1 en résulte que la quantité d'énergie thermique qui peut être échangée par chaque canal varie en décroissant à partir du canal amont, permettant ainsi d'optimiser le rendement thermique de l'échangeur de chaleur. Préférentiellement, les première et seconde directions sont contenues dans des plans perpendiculaires l'un à l'autre, le plan contenant la seconde direction étant sensiblement parallèle à un plan contenant le tube. Selon une autre caractéristique de l'invention, la valeur absolue de l'angle d'inclinaison de la première direction par rapport à la direction générale du tube est comprise dans l'intervalle fermé [0 ; 90o], et la valeur de l'angle d'inclinaison de la seconde direction par rapport à la direction générale du tube est comprise dans l'intervalle ouvert ]- 90 ; + 900[. Dans une forme de réalisation préférentielle, la chambre comprend deux orifices propres à alimenter deux tubes en fluide frigorigène selon deux premières directions orientées symétriquement par rapport à un plan longitudinal médian de la chambre, lequel plan contient la direction générale du tube. On peut ainsi sensiblement doubler la capacité de refroidissement de l'échangeur de chaleur. De façon particulièrement avantageuse, chaque orifice de la chambre est relié aux extrémités des canaux du tube correspondant par une buse dont la sortie présente une normale parallèle à la première direction. Cette buse, qui forme une sorte d'injecteur, peut prendre une forme quelconque: oblongue, carrée, rectangulaire, etc. Préférentiellement, chaque tube est de type serpentin, et comporte quatre canaux. 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 coupe transversale partielle d'une forme de réalisation préférentielle d'un échangeur de chaleur selon l'invention, et - la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne brisée IIII de l'échangeur de chaleur de la figure 1. Dans la description qui suit, on considérera que l'échangeur de chaleur est un évaporateur d'une installation de climatisation d'un véhicule automobile. Bien entendu, l'invention ne se limite pas exclusivement aux évaporateurs. Elle s'étend aux autres types d'échangeurs de chaleur. L'évaporateur comprend une première boîte à fluide 1 (ou boîte collectrice) munie d'une tubulure d'entrée 2 par laquelle arrive un fluide frigorigène détendu sous forme mixte liquide/gaz froid. La première boîte à fluide 1 loge une chambre 3 dont des faces longitudinales 21 sont délimitées par une paroi 22 de dimensions choisies et terminée en ses extrémités par des cloisons transversales d'extrémité 5 et 6. La chambre 3 est alimentée en fluide frigorigène par la tubulure d'entrée 2 qui débouche en un lieu choisi de sa paroi 22, défini par rapport aux deux cloisons d'extrémité transversales 5 et 6. Dans le mode de réalisation illustré sur les figures (voir notamment figure 1) la chambre 3 comprend deux orifices 7 disposés symétriquement par rapport à un plan médian longitudinal perpendiculaire au plan de la feuille et contenant l'axe XX. Chaque orifice 7 est destiné, dans cet exemple, à alimenter une buse 8 dont la face ouverture de sortie 9 possède une normale orientée selon une direction inclinée d'un angle a par rapport à l'axe XX. Chaque buse 8 alimente un tube 10 ou 11 dont les extrémités respectives 12 débouchent à étanchéité à l'intérieur de la première boîte à fluide 1. De la sorte, le fluide frigorigène qui pénètre dans la chambre 3 par la tubulure d'entrée 2, est contraint à pénétrer dans les tubes 10 et 11 selon une direction choisie (angle d'inclinaison a), puis circule dans les tubes 10 et 11 jusqu'à ce qu'il atteigne des extrémités 13 des tubes, lesquelles sont opposées aux extrémités 12. Ces extrémités 13 débouchent dans une seconde boîte à fluide 14 qui n'est pas nécessairement identique à la première boîte à fluide 1 (comme illustré sur la figure 1). Cette seconde boîte à fluide 14 comprend une tubulure de sortie 15 permettant d'évacuer dans l'installation, et plus précisément vers le compresseur, le fluide frigorigène qui s'est transformé en gaz froid lors de sa circulation dans les tubes 10 et 11. Comme cela est mieux illustré sur la figure 2, chaque tube 10 ou 11 comporte au moins deux canaux. En fait dans l'exemple illustré, chaque tube comporte quatre canaux 16-1 à 16-4, le canal référencé 16-1 étant appelé canal amont tandis que le canal 16-4 qui se trouve à l'autre extrémité du tube par rapport au premier canal 16-1, est appelé canal aval. Ces qualificatifs d'amont et d'aval sont donnés en reférence au flux d'air qui vient balayer les tubes 10 et 11 de l'évaporateur, en vu d'être refroidi par celui-ci, avant d'être envoyé dans un boîtier destiné à distribuer l'air traité dans l'habitacle du véhicule dans lequel se trouve implanté l'évaporateur. Sur la figure 2, on a représenté par la flèche F le sens et la direction du flux d'air à refroidir. Ainsi, le flux d'air atteint l'évaporateur par une face amont 17 circule entre les tubes, en léchant les parois de leurs canaux et ressort de l'évaporateur, refroidi, par une face aval 18 de celui-ci. Dans le mode de réalisation préférentiel, illustré sur les figures (et notamment la figure 1), les tubes 10 et 11 sont du type dit serpentin multi-canaux. En dehors de leurs parties coudées 19, ces tubes présentent des parties 20 sensiblement longilignes et parallèles à l'axe XX. Selon l'invention, la tubulure d'entrée 2 est sensiblement contenue dans un plan perpendiculaire au plan longitudinal médian de la chambre et parallèle au plan de la feuille, l'intersection des deux plans étant définie par l'axe XX. Comme cela est illustré sur la figure 2, la tubulure ci'entrée 2 est orientée selon une direction inclinée d'un angle P par rapport à l'axe XX. La Demanderesse s'est aperçue qu'il était possible, en choisissant les valeurs des angles a et ss, ainsi que le lieu où débouche l'extrémité 4 de la tubulure d'entrée 2 dans la chambre 3, c'est-à-dire en choisissant la distance L entre l'une des cloisons d'extrémité 5 de la chambre 3 et le lieu d'intersection I entre la direction d'inclinaison de la tubulure d'entrée 2 et l'axe XX, et les dimensions de la chambre 3, d'obtenir une loi monotone décroissante de débit du fluide frigorigène qui est distribué dans les canaux 16-i (i = 1 à 4 dans l'exemple illustré) de chaque tube 10 et 11. La valeur du débit de fluide frigorigène dans chaque canal 16-i peut être ainsi contrôlée. Selon l'invention, cette valeur du débit de fluide frigorigène va en décroissant en partant du canal amont 16-1 jusqu'au canal aval 16-4. Un exemple de loi monotone décroissante est illustré sur la figure 2 par superposition sur les canaux. Une telle loi de débit permet de privilégier l'injection du fluide frigorigène dans les canaux qui se trouvent le plus en amont par rapport à la face amont 17. Ainsi, la quantité d'énergie thermique que pourra échanger chaque canal va dépendre de sa position par rapport aux faces amont 17 et aval 18. Cela est nécessaire, dans la mesure où l'écart de température qui existe entre le fluide frigorigène et le canal qu'il balaye diminue notablement lorsque l'on passe du canal amont 16-1 au canal aval 16-4. Le rendement d'un tel évaporateur est donc optimisé. Bien entendu, les valeurs des angles a et P, ainsi que de la distance L et des dimensions de la chambre 3 peuvent varier selon le rendement ou les performances attendus, ainsi que selon la configuration de l'évaporateur, lequel peut ne présenter que deux canaux ou trois canaux ou plus de quatre canaux. Selon l'invention, il est ainsi possible de faire varier l'angle a entre les valeurs 0 et 900 (ces deux valeurs étant incluses), et l'angle ss entre -900 et +900 (ces deux valeurs extrêmes étant exclues). La forme des buses 8 peut être quelconque, pourvu que la face de sortie 9 de celle-ci, possède une normale inclinée d'un angle a par rapport à l'axe XX. Ainsi, la forme de la face de sortie de la buse pourra être carrée, oblongue, rectangulaire, etc. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation décrit ci-avant, mais elle englobe toutes les variantes que pourra développer l'homme de l'art dans le cadre des revendications ci-après. Ainsi, la chambre 3 pourra ne comporter qu'une ouverture afin d'alimenter en fluide frigorigène un unique tube de type multi-canal. Par ailleurs, on peut envisager une chambre 3 munie de buses dont les normales aux faces de sortie sont inclinées sous des angles a 1 et a 2 différents. Enfin, on a décrit un évaporateur à tubes de type serpentin, mais il est clair que d'autres types de tubes peuvent être utilisés. Revendications 1. Echangeur de chaleur, du type comprenant au moins un tube (10,11), de forme générale plate et subdivisé en au moins de premier (16-1) et second (16-2) canaux, placés de telle sorte que le premier canal (16-1) est balayé le premier par un flux d'air, et munis d'extrémités (12) qui débouchent dans au moins une boîte à fluide (1) munie au moins d'une tubulure d'entrée (2) propre à les alimenter en fluide frigorigène, caractérisé en ce que la boîte à fluide (1), munie de la tubulure d'entrée (2), loge une chambre (3) de dimensions choisies qui communique avec ladite tubulure d'entrée et est munie d'au moins un orifice (7) pour alimenter les canaux (16-i) du tube (10,11) en fluide frigorigène selon une première direction choisie par rapport à la direction générale du tube, et en ce que la tubulure d'entrée (2) débouche dans la chambre (3) en un lieu choisi, et selon une seconde direction choisie par rapport à ladite direction générale du tube, lesdites première et seconde directions, les dimensions de la chambre et le lieu où débouche la tubulure d'entrée dans cette chambre, étant choisis de sorte que le débit du fluide frigorigène circulant dans lesdits canaux du tube suive une loi monotone décroissante en partant du premier canal (16-1). 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les première et seconde directions sont contenues dans des plans perpendiculaires l'un à l'autre, le plan contenant la seconde direction étant sensiblement parallèle à un plan contenant le tube (10,11). 3. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la valeur absolue de l'angle d'inclinaison de la première direction par rapport à la direction générale du tube est comprise dans l'intervalle fermé [OO; 900]. 4. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la valeur de l'angle d'inclinaison de la seconde direction par rapport à la direction générale du tube est comprise dans l'intervalle ouvert ]- 90 ; + 900[. 5. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la chambre comprend deux orifices (7) propres à alimenter deux tubes (10,11) en fluide frigorigène selon deux premières directions orientées symétriquement par rapport à un plan longitudinal médian de la chambre, contenant la direction générale du tube. 6. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque orifice (7) de la chambre (3) est relié aux extrémités (12) des canaux (16-i) du tube (10,11) correspondant par une buse (8) dont la sortie (9) présente une normale parallèle à la première direction. 7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que des extrémités (13) des canaux (16i) de tube (10,11), opposées aux extrémités (12) alimentées par la chambre (3), débouchent dans une boîte à fluide (14), munie d'une tubulure de sortie (15), et placée sensiblement parallèlement à la boîte à fluide (1) munie de ladite chambre (3). 8. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque tube (10,11) est de type serpentin. 9. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que chaque tube (10,11) comporte quatre canaux (16-1 à 16-4). 10. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il forme un évaporateur.