Brevet FR2762901A1 — publié le 19981106

Echanaeur de chaleur à faisceau de tubes horizontaux. en Darticulier pour un moteur de véhicule automobile L'invention concerne un échangeur de chaleur à faisceau de tubes horizontaux destiné à être utilisé notamment comme radiateur de refroidissement d'un moteur de véhicule automobile. On connaît déjà des échangeurs de chaleur de ce type qui comprennent un faisceau de tubes horizontaux dont les extrémités communiquent, par l'intermédiaire de plaques collectrices, avec une première boîte collectrice et une deuxième boîte collectrice, et dans lequel la première boîte collectrice comporte un compartiment supérieur muni d'une tubulure d'entrée pour l'admission d'un fluide caloporteur parcourant un circuit fermé. Dans un échangeur de chaleur de ce type, le fluide caloporteur parcourt le circuit fermé sous l'action d'une pompe de circulation, pénètre dans le compartiment supérieur de la première boîte collectrice, parcourt ensuite les tubes du faisceau en une ou plusieurs passes, et quitte l'échangeur de chaleur par une tubulure de sortie prévue dans un compartiment inférieur de la première boîte collectrice ou de la deuxième boîte collectrice. Au cours de son parcours dans l'échangeur de chaleur, le fluide caloporteur subit un échange thermique avec un flux d'air qui balaie le faisceau. Lorsqu'un tel échangeur de chaleur est utilisé pour le refroidissement d'un moteur de véhicule automobile, le fluide caloporteur est habituellement de l'eau additionnée d'un antigel qui pénètre à température élevée dans l'échangeur de chaleur pour y être refroidi. Du fait de la structure d'un tel échangeur de chaleur, il arrive, lorsque le débit du fluide caloporteur est faible (moteur fonctionnant à faible régime et en hiver avec une température extérieure inférieure à 50C) que le fluide caloporteur pénétrant dans le compartiment supérieur de l'échangeur de chaleur ne puisse accéder à l'un au moins des tubes supérieurs situés dans une région supérieure du faisceau. En effet, compte tenu du faible débit, le fluide a tendance, sous l'effet de la gravité, à gagner seulement les tubes situés en dessous d'un certain niveau du faisceau. Il en résulte que le ou les tubes situés au-dessus de ce niveau se trouvent à une température nettement plus basse que les autres tubes du faisceau, la différence de température pouvant dépasser, par exemple, une valeur de l'ordre de 40"C. Or, comme ces tubes sont réalisés généralement en aluminium, il en résulte une dilatation différentielle entre le ou les tube(s) supérieur(s) froid(s) et les tubes chauds pouvant atteindre des valeurs de l'ordre de plusieurs dixièmes de millimètre. Ceci ne constitue pas un inconvénient dans le cas des échangeurs de chaleur à assemblage mécanique car les tubes sont reliés aux plaques collectrices par des joints d'étanchéité qui absorbent les variations dimensionnelles dues aux différences de dilatation. Par contre, ceci constitue un inconvénient sérieux dans le cas des échangeurs de chaleur brasés, dans lesquels les extrémités des tubes sont brasées aux plaques collectrices. En effet, les variations dimensionnelles engendrées par les différences de dilatation peuvent occasionner une rupture des liaisons brasées entre l'un ou plusieurs des tubes supérieurs et une des plaques collectrices. L'invention a notamment pour but de surmonter cet inconvénient. Elle propose à cet effet un échangeur de chaleur du type défini en introduction, lequel comprend au moins un élément conducteur de chaleur en contact thermique avec une plaque collectrice et avec au moins un tube supérieur situé dans une partie supérieure du faisceau, en sorte que ce tube supérieur se trouve pratiquement à la même température que les autres tubes du faisceau par conduction de chaleur. Ainsi, même si le débit du fluide caloporteur est faible et que ce fluide caloporteur ne traverse pas le tube supérieur, ce dernier se trouve néanmoins pratiquement à la même température que les autres tubes du faisceau. I1 en résulte que tous les tubes du faisceau se trouvent pratiquement à la même température et qu'il n'existe donc pas de différences de dilatation notables entre les tubes, ce qui évite tout risque de rupture du faisceau. De préférence, l'élément conducteur de chaleur est en contact thermique avec la plaque collectrice correspondant à la première boîte collectrice. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élément conducteur de chaleur forme en outre un obstacle à la circulation du flux d'air au travers du faisceau de tubes dans sa partie supérieure. Cet obstacle permet de diminuer l'effet de refroidissement spécialement lorsque le faisceau est traversé par de l'air frais extérieur, c'est-à-dire un air à une température inférieure à 5"C. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élément conducteur de chaleur est disposé sur une grande face du faisceau. Habituellement, le faisceau comporte des ailettes. L'invention tire profit de la présence de ces ailettes en prévoyant que l'élément conducteur de chaleur est une plaque métallique en contact thermique avec la plaque collectrice et avec une partie des ailettes dans la région supérieure du faisceau. Ainsi, la conduction de chaleur depuis la plaque collectrice jusqu'aux tubes supérieurs s'effectue par l'intermédiaire d'une partie des ailettes du faisceau. Selon une autre caractéristique de l'invention, la plaque métallique est de forme rectangulaire et est orientée de telle sorte que ses grands côtés s'étendent parallèlement aux tubes du faisceau. L'élément conducteur de chaleur est avantageusement réalisé en un métal conducteur de la chaleur, en particulier en aluminium. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, l'élément conducteur de chaleur est brasé à la plaque collectrice et aux ailettes du faisceau. Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère au dessin annexé, sur lequel - la figure 1 est un schéma d'un circuit de fluide caloporteur comportant un échangeur de chaleur selon l'invention; - la figure 2 est un détail, à échelle agrandie, de léchan- geur de chaleur de la figure 1; et - la figure 3 est une vue partielle de dessus de l'échangeur de chaleur représenté partiellement à la figure 2. Le circuit représenté à la figure 1 comprend un échangeur de chaleur 10 qui, dans l'exemple, est un radiateur de refroidissement d'un moteur M de véhicule automobile. Le circuit est parcouru par un fluide caloporteur, ici de l'eau additionnée d'un antigel, qui quitte le moteur pour gagner l'échangeur de chaleur 10 par un conduit d'entrée 12 et qui quitte cet échangeur de chaleur par un conduit de sortie 14 pour gagner le moteur M. La circulation du fluide s'effectue sous l'action d'une pompe 16 entraînée par le moteur M. L'échangeur de chaleur 10 comprend un faisceau 18 formé d'une multiplicité de tubes horizontaux 20 qui peuvent être disposés sur une ou plusieurs rangées. Entre les tubes 20 sont disposées des ailettes ondulées 22. Les tubes 20 communiquent, à une extrémité, avec une première boîte collectrice 24 et, à une autre extrémité, avec une deuxième boîte collectrice 26, les boîtes collectrices 24 et 26 étant disposées verticalement. Les tubes communiquent respectivement avec les boîtes collectrices 24 et 26 par des plaques collectrices 28 et 30, encore appelées "plaques à trous". Dans l'exemple, les extrémités des tubes sont brasées aux plaques collectrices 28 et 30, et ces dernières sont elles-mêmes fixées aux boîtes collectrices 24 et 26 par des moyens de fixation appropriés, connus en soi. La boîte collectrice 24 comporte une cloison transversale 32, ce qui permet de la diviser en un compartiment supérieur 34 (compartiment d'entrée) et un compartiment inférieur 36 (compartiment de sortie). Le compartiment supérieur 34 est muni d'une tubulure d'entrée 38 à laquelle aboutit le conduit d'entrée 12, tandis que le compartiment inférieur 36 est muni d'une tubulure de sortie 40 d'où part le conduit de sortie 14. Dans un échangeur de chaleur de ce type, le fluide caloporteur pénètre dans le compartiment supérieur 34, parcourt ensuite une partie du faisceau (flèche F1), gagne la bote collectrice 26 puis le compartiment inférieur 36 par une autre partie du faisceau (flèche F2) puis quitte ce compartiment par la tubulure de sortie 40. La circulation du fluide caloporteur dans le faisceau s'effectue selon un parcours en deux passes, ou parcours en U, comme montré par les flèches F1 et F2. La tubulure d'entrée 38 est généralement située à un niveau le plus élevé possible du compartiment supérieur 34. Toutefois, lorsque la pompe 16 fonctionne à faible régime (moteur M fonctionnant au ralenti), le débit du fluide caloporteur est faible. Dans ces conditions, il arrive que le fluide caloporteur, qui pénètre dans le compartiment supérieur 34 par la tubulure 38, ait tendance, sous l'effet de la gravité, à alimenter seulement les tubes du faisceau qui se trouvent en dessous d'un certain niveau horizontal. Autrement dit, un ou plusieurs tubes supérieurs 20S situés dans une région supérieure du faisceau ne sont pas alimentés en fluide, ce qui entraîne des différences de température et donc de dilatation entre le ou les tubes 20S et les autres tubes du faisceau. Pour pallier cet inconvénient, l'invention prévoit de munir l'échangeur de chaleur d'un élément conducteur de chaleur 42 qui se trouve en contact thermique avec la plaque collectrice 28 et au moins un tube supérieur 20S du faisceau (figure res 1 et 2). Dans l'exemple, l'élément 42 est une plaque métallique de forme générale rectangulaire réalisée en un métal bon conducteur de la chaleur, par exemple en aluminium. L'élément 42 est disposé sur une grande face 44 du faisceau 18 (figure 3). L'élément 42 comporte deux grands côtés 46 et 48 (figure 2) qui s'étendent parallèlement aux tubes du faisceau et deux petits côtés 50 et 52 (figure 3) qui s'étendent perpendiculairement aux tubes du faisceau. Dans l'exemple, l'élément 42 est en contact thermique avec deux tubes supérieurs 20S (figures 1 et 2) par l'intermé- diaire des ailettes 22 de forme ondulée. Le petit côté 50 est replié (figure 3) et brasé le long de la plaque collectrice 28. Par ailleurs, l'élément 42 est brasé aux ailettes 22, ce qui permet d'assurer un transfert de chaleur, par conduction thermique, entre la plaque collec trice 28 et les deux tubes supérieurs 20S (par l'intermédiaire des ailettes 22). Comme la plaque collectrice 28 se trouve pratiquement à la température du fluide caloporteur chaud qui pénètre dans le compartiment supérieur 34, il en résulte que le ou les tubes supérieur(s) 20S se trouve(nt) pratiquement à la même température que la plaque collectrice 28 grâce à la conduction thermique réalisée par l'élément 42. Par conséquent, même si le fluide caloporteur ne traverse pas le ou les tube(s) supérieur(s) 20S du faisceau, celuici(ceux-ci) se trouve(nt) à la même température que les autres tubes. L'élément 42 constitue en outre un obstacle au flux d'air A qui balaie le faisceau 28, ce qui permet de limiter le débit du flux d'air dans la région supérieure du faisceau. Cet obstacle contribue aussi à diminuer l'écart de température entre le(s) tube(s) supérieur(s) du faisceau et les autres tubes, spécialement lorsque la température du flux d'air est inférieure à 5"C. Dans ces conditions, l'ensemble des tubes du faisceau se trouve pratiquement à la même température, si bien qu'il ne peut exister de différences de dilatation notables entre les tubes. L'invention permet ainsi, par un moyen simple, d'empêcher tout risque de rupture du faisceau en raison de phénomènes de dilatation thermique différentielle. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites précédemment à titre d'exemple et s'étend à d'autres variantes. Ainsi, la structure de l'élément conducteur de chaleur est susceptible de nombreuses variantes, du moment qu'il assure un transfert de chaleur entre l'une des plaques collectrices et au moins un tube supérieur du faisceau. Egalement, bien que l'invention ait été décrite en référence particulière à un échangeur de chaleur servant au refroidissement d'un moteur de véhicule, elle peut être appliquée à d'autres types d'échangeur de chaleur. Revendications 1. Echangeur de chaleur du type comprenant un faisceau (18) de tubes horizontaux (20) dont les extrémités communiquent, par l'intermédiaire de plaques collectrices (28, 30), avec une première boite collectrice (24) et une deuxième boîte collectrice (26), et dans lequel la première boîte collectrice (24) comporte un compartiment supérieur (34) muni d'une tubulure d'entrée (38) pour l'admission d'un fluide caloporteur circulant dans un circuit, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un élément conducteur de chaleur (42) en contact thermique avec une plaque collectrice (28) et avec au moins un tube supérieur (20S) situé dans une partie supérieure du faisceau, en sorte que ce tube supérieur (20S) se trouve pratiquement à la même température que les autres tubes (20) du faisceau (18) par conduction de chaleur. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément conducteur de chaleur (42) est en contact thermique avec la plaque collectrice (28) correspondant à la première boîte collectrice (24). 3. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'élément conducteur de chaleur (42) forme en outre un obstacle à la circulation du flux d'air (A) au travers du faisceau de tubes dans sa partie supérieure. 4. Echangeur de chaleur selon lune des revendications 1 et 3, caractérisé en ce que l'élément conducteur de chaleur (42) est disposé sur une grande face (44) du faisceau (18). 5. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le faisceau (18) comporte des ailettes (22), caractérisé en ce que l'élément conducteur de chaleur (42) est une plaque métallique en contact thermique avec la plaque collectrice (28) et avec une partie des ailettes (22) dans la partie supérieure du faisceau. 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément conducteur de chaleur (42) est brasé à la plaque collectrice (28) et aux ailettes (22). 7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la plaque métallique est de forme rectangulaire et est orientée de telle sorte que ses grands côtés (46, 48) s'étendent parallèlement aux tubes (20) du faisceau (18). 8. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'élément conducteur de chaleur (42) est en métal conducteur de chaleur, en particulier en aluminium.