Brevet FR2764647A1 — publié le 19981218

A Refroidisseur d'air de suralimentation de construction économique L'invention concerne un échangeur de chaleur pour le refroi- dissement de l'air de suralimentation d'un moteur thermique, notamment du moteur d'entraînement d'un véhicule automobile, comprenant un faisceau formé par un empilement alterné de tubes plats destinés à être parcourus par l'air de suralimen- tation et d'intercalaires définissant entre les tubes des espaces libres pour la circulation d'un flux d'air de refroidissement. La suralimentation d'un moteur à explosion consiste à alimenter celui-ci en air comprimé et non directement en air atmosphérique, de façon à augmenter la masse d'oxygène disponible dans les chambres de combustion. La compression de l'air s'accompagne d'une forte élévation de température, donc d'une réduction de sa masse volumique à une pression détermi- née, qui va à l'encontre de l'objectif visé. Il est donc nécessaire de refroidir cet air. Les faisceaux à tubes plats et intercalaires sont utilisés couramment aussi bien pour les refroidisseurs d'air de suralimentation que pour d'autres types d'échangeurs de chaleur, notamment les radiateurs de refroidissement des mêmes moteurs thermiques. Dans le cas d'un refroidisseur d'air de suralimentation, pour obtenir à la fois une faible perte de charge et un refroidissement efficace de l'air de suralimentation, et une bonne résistance des tubes à la pression de celui-ci, on utilise jusqu'à présent des tubes ayant une hauteur, c'està-dire une dimension dans la direction de l'empilement, relativement élevée, et dont le volume intérieur est garni de perturbateurs destinés à produire des turbulences dans l'écoulement de l'air, ces perturbateurs étant brasés aux faces internes des tubes de manière à empêcher le gonflement de ceux-ci sous l'effet de la pression. La fabrication et la mise en place des perturbateurs augmen- tent le coût de revient des échangeurs de chaleur. Le but de l'invention est de remédier à cet inconvénient. L'invention vise notamment un échangeur de chaleur du genre défini en introduction, et prévoit que les tubes sont formés par des bandes de tôle pliées sans insertion d'éléments propres à produire des turbulences dans le flux d'air de suralimentation et ont une hauteur dans la direction de l'empilement comprise entre 1,75 et 3 mm, le rapport entre cette hauteur et celle des intercalaires étant compris entre 1/3 et 2/3. De manière surprenante, la diminution de la hauteur des tubes n'entraîne pas une perte de charge excessive, et la suppres- sion des perturbateurs ne nuit pas aux échanges thermiques et à la résistance des tubes à la pression, la diminution de la hauteur des tubes étant compensée par une augmentation de leur nombre, à encombrement égal de l'échangeur, et favori- sant elle-même les échanges de chaleur et la résistance à la pression. Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémen- taires ou alternatives, sont énoncées ci-après: - La hauteur des tubes est d'environ 2 mm. - La bande de tôle constituant chaque tube est pliée de manière à former au moins une entretoise de renforcement reliant entre elles les deux parois principales du tube, dans une région intermédiaire de la longueur de sa section transversale. De telles entretoises renforcent les tubes vis- à-vis aussi bien de la pression interne que de la force de serrage du faisceau. Leur présence et leur nombre sont fonction de ladite longueur. - La bande de tôle constituant chaque tube est brasée sur elle-même de manière à assurer l'étanchéité entre l'intérieur du tube et le cas échéant la liaison entre les deux parois principales par l'intermédiaire de l'entretoise. 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 partielle en perspective du faisceau de tubes et d'intercalaires d'un refroidisseur d'air de suralimentation selon l'invention; et - les figures 2 et 3 sont des graphiques comparant les performances d'un refroidisseur selon l'invention et d'un refroidisseur de l'état de la technique. La figure 1 représente partiellement, en perspective, quelques tubes 1 et quelques intercalaires 2 interposés entre les tubes dans le faisceau d'un refroidisseur d'air de suralimentation selon l'invention. Chaque tube 1 est formé par une bande de tôle pliée de manière à former deux parois principales opposées généralement planes 3 et 4 reliées entre elles par deux parois d'extrémité 5 et 6. Les deux régions marginales 7 de la bande sont repliées vers l'intérieur à partir de la paroi 4, et accolées l'une à l'autre, leurs tranches libres venant en appui sur la face intérieure de la paroi 3. Les régions 7, brasées entre elles et à la paroi 3, forment une entretoise de renforcement. Elles divisent également le volume intérieur du tube en deux conduits parallèles libres de tout obstacle. Chaque intercalaire 2 est une feuille métallique éventuelle- ment munie de persiennes, ondulée selon un profil sensible- ment sinusoïdal, les crêtes d'ondulation venant en contact alternativement avec la paroi 3 d'un tube et avec la paroi 4 d'un tube voisin. Les intercalaires définissent entre les tubes des intervalles d'une hauteur Hi dans lesquels un flux d'air de refroidisse- ment peut circuler parallèlement aux génératrices des intercalaires, c'est-à-dire perpendiculairement à la direc- tion longitudinale des tubes, selon laquelle l'air de suralimentation à refroidir circule dans ceux-ci. Les intercalaires sont brasés aux parois 3, 4 des tubes pour assurer un bon contact thermique et une bonne rigidité du faisceau. A chaque extrémité de l'empilement, de façon connue, un intercalaire terminal est interposé entre un tube terminal et une joue extérieure non représentée. De manière connue également, les tubes 1 débouchent à leurs deux extrémités dans des boites collectrices non représentées entre lesquelles l'air à refroidir circule par l'intermé- diaire des tubes. La structure décrite ci-dessus, déjà utilisée pour d'autres types d'échangeur de chaleur, notamment des radiateurs de refroidissement des moteurs thermiques, donne d'excellents résultats pour les refroidisseurs d'air de suralimentation, à la double condition que la hauteur Ht des tubes, mesurée dans la direction d'empilement du faisceau, soit comprise entre 1,75 et 3 mm, et que le rapport Hi/Ht soit compris entre 1,5 et 3. Les figures 2 et 3 représentent des courbes montrant la variation de la puissance thermique P échangée entre l'air de suralimentation et l'air de refroidissement, et du rendement de densité de l'air de suralimentation, respectivement, en fonction de la vitesse Ve du flux d'air de refroidissement traversant l'échangeur de chaleur, mesurée pour un refroidis- seur selon l'invention et pour un refroidisseur classique avec perturbateurs. La courbe C1 de la figure 2 et la courbe C3 de la figure 3 correspondent au refroidisseur témoin, et les courbes C2 et C4 correspondant au refroidisseur de l'invention. Le tableau ci-après donne les principales caractéristiques constructives des faisceaux des deux refroidisseurs, ainsi que les valeurs expérimentales reprises sur les figures 2 et 3. TABLEAU l_ Témoin Invention Nombre de jeux de 2 tubes 13 26 Nombre d'intercalaires 14 27 Dimensions (mm) A B A B Tube 39,75 7,6 38,5 2 Épaisseur de paroi 0,6 0,27 Intercalaire 85 6,5 85 5,1 Épaisseur de paroi 0,1 0,1 Hi/Ht 0,86 2,55 Faisceau 85 189,8 85 189,7 Vitesse air extérieur (m/s) P (kW) R (%) P (kW) R (%) 2,5 5,6 18,9 6,17 22,7 4 6,87 25,8 7,36 30 5,5 7,5 30 8,05 34,1 7 8,51 36,7 8,62 38,1 Dans chaque faisceau, deux tubes identiques sont mutuellement juxtaposés dans la direction A (voir figure 1) de circulation de l'air extérieur, dans chaque intervalle entre deux intercalaires. B représente la direction d'empilement des tubes et des intercalaires. Pour les deux refroidisseurs, la longueur utile des tubes entre les deux boites collectrices est de 183,4 mm. Les deux faisceaux ont donc le même encom- brement. Les deux refroidisseurs ont été essayés dans les conditions suivantes: pour l'air comprimé à refroidir: débit = 0,15 kg/s, pres- sion = 1,8 bar, température = 130 C; pour l'air extérieur: température = 30 C. La puissance P est la puissance calorifique échangée entre l'air comprimé et l'air extérieur. Le rendement de densité R Pi - Pi est le rapport,P Pi dans lequel P', p2 et Pmax représen- Pmax - Pi tent respectivement la masse volumique de l'air comprimé à l'entrée et à la sortie du refroidisseur et la masse volumi- que théorique de l'air comprimé à la sortie du refroidisseur si sa température était ramenée à 30 C. On constate que le refroidisseur d'air de suralimentation selon l'invention présente, malgré l'absence de perturbateurs, des performances meilleures que le refroidisseur classique comprenant des perturbateurs. Revendications 1. Echangeur de chaleur pour le refroidissement de l'air de suralimentation d'un moteur thermique, notamment du moteur d'entrainement d'un véhicule automobile, comprenant un faisceau formé par un empilement alterné de tubes plats (1) destinés à être parcourus par l'air de suralimentation et d'intercalaires (2) définissant entre les tubes des espaces libres pour la circulation d'un flux d'air de refroidisse- ment, caractérisé en ce que les tubes sont formés par des bandes de tôle pliées sans insertion d'éléments propres à produire des turbulences dans le flux d'air de suralimenta- tion et ont une hauteur dans la direction de l'empilement comprise entre 1,75 et 3 mm, le rapport entre cette hauteur et celle des intercalaires étant compris entre 1/3 et 2/3. 2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la hauteur des tubes est d'environ 2 mm. 3. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la bande de tôle constituant chaque tube est pliée de manière à former au moins une entretoise de renforcement (7) reliant entre elles les deux parois princi- pales (3, 4) du tube, dans une région intermédiaire de la longueur de sa section transversale. 4. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bande de tôle consti- tuant chaque tube est brasée sur elle-même de manière à assurer l'étanchéité entre l'intérieur du tube et le cas échéant la liaison entre les deux parois principales par l'intermédiaire de l'entretoise.