Brevet FR2793014A1 — publié le 20001103

-t'1 2793014 Echanqeur de chaleur pour fluide sous pression élevée L'invention concerne un échangeur de chaleur comprenant au moins une boite collectrice dont le volume intérieur est défini par au moins un alésage longitudinal ménagé dans un corps massif allongé, et est en communication de fluide avec une rangée de tubes mutuellement alignés dans la direction axiale du ou des alésages, allongés parallèlement les uns aux autres dans une première direction sensiblement perpendicu- laire à ladite direction axiale et ayant une section trans- versale allongée dans une seconde direction sensiblement perpendiculaire à la direction axiale et sensiblement perpendiculaire à ladite première direction. De tels échangeurs de chaleur sont utilisés notamment pour l'extraction de chaleur d'un fluide réfrigérant dans une installation de climatisation de véhicule automobile, et plus particulièrement lorsque le fluide réfrigérant est de ceux qui, comme C02, doivent être soumis à des pressions très élevées, par exemple de plusieurs centaines de bars. Les boîtes collectrices utilisées dans les condenseurs de climatisation classiques, comprenant une paroi tubulaire formée par une ou des tôles roulées, ne résisteraient pas, en effet, à de telles pressions, et une pièce massive est requise pour fournir une épaisseur de paroi suffisante. Cependant, si les extrémités des tubes débouchent directement dans un alésage définissant le volume intérieur de la boîte collectrice, comme elles le font à l'intérieur de la paroi tubulaire en tôle des boîtes collectrices classiques, l'épaisseur de paroi élevée de la boite collectrice s'ajoute à l'encombrement des tubes dans la seconde direction, augmentant d'autant l'encombrement global de l'échangeur de chaleur. Le but de l'invention est de remédier à cet inconvénient, et de réduire l'encombrement de l'échangeur de chaleur dans la seconde direction, pour une longueur donnée de la section transversale des tubes. L'invention vise notamment un échangeur de chaleur du genre défini en introduction, et prévoit qu'une partie seulement de la longueur de la section transversale des tubes se projette, selon ladite première direction, dans ledit volume intérieur, l'étanchéité de la communication de fluide entre les tubes et le volume intérieur étant obtenue au moyen d'un berceau sous forme d'une bande profilée, recevant ledit corps et brasé à celui-ci et à la périphérie des tubes. Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémen- taires ou alternatives, sont énoncées ci-après: - Au moins une extrémité de la longueur de la section transversale des tubes se projette, selon ladite première direction, au-delà de l'alésage ou de l'ensemble des alésages dans la seconde direction. - Une partie intermédiaire de la longueur de la section transversale des tubes se projette, selon ladite première direction, entre deux alésages définissant ledit volume intérieur. - Une extrémité de chaque tube s'engage dans une fente ménagée dans ledit corps, allongée dans la seconde direction, débouchant à ses deux extrémités et dont le fond est inter- rompu par ledit volume intérieur, ledit berceau étant appliqué sur le corps de manière à recouvrir lesdites fentes et présentant en regard de celles-ci des ouvertures allongées pour le passage étanche des tubes. - Chaque fente présente deux zones latérales d'une profondeur réduite dont le fond sert de butée pour l'extrémité du tube et une zone médiane plus profonde définissant un espace libre qui communique avec l'intérieur du tube. - Une extrémité de chaque tube s'engage de manière étanche au fluide dans une cuvette emboutie du berceau, dont le fond est lui-même logé de manière étanche dans une encoche transver- sale du corps et traversé par au moins une ouverture pour la communication de fluide entre le tube et ledit volume intérieur. - Le corps et le berceau présentent des moyens d'accrochage mécanique mutuel. - Lesdits moyens d'accrochage comprennent deux décrochements s'étendant dans la direction axiale sur la surface extérieure du corps, respectivement de part et d'autre d'un plan passant par les axes des tubes, et coopérant avec des dents du berceau. - Chaque dent est formée à l'extrémité libre d'une patte s'étendant sensiblement dans un plan radial, chaque patte étant interposée dans la direction axiale entre deux cuvet- tes. - La boite collectrice comporte au moins une cloison trans- versale délimitant dans la direction axiale au moins une chambre qui fait partie dudit volume intérieur, engagée dans une ouverture du corps qui est recouverte par le berceau. - La boite collectrice comporte au moins une cloison trans- versale délimitant dans la direction axiale au moins une chambre qui fait partie dudit volume intérieur, engagée dans une ouverture du corps au-delà de laquelle elle fait saillie et portant des moyens d'accrochage mécanique sur la périphé- rie du corps. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront exposés plus en détail dans la description ci-après, en se référant aux dessins annexés. La figure 1 est une vue partielle en perspective éclatée d'un échangeur de chaleur destiné à l'extraction de chaleur à partir de CO2 à l'état supercritique sous pression élevée, utilisé en tant que fluide réfrigérant dans un circuit de climatisation de véhicule automobile. Les figures 2 et 3 sont des vues en coupe transversale et en coupe axiale respectivement de la partie de l'échangeur de chaleur représentée sur la figure 1. Les figures 4 et 5 sont des vues partielles en perspective de deux autres échangeurs de chaleur selon l'invention. La figure 6 est une vue partielle en bout de l'échangeur de la figure 5. Les figures 7 et 8 sont des vues partielles en coupe longitu- dinale et de côté de ce même échangeur. L'échangeur de chaleur représenté sur les figures 1 à 3 comprend une boite collectrice formée essentiellement par un corps métallique massif 1 ayant extérieurement la forme générale d'un cylindre de révolution allongé. Le corps 1 est percé d'un alésage axial traversant 2 qui lui confère la forme d'un tube à paroi épaisse. Le corps 1 est par exemple réalisé par extrusion. Des fentes transversales 3, régulièrement espacées les unes des autres dans la direction axiale, sont ménagées dans le corps 1. Chaque fente 3 est allongée horizontalement, comme vu sur la figure 2, et débouche à l'extérieur du corps à ses deux extrémités ainsi que vers le bas sur toute sa longueur. Son fond est par ailleurs interrompu par l'alésage 2, qui est ainsi en communication de fluide avec la fente. Chaque fente sert à recevoir l'extrémité supérieure d'un tube 4 allongé verticalement, comme vu sur les figures, et présentant deux faces principales situées dans des plans respectifs perpendi- culaires à l'axe longitudinal A du corps 1 et de l'alésage 2, lui conférant une section transversale allongée de gauche à droite de la figure 2. Chaque tube 4 est percé d'une multi- plicité de canaux longitudinaux mutuellement alignés selon sa largeur (c'est-à-dire selon la longueur de sa section transversale), ces canaux définissant des trajets séparés pour la circulation du fluide. Les tubes 4 sont mutuellement alignés dans la direction de l'axe A, en alternance avec des intercalaires 6 constitués chacun par une bande ondulée, les crêtes d'ondulation d'un intercalaire venant en contact alternativement avec les deux tubes qui l'encadrent. Selon l'invention, la largeur des tubes est supérieure au diamètre de l'alésage 2, de telle sorte que seuls les canaux situés dans une région médiane de cette largeur débouchent directement dans l'alésage 2, tandis que les autres canaux débouchent en regard de la paroi épaisse du corps 1, de part et d'autre de l'alésage, comme on le voit clairement sur la figure 2. Il en résulte une diminution de l'encombrement de la boîte collectrice, et par suite de l'échangeur de chaleur dans son ensemble, dans la direction de la largeur des tubes, pour une valeur donnée de celle-ci. Pour permettre à la fois un positionnement précis des tubes et une communication de fluide efficace entre les canaux marginaux et l'alésage 2, le fond des fentes se situe à deux niveaux différents. Sur chacun des côtés longitudinaux d'une fente, le fond 7 de celle-ci se trouve à un niveau inférieur et forme butée pour les bords latéraux de l'extrémité du tube 4. Dans la région médiane de la largeur de la fente, son fond 8 se trouve à un niveau supérieur, écarté par conséquent de l'extrémité du tube, pour définir, de part et d'autre de l'alésage 2, deux conduits horizontaux 9 qui communiquent avec celui-ci à leur extrémité et dans lesquels débouchent les canaux marginaux du tube 4. Les extrémités des fentes 3 débouchent à l'extérieur du corps 1, et doivent donc être obturées pour assurer une communica- tion étanche entre les canaux 5 et l'alésage 2. À cet effet, le corps 1 repose, par la moitié inférieure de sa surface, dans un berceau 10 en tôle roulée. Chacun des bords latéraux 11 du berceau 10 est muni d'une série de dents 12 qui viennent s'accrocher sur un décrochement longitudinal 13 prévu sur le côté correspondant du corps 1. Les figures 1 et 3 montrent encore une cloison transversale 14 qui délimite dans la direction axiale au moins une chambre à l'intérieur de l'alésage 2. Une ouverture transversale 16 est ménagée à la partie inférieure du corps 1 pour introduire la cloison 14 et est comblée par celle-ci dans sa position finale. Une ou plusieurs cloisons transversales peuvent ainsi être prévues, pour limiter axialement le volume intérieur de la boite collectrice et/ou diviser celui-ci en différentes chambres. Le berceau 10 présente des ouvertures 17 allongées transver- salement, d'une taille juste suffisante pour le passage des tubes 4. Le berceau est brasé au corps 1, aux tubes 4 et à la cloison 14, au moyen d'une brasure appliquée par exemple sur toute sa surface supérieure concave, assurant ainsi l'étan- chéité entre l'alésage 2, les fentes 3 et les canaux 5 d'une part, et l'extérieur d'autre part. La cloison 14 doit par ailleurs être brasée à la paroi de l'alésage 2 pour assurer la séparation étanche de celui-ci. Les figures 1 et 3 montrent un taraudage 19 prévu à une extrémité de l'alésage 2 pour le vissage d'un embout d'entrée ou de sortie de fluide. Les extrémités inférieures, non représentées, des tubes 4 peuvent être en communication avec une boîte collectrice inférieure analogue à la boîte collectrice supérieure, comme c'est le cas dans l'échangeur de chaleur représenté sur la figure 4, o des éléments semblables à ceux décrits précédem- ment sont affectés des mêmes numéros de référence augmentés de 20, et ne seront pas de nouveau décrits en détail. Ce second échangeur de chaleur comprend des tubes 24 sembla- bles aux tubes 4 décrits précédemment, et deux boites collectrices dont les corps 21 diffèrent du corps 1 en ce que chacun d'eux présente non pas un, mais deux alésages longitu- dinaux 22 dont les axes sont parallèles et situés dans un même plan horizontal, pour une orientation verticale des tubes. Les deux alésages de chaque corps 21 sont donc séparés l'un de l'autre par une paroi longitudinale intermédiaire 38. Des fentes transversales 23 analogues aux fentes 3 sont ménagées dans les corps. La partie la plus profonde de chaque fente définit donc, outre deux conduits horizontaux 29 dont chacun relie un alésage 22 à l'extrémité voisine de la fente, un conduit horizontal 29a reliant entre eux les deux alésa- ges, et dans lequel débouchent les canaux de circulation 25 situés dans une région médiane de la largeur du tube 24. Il est également possible de prévoir que les canaux 25 situés dans les régions marginales de la largeur du tube débouchent au-delà des alésages 22, c'est-à-dire dans les conduits 29, comme c'est le cas pour l'échangeur de chaleur des figures 1 à 3. À chacune des boîtes collectrices est associé un berceau 30 qui, outre sa forme adaptée à la largeur du corps 21, diffère du berceau 10 décrit ci-dessus en ce que les dents 12 sont remplacées par des rebords 32 faisant saillie en direction du plan longitudinal médian de l'échangeur de chaleur et coopérant sur toute la longueur du berceau avec un décroche- ment latéral correspondant 33 du corps. Sur la figure 5, o des éléments semblables à ceux des figures 1 à 3 sont affectés des mêmes numéros de référence augmentés de 40, sont représentées de nouveau deux boîtes collectrices communiquant respectivement avec les extrémités supérieure et inférieure de tubes verticaux 44 semblables aux tubes 4 décrits précédemment et alignés, comme ceux-ci, en alternance avec des intercalaires 46. Chaque boîte collec- trice comprend un corps massif 41 d'une forme générale cylindrique semblable à celle du corps 1, et traversé comme celui-ci par un alésage axial 42 cylindrique de révolution. À chaque corps 41 est associé un berceau 50 en tôle emboutie. Chaque extrémité des tubes 44 est coiffée par une cuvette 60 formée par l'emboutissage du berceau, le fond 61 de cette cuvette s'ajustant dans une encoche transversale 62 du corps 41, qui communique avec l'alésage 42 et qui débouche à ses extrémités sur les deux côtés du corps. Une ouverture 63 traversant le fond 61 en son centre permet la communication de fluide entre l'alésage 42 et les canaux 45 du tube, l'étanchéité de cette communication étant assurée par brasage de la cuvette par sa face interne à la périphérie du tube et par la face externe de son fond à l'encoche 62 du corps. L'accrochage mécanique de chaque berceau 50 sur le corps 41 correspondant est réalisé au moyen de pattes 64 appartenant au berceau, disposées par paires de part et d'autre du corps, les paires de pattes étant disposées en alternance avec les cuvettes 60. Chaque patte 64 est tournée à l'opposé de l'intercalaire 66, c'est-à-dire vers le haut pour le berceau supérieur et vers le bas pour le berceau inférieur, et se termine par une dent 65 qui fait saillie en direction de l'axe du corps pour coopérer avec un décrochement longitudi- nal 53 de celui-ci, de la même manière que les dents 12 de l'échangeur de chaleur des figures 1 à 3. On voit sur la figure 7 une cloison transversale 54, qui est introduite de la même manière que la cloison 14 des figures 1 à 3 par une ouverture 56 du corps 41 tournée vers le faisceau de tubes, pour délimiter une chambre 55 dans l'alésage 42. Dans sa position finale, cette cloison fait saillie au-delà de l'ouverture 56, pour former la base de départ de deux pattes 66 qui s'étendent dans la direction circonférentielle le long du corps 41 jusqu'aux décrochements 53, sur lesquels elles s'accrochent par des dents terminales 67 qui agissent de la même manière que les dents 65. Revendications 1. Échangeur de chaleur, notamment pour l'extraction de chaleur d'un fluide réfrigérant dans une installation de climatisation de véhicule automobile, comprenant au moins une boîte collectrice dont le volume intérieur est défini par au moins un alésage longitudinal (2) ménagé dans un corps massif allongé (1), et est en communication de fluide avec une rangée de tubes (4) mutuellement alignés dans la direction axiale du ou des alésages, allongés parallèlement les uns aux autres dans une première direction sensiblement perpendicu- laire à ladite direction axiale et ayant une section trans- versale allongée dans une seconde direction sensiblement perpendiculaire à la direction axiale et sensiblement perpendiculaire à ladite première direction, caractérisé en ce qu'une partie seulement de la longueur de la section transversale des tubes se projette, selon ladite première direction, dans ledit volume intérieur, l'étanchéité de la communication de fluide entre les tubes et le volume inté- rieur étant obtenue au moyen d'un berceau (10) sous forme d'une bande profilée, recevant ledit corps et brasé à celui- ci et à la périphérie des tubes. 2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, dans lequel au moins une extrémité de la longueur de la section transversale des tubes (4; 24) se projette, selon ladite première direction, au-delà de l'alésage (2) ou de l'ensemble des alésages (22) dans la seconde direction. 3. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel une partie intermédiaire de la longueur de la section transversale des tubes se projette, selon ladite première direction, entre deux alésages (22) définissant ledit volume intérieur. 4. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel une extrémité de chaque tube s'engage dans une fente (3) ménagée dans ledit corps, allongée dans la seconde direction, débouchant à ses deux extrémités et dont le fond est interrompu par ledit volume intérieur, ledit berceau étant appliqué sur le corps de manière à recouvrir lesdites fentes et présentant en regard de celles-ci des ouvertures allongées (17) pour le passage étanche des tubes. 5. Échangeur de chaleur selon la revendication 4, dans lequel chaque fente présente deux zones latérales d'une profondeur réduite dont le fond (7) sert de butée pour l'extrémité du tube et une zone médiane plus profonde définissant un espace libre (9) qui communique avec l'inté- rieur du tube. 6. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel une extrémité de chaque tube (44) s'engage de manière étanche au fluide dans une cuvette emboutie (60) du berceau (50), dont le fond (61) est lui-même logé de manière étanche dans une encoche transversale (62) du corps (41) et traversé par au moins une ouverture (63) pour la communica- tion de fluide entre le tube et ledit volume intérieur. 7. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le corps et le berceau présentent des moyens d'accrochage mécanique mutuel (12, 13). 8. Échangeur de chaleur selon la revendication 7, dans lequel lesdits moyens d'accrochage comprennent deux décroche- ments (13) s'étendant dans la direction axiale sur la surface extérieure du corps, respectivement de part et d'autre d'un plan passant par les axes des tubes, et coopérant avec des dents (12) du berceau. 9. Échangeur de chaleur selon la revendication 8, rattachée à la revendication 6, dans lequel chaque dent (65) est formée à l'extrémité libre d'une patte (64) s'étendant sensiblement dans un plan radial, chaque patte étant interposée dans la direction axiale entre deux cuvettes (60). 10. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la boîte collectrice (1) comporte au moins une cloison transversale (14) délimitant dans la direction axiale au moins une chambre (15) qui fait partie dudit volume intérieur, engagée dans une ouverture (16) du corps qui est recouverte par le berceau (10). 11. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la boite collectrice comporte au moins une cloison transversale (54) délimitant dans la direction axiale au moins une chambre (55) qui fait partie dudit volume intérieur, engagée dans une ouverture (56) du corps au-delà de laquelle elle fait saillie et portant des moyens (67) d'accrochage mécanique sur la périphérie du corps (41).