Brevet FR2762900A1 — publié le 19981106

Echangeur de chaleur à faisceau de tubes horizontaux. en particulier pour 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 5"C) 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. I1 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 des moyens de circulation propres à favoriser la circulation du fluide caloporteur dans l'un au moins des tubes supérieurs du faisceau, en sorte que le ou chaque tube supérieur soit parcouru par le fluide caloporteur, même lorsque ce fluide parcourt l'échangeur de chaleur avec un faible débit. Autrement dit, l'échangeur de chaleur de l'invention comprend des moyens pour favoriser ou forcer la circulation du fluide caloporteur dans le ou chaque tube supérieur, en créant une différence de pression entre l'entrée et la sortie du tube supérieur. Ainsi, même si le débit du fluide caloporteur est faible, les moyens précités permettent de faire passer une proportion du fluide caloporteur dans l'un au moins des tubes supérieurs. 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. Dans une première forme de réalisation de l'invention, les moyens de circulation comprennent des moyens de refoulement pour amener une proportion de fluide caloporteur à l'entrée de l'un au moins des tubes supérieurs, du côté de la première boîte collectrice. De manière préférée, ces moyens de refoulement comprennent un conduit de circulation ayant une extrémité d'entrée débouchant dans la tubulure d'entrée et une extrémité de sortie débouchant en regard de l'un au moins des tubes supérieurs. Ainsi, ce conduit de circulation prélève directement une proportion du fluide caloporteur dans la tubulure d'entrée pour l'amener dans l'un au moins des tubes supérieurs. Selon une autre caractéristique de l'invention, ce conduit de circulation comporte une partie sensiblement verticale, son extrémité d'entrée et son extrémité de sortie étant coudées. Dans une deuxième forme de réalisation de l'invention, les moyens de circulation comprennent des moyens d'aspiration pour aspirer le fluide caloporteur en sortie de l'un au moins des tubes supérieurs, du côté de la deuxième boîte collectrice. De manière préférée, ces moyens d'aspiration comprennent un compartiment supérieur formé dans la deuxième boîte collectrice et dans lequel débouchent l'un au moins des tubes supérieurs, ainsi qu'un tube d'aspiration raccordant le compartiment supérieur au circuit du fluide caloporteur. Ainsi, la circulation du fluide dans le ou chaque tube supérieur s'effectue par aspiration. Ce compartiment supérieur est de préférence séparé du reste de la deuxième boîte collectrice par une cloison transversale. Avantageusement, ce conduit d'aspiration débouche dans un conduit de sortie issu de l'échangeur de chaleur, en un point situé en amont d'une pompe de circulation faisant partie du circuit. Ainsi, l'aspiration de la pompe de circulation favorise la circulation du fluide caloporteur dans l'un au moins des tubes supérieurs 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 une première forme de réalisation de l'invention; - la figure 2 est un détail du compartiment supérieur de l'échangeur de chaleur de la figure 1; et - la figure 3 est un schéma d'un circuit de fluide caloporteur comportant un échangeur de chaleur selon une deuxième forme de réalisation de l'invention. 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 boîte 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 des moyens de circulation constitués dans l'exemple par un conduit de circulation 42 logé à l'intérieur du compartiment supérieur 34 pour prélever une proportion de fluide caloporteur directement dans la tubulure d'entrée 38 et l'amener, par refoulement, dans le tube supérieur 20S. Comme montré à la figure 2, le conduit de circulation 42 comporte une partie principale 44 généralement verticale, terminée par une extrémité d'entrée 46 de forme coudée, et une extrémité de sortie 48 également de forme coudée. L'extrémité d'entrée 46 débouche coaxialement dans la tubulure d'entrée 38, tandis que l'extrémité de sortie 48 débouche en regard de l'entrée du tube supérieur 20S. Ainsi, en cas de faible débit du fluide caloporteur, le conduit de circulation 42 prélève une proportion de ce fluide directement dans la tubulure d'entrée 38 pour l'amener dans le tube supérieur 20S (ou plusieurs tubes supérieurs, le cas échéant). Dans la forme de réalisation de la figure 3, à laquelle on se réfère maintenant, on retrouve l'essentiel de la structure de la figure 1. Dans cette forme de réalisation, la boîte collectrice 26 comporte une cloison transversale interne 50 de manière b délimiter un compartiment supérieur 52 dans lequel débouchent un ou plusieurs tubes supérieurs 20S et un compartiment inférieur 54 qui communique avec les autres tubes du faisceau. Le compartiment 52 comporte une tubulure de sortie 56 d'où sort un tube d'aspiration 58. Celui-ci débouche dans le conduit de sortie 14 en un point 60 situé en amont de la pompe de circulation 16. Ainsi, la circulation du fluide caloporteur dans le ou les tubes supérieurs 20S s'effectue par aspiration du fait que le compartiment 52 se trouve relié au côté aspiration de la pompe 16 par l'intermédiaire du conduit d'aspiration 58. Par conséquent, même en cas de faible débit du fluide caloporteur, une proportion de celui-ci est prélevé par aspiration dans le compartiment de la bote collectrice 24 pour gagner le compartiment supérieur 52 de la bote collectrice 26 et rejoindre le conduit de sortie 14. Autrement dit, une proportion du fluide caloporteur est dérivée dès l'entrée de celui-ci dans l'échangeur de chaleur. Il en résulte que le ou les tubes supérieurs 20S se trouvent sensiblement à la même température que les autres tubes du faisceau, si bien que les écarts de température entre les tubes du faisceau et donc leurs écarts dimensionnels sont nuls ou négligeables. Dans une variante de réalisation, la cloison transversale 50 pourrait être supprimée. 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, il est possible de prévoir d'autres moyens pour forcer ou favoriser la circulation du fluide caloporteur dans un ou plusieurs tubes supérieurs du faisceau, que ce soit par refoulement ou par aspiration. 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. Il est possible également de favoriser la circulation du fluide caloporteur dans d'autres régions du faisceau, par exemple dans une région inférieure, en utilisant des moyens analogues. 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 boîte collectrice (24) et une deuxième boîte collectrice (26), et dans lequel la première bote 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 des moyens de circulation (42; 52, 58) pour favoriser la circulation du fluide caloporteur dans l'un au moins des tubes supérieurs (20S) du faisceau (18), en sorte que ce ou ces tubes supérieurs soient parcourus par le fluide caloporteur, même lorsque ce fluide circule avec un faible débit dans l'échangeur de chaleur (10). 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de circulation comprennent des moyens de refoulement (42) pour amener une proportion de fluide caloporteur à l'entrée de l'un au moins des tubes supérieurs (20S), du côté de la première boîte collectrice (24). 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de refoulement comprennent un conduit de circulation (42) ayant une extrémité d'entrée (46) débouchant dans la tubulure d'entrée (38) et une extrémité de sortie (48) débouchant en regard de l'un au moins des tubes supérieurs (20S). 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le conduit (42) comporte une partie (44) sensiblement verticale et en ce que l'extrémité d'entrée (46) et l'extrémité de sortie (48) sont coudées. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de circulation comprennent des moyens d'aspiration (52, 58) pour aspirer le fluide caloporteur en sortie de l'un au moins des tubes supérieurs (20S), du côté de la deuxième boîte collectrice (26). 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens d'aspiration comprennent un compartiment supérieur (52) formé dans la deuxième boîte collectrice (26) et dans lequel débouche l'un au moins des tubes supérieurs (20S) et un tube d'aspiration (58) raccordant ce compartiment supérieur (52) au circuit du fluide caloporteur. 7. Echangeur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le compartiment supérieur (52) de la deuxième boîte collectrice (26) est séparé du reste de la boîte collectrice par une cloison transversale (50). 8. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le conduit d'aspiration (58) débouche dans un conduit de sortie (14) issu de l'échangeur de chaleur (10), en un point (60) situé en amont d'une pompe de circulation (16) faisant partie du circuit.