Brevet FR2803376A1 — publié le 20010706

Évaporateur à tubes -plats empiles Possédant deux boîtes à fluide opDosées L'invention concerne un évaporateur pour l'échange de chaleur entre un flux d'air et un fluide réfrigérant avec passage de celui-ci de l'état liquide à l'état gazeux, notamment pour la climatisation de l'habitacle d'un véhicule automobile, comprenant un faisceau composé d'une rangée unique de tubes plats empilés en alternance avec des intercalaires ondulés maintenant les tubes écartés uns des autres d'une distance d et dont les ondulations définissent des passages pour le flux d'air dans la direction de la largeur des tubes, les deux extrémités de chaque tube communiquant respective ment avec deux boîtes à fluide situées à l'opposé l'une de l'autre par rapport audit faisceau, de manière à définir pour le fluide réfrigérant, dans l'évaporateur, un trajet en au moins deux passes. Un tel évaporateur est dit à circuitage frontal", par opposition à un évaporateur à 11circuitage en U" dans lequel le fluide réfrigérant circule dans des tubes en U dont les deux branches communiquent avec des chambres respectives d'une boîte à fluide unique. Le nombre de passes est le nombre de trajets élémentaires effectués par le fluide réfrigérant, le long d'un tube d'une boîte à fluide à l'autre, entre l'entrée et la sortie de l'évaporateur. Ce nombre peut être impair, si l'entrée et la sortie sont situées respectivement sur les deux boîtes à fluide, ou pair, si elles sont situées sur la même boîte à f luide. Selon la technologie utilisée, les boites à fluide peuvent être rapportées, c'est à dire assemblées aux tubes, ou non rapportées, c'est à dire formées les mêmes pièces que les tubes. Le circuitage frontal présente l'avantage, par rapport au circuitage en U, de diminuer la longueur de tubes parcourue par le fluide réfrigérant, pour un nombre donné de tubes utilisés à chaque passe, réduisant ainsi la perte de charge et l'échauffement correspondant du fluide réfrigérant ainsi que séparation des phases liquide et gazeuse. L'echange thermique avec le flux d'air est donc augmenté grâce à une temperature du fluide réfrigérant plus basse et plus homogène entre différents tubes d'une même passe. Le circuitage frontal permet également une fabrication économique de l'évaporateur, avec des tubes tous identiques autorisant une automatisation poussée de sa fabrication. Le l'invention est de proposer des caractéristiques dimensionnelles propres à optimiser les performances de ce type evaporateur, plus particulièrement lorsque le nombre de passes est 4 ou 6. L'invention vise notamment un évaporateur du genre défini en introduction, et prévoit que sa dimension 1 dans ladite direction est comprise entre 20 et 55 mm et que la distance d est comprise entre 4,0 et 7,6 mm. La dimension proposée dans la direction du flux d'air assure un encombrement réduit de l'évaporateur dans cette direction, et economie de matière. Elle tend cependant à diminuer la surface d'échange entre les deux fluides. Cette tendance est compensee par le choix d'une distance d également réduite. La combinaison de ces deux caractéristiques dimensionnelles permet concilier la réduction d'encombrement et l'économie de matière mentionnées ci-dessus avec un niveau de perfor mance comparable à celui des évaporateurs utilisés habituel lement pour la climatisation de l'habitacle des véhicules automobiles. Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémen taires ou alternatives, sont énoncées ci-après: - L'épaisseur totale d'un tube est comprise entre 0 et 2,7 mm. - L'épaisseur de paroi d'un tube est comprise entre 0,2 et 0,45 mm, et entre 0,2 et 0,7 mm pour le nez du tube. - L'épaisseur intérieure d'un tube est comprise entre 0, et 1,8 mm. - La demi-période d'ondulation des intercalaires est comprise entre 1,0 et 1,8 mm. - L'épaisseur de paroi des intercalaires est comprise entre 0,05 0,1 mm. - Les tubes et les boites à fluide sont sous la forme un empilement de pochettes formées chacune de deux plaques de tôle embouties en forme de cuvettes, dont les concavités sont tournees l'une vers l'autre et qui sont mutuellement brasées de manière étanche à leur périphérie, chaque pochette définissant l'un desdits tubes et présentant, à chacune de ses extrémités, une épaisseur accrue pour définir un tronçon de boîte à fluide. - Les boîtes à fluide sont des composants indépendants présentant des ouvertures par lesquelles pénètrent les extrémités des tubes, celles-ci étant brasées de manière étanche au bord des ouvertures. - Chaque tube est formé de deux plaques de tôle embouties qui sont mutuellement brasées, pour l'étanchéité le long de leurs bords latéraux et pour la rigidification en des zones intermédiaires en saillie vers l'intérieur du tube. - Chaque tube est formé de deux plaques de tôle embouties qui sont mutuellement brasées de manière étanche le long de leurs bords latéraux, le tube étant rigidifié par un insert brasé aux faces internes des plaques. - Les tubes sont des tubes extrudés. - Les tubes sont formés par des tôles pliées et fermés par joints brasés longitudinaux. moins une boîte à fluide est formée de deux éléments delimitant un volume intérieur, dont l'un présente lesdites ouvertures, et d'au moins une cloison interne rapportée séparant ledit volume intérieur en différentes chambres dont chacune communique avec un sous-ensemble des tubes. moins une boîte à fluide est formée d'une plaque collec trice présentant lesdites ouvertures, et au moins deux éléments en forme de bacs coopérant avec la plaque collectri ce chacun sur une partie de l'étendue celle-ci, pour délimiter des chambres respectives dont chacune communique avec un sous-ensemble des tubes. - Au moins une boîte à fluide est formée d'au moins un élément en tôle emboutie définissant, de part et d'autre d'une ligne de pliage, une plaque collectrice présentant lesdites ouvertures et un bac qui sont amenés bord contre bord par pliage et mutuellement brasés pour délimiter une chambre de la boite à fluide. caractéristiques et avantages de l'invention seront exposés plus en détail dans la description ci-après, en se référant aux dessins annexés. figures 1 et 2 sont des vues partielles en coupe d'un évaporateur. Les figures 3 à 7 sont des graphiques montrant l'influence des caractéristiques dimensionnelles sur le fonctionnement évaporateur. figures 8 à 10 sont des vues en coupe longitudinale de différentes formes de réalisation d'un évaporateur. La figure 11 est une vue en perspective dun composant destiné à la réalisation d'une boîte à fluide d'évaporateur. La figure 1 est une partielle en coupe du faisceau d'un évaporateur du type auquel s'applique l'invention, montrant deux tubes plats voisins 1, en coupe transversale, et l'intercalaire ondulé 2 interposé entre ceux-ci. Y sont indiquées quelques unes des dimensions que l'invention vise à optimiser, à savoir la largeur 1 des tubes, c'est-à-dire la dimension de l'évaporateur dans la direction de circulation du flux d'air, représentée par la flèche Fl, la distance d entre les tubes, fixée par les ondulations de l'intercalaire, l'épaisseur totale E. d'un tube, c'est-à-dire son encombrement dans la direction de l'empilement du faisceau, l'épaisseur de paroi el d'un tube, et l'épaisseur intérieure Ei d'un tube, égale à Ee - 2el. La figure 2 est une vue partielle de côté d'un intercalaire 2, montrant son profil ondulé sensiblement en forme de sinusoïde. On y retrouve la distance d entre les deux plans P contenant les crêtes d'ondulation. on y trouve également l'épaisseur de paroi -e2 leintercalaire, et sa demi-période d'ondulation P/2. Selon l'invention, les dimensions précitées se situent idéalement dans les intervalles ci-après: 20 mm :5 1 :5 55 mm 4,0 mm :5 d :s 7,6 mm 1,0 mm #5 Ee :5 2,7 mm 0,2 mm :5 el :5 0,7 mm 0,6 mm 5 Ei 5 1,8 mm 1,0 mm 5 p/2 5 1,8 mm 0,05 mm 5 e2 5 0,1 mm. La figure 3 montre la variation de la capacité d'échange de chaleur d'un évaporateur visé par l'invention en fonction de la distance d, toutes choses égales par ailleurs et en maintenant constant le débit d'air. On voit que l'efficacité maximale dans ces conditions est atteinte pour une valeur de 4 mm. Toutefois, une diminution de la distance d augmente la perte de charge du f lux d 1 air et par conséquent diminue le débit d'air pour une vitesse donnée du pulseur. C'est pourquoi les valeurs choisies sont au moins égales à cet optimum apparent, c'est-à-dire comprises entre 4,0 et 7,6 mm. L'épaisseur de paroi el est choisie de manière à assurer une résistance appropriée à la pression et à la corrosion, sans consommation de matière excessive. Le graphique de la figure 4 montre la variation de la capacité d'échange de chaleur d'un évaporateur en fonction de l'épaisseur intérieur ej des tubes. Lorsque cette épaisseur est faible, il en résulte une perte de charge du fluide réfrigérant et une élévation de sa température nuisant à l'échange thermique. Au contraire, une épaisseur élevée a pour effet une faible vitesse du fluide, limitant l'échange de chaleur avec les parois des tubes. La plage choisie fournit des résultats optimisés. Les graphiques des figures 5 et 6 représentent respectivement la variation de la capacité d'échange thermique d'un évapora teur et celle de la perte de charge qu'il fait subir au flux d'air en fonction de la demi-période p/2 des intercalaires le débit d'air étant maintenu constant. Sur figure 7, la courbe matérialisée par le symbole 0 celle matérialisée par le symbole Y représentent la variation de perte de charge subie par l'air dans l'ensemble d'un appareil de climatisation en fonction du débit, respective ment pour p/2 = 1,4 mm et P/2 mm. La courbe matériali sée par le symbole a représente la variation de la contre- pression produite par le pulseur en fonction du débit L'intersection d'une courbe de perte de charge et de courbe de contre-pression représente le point de fonction nement pour l'air du couple évaporateur-pulseur. On obtient donc débit d'air traversant l'évaporateur et on en déduit la performance fournie par celui-ci. En répétant la démarche pour différentes valeurs de R/2, on détermine la valeur optimale pour un pulseur donné. En procédant ainsi pour différents pulseurs et différents boîtiers de climatisation, on a abouti aux valeurs proposées selon l'invention. Les tubes 1 montrés sur la figure 1 sont réalisés chacun par le brasage mutuel de deux plaques la et lb, embouties pour former chacune deux nervures longitudinales marginales lc et une multiplicité de nervures longitudinales intermédiaires ld. Les nervures marginales ic de l'une des plaques sont brasées aux nervures marginales de l'autre plaque pour réaliser l'étanchéité du tube vis-à-vis de l'extérieur. Chaque nervure intermédiaire ld d'une plaque est brasée une nervure de l'autre plaque pour rigidifier le tube et pour délimiter à l'intérieur du tube des canaux de circulation le pour le fluide. Les nervures intermédiaires ld peuvent être remplacées, en totalité ou en partie, par des saillies de rigidification qui ne s'étendent pas d'un bout à l'autre du tube et ne délimitent pas des canaux de circulation. La figure 8 représente, en coupe longitudinale, une forme de réalisation d'un évaporateur 10 selon l'invention, dans laquelle les tubes et les deux boites à fluide sont formés par une multiplicité de pochettes 11 mutuellement empilées de la gauche vers la droite de la figure, composées chacune de deux plaques de tôle embouties en forme de cuvettes 12 et 13. Ces dernières sont identiques entre elles et ont leurs concavités tournées l'une vers !,autre, soit respectivement vers la droite et vers la gauche. Chaque cuvette présente un bord périphérique situé dans un plan vertical, et les bords périphériques des deux cuvettes formant une pochette sont mutuellement assemblés de façon étanche au fluide par brasage, pour délimiter le volume intérieur de la pochette. Chaque cuvette comporte une région supérieure 14 et une région inférieure 15 d'une profondeur plus grande que celle de la région intermédiaire 16. Les régions 16 de deux cuvettes associées constituent ensemble un tube du faisceau. Les régions supérieures 14 des mêmes cuvettes définissent entre elles un volume élémentaire 17 faisant partie du volume intérieur de la pochette correspondante et communiquant avec l'extrémité supérieure du tube. L'ensemble des régions 14 forme une boîte à fluide supérieure 18, chaque volume élémentaire 17 communiquant avec au moins un volume 17 voisin, par des ouvertures 19 ménagées dans le fond des cuvettes, pour former une chambre de la boîte à fluide. De même, les régions inférieures 15 des cuvettes définissent entre elles des volumes élémentaires 20 communiquant avec les extrémités inférieures des tubes, et forment ensemble une boîte à fluide inférieure 21 comportant au moins une chambre. Les deux boîtes à fluide doivent posséder au total au moins trois chambres pour assurer une circulation fluide en au moins deux passes. Dans l'exemple illustré, l'entrée 22 et la sortie 23 du fluide sont prévues respectivement sur la boîte à fluide inférieure et sur la boite à fluide supérieure, de sorte que le nombre de passes est impair et au moins égal à trois. Les intercalaires ondulés 2 sont brasés aux faces extérieures des régions intermédiaires 16 des cuvettes 11, 12. Les figures 9 et 10 sont des vues analogues la figure 8, relatives à des évaporateurs comportant des tubes 1 réalisés indépendamment des boites à fluide, par exemple par assem blage de cuvettes analogues aux cuvettes 12, 13 de la figure 8, mais ne comportant pas les régions 14 et de profondeur accrue, ou sous forme de tubes extrudés, ou de manière connue par pliage de tôles et formation de joints brasés longitudi naux. La boite à f luide supérieure 31 et la boite a f luide 32 de l'évaporateur 30 de la figure 9 comprennent chacune une plaque collectrice 33 présentant une multiplicité d'ouvertu res 34 dans lesquelles pénètrent les extrémités des tubes 1 et munie d'un rebord périphérique 35 tourné à l'opposé du faisceau de tubes. La plaque collectrice supérieure sert de couvercle à une pièce en forme de bac 37, dont le bord périphérique 38 est brasé au rebord 35, les deux pièces délimitant le volume intérieur de la boite à fluide. Au sein de ce volume intérieur se trouve une autre pièce en forme de bac 39 dont le bord périphérique 40 est brasé à la plaque 33. La plaque collectrice inférieure 33 sert de couvercle commun deux pièces en forme de bac 41 et 42 mutuellement juxtapo sées dans la direction d'empilement du faisceau de tubes. Les bords périphériques 43, 44 des bacs 41, 42 sont brasés l'un à l'autre dans leur zone de contact mutuel et par ailleurs au rebord périphérique 35 de la plaque 33. Le bac 39 sépare le volume intérieur de la boîte à fluide 31 en deux chambres 45 et 46 situées respectivement à l'intérieur et l'extérieur du bac 39, et communiquant respectivement avec un sous- ensemble médian des tubes et avec le reste de ceux-ci. Les bacs 41 et 42 délimitent avec la plaque collectrice 33, respectivement, deux chambres 47 et 48 de la boîte à fluide inférieure, qui communiquent respectivement avec deux sous- ensembles des tubes se succédant dans la direction d'empile ment du faisceau. Le fluide pénètre dans la chambre 45 par une ouverture 49 ménagée dans les parois latérales des bacs 37 et 39, et circule de haut en bas dans le sous-ensemble médian des tubes pour atteindre pour partie la chambre 47 et pour partie la chambre 48. A partir de celles-ci, il parcourt les autres tubes de bas en haut et parvient dans la chambre 46, qu'il quitte par une ouverture 50 de la pièce 37. La circulation du fluide dans l'évaporateur s'effectue donc en deux passes. L'évaporateur 50 de la figure 10 possède une boîte à fluide inférieure 32 identique à celle de la figure 9 et qui ne sera pas de nouveau décrite. La boîte à fluide supérieure 51 présente une structure analogue à celle de la boîte 31, avec une plaque collectrice 33 identique à celles des boites 31 et 32, et trois bacs 52, 53, 54, au lieu de deux pour la boîte 32, juxtaposés dans la direction d'empilement et délimitant respectivement avec la plaque 33 des chambres 55, 56 et 57. Le fluide pénètre dans la chambre 55 par une ouverture 58 prévue dans le bac 52, et circule de haut en bas dans un premier sous-ensemble de tubes pour atteindre la chambre 47 de la boite inférieure. A partir de là, il circule de bas en haut dans un second sous-ensemble de tubes pour parvenir dans la chambre 56. Il quitte celle-ci en parcourant de haut en bas un troisième sous-ensemble de tubes qui l'amène dans la chambre 48. Il parcourt enfin de bas en haut un quatrième et dernier sous-ensemble de tubes pour passer de la chambre 48 la chambre 57, après quoi il quitte l'évaporateur par une ouverture de sortie 59 prévue dans le bac 54. La circulation s'effectue ici en quatre passes. La figure 11 représente une pièce en tôle emboutie 60 destinée à être associée à un faisceau de tubes et d'interca laires tels que ceux représentés sur les figures 9 et 10 en formant une partie au moins d'une boîte à fluide. pièce 60 comprend deux régions 61 et 62 situées respectivement à droite et à gauche, comme vu sur la figure, d'une ligne horizontale L, et embouties respectivement vers le haut et vers le bas par rapport au plan horizontal contenant la liane L, de manière à f ormer d 1 une part un bac, d 1 autre part une plaque collectrice percée d'ouvertures 63 et munie d'un rebord périphérique 64. Par une rotation de 180' autour de la ligne L, comme indiqué par les flèches F2, la plaque 62 vient s'emboîter dans le bac 61, le rebord 62 venant en contact sur tout son périmètre avec la paroi périphérique 65 du bac, à laquelle il est brasé de manière étanche. La pièce ainsi façonnée peut constituer à elle seule une boîte à fluide à chambre unique, où plusieurs pièces semblables peuvent être juxtaposées pour former une boîte à fluide à chambres multiples. Le cas échéant, une ouverture 66 d'entrée ou de sortie du fluide est prévue dans la paroi périphérique 65. Bien entendu, dans le cas où le volume intérieur une boite fluide est délimité par deux éléments tels qu'une plaque collectrice et une pièce en forme de bac, et subdivisé en deux chambres ou plus, cette séparation peut être réalisée de manière connu grâce à des cloisons transversales. Un autre moyen, connu en soi, pour rigidifier le tube consiste à y introduire un insert brasé aux faces internes des plaques, par exemple un insert ondulé brasé par ses crêtes d'ondulation. Revendications 1 . Évaporateur pour l'échange chaleur entre un flux d'air et un fluide réfrigérant avec passage de celui-ci de l'état liquide à l'état gazeux, notamment pour la climatisa tion de l'habitacle d'un véhicule automobile, comprenant un faisceau composé d'une rangée unique de tubes plats (1) empi lés en alternance avec des intercalaires ondulés (2) mainte nant les tubes écartés les uns des autres d'une distance d et dont les ondulations définissent des passages pour le flux d'air dans la direction (Fl) de la largeur des tubes, les deux extrémités de chaque tube communiquant respectivement avec deux boîtes à fluide (31, 32), rapportées ou non rappor tées, situées à l'opposé l'une de l'autre par rapport audit faisceau, de manière à définir pour le fluide réfrigérant, dans l'évaporateur, un trajet en au moins deux passes, caractérisé en ce que sa dimension 1 dans ladite direction est comprise entre 20 et 55 mm et que la distance d est comprise entre 4,0 et 7,6 mm. 2. Évaporateur selon la revendication 1, dans lequel l'épaisseur totale (E.) d'un tube est comprise entre 1,0 et 2,7 mm. 3. Évaporateur selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel l'épaisseur de paroi (#g1) d'un tube est comprise entre 0,2 et 0,7 mm. 4. Évaporateur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'épaisseur intérieure (E2) d'un tube est comprise entre 0,6 et 1,8 mm. 5. Évaporateur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la demi-période d'ondulation (p/2) des interca laires est comprise entre 1,0 et 1, mm. 6. Évaporateur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'épaisseur de paroi (e2) des intercalaires est comprise entre 0,05 et 0,1 mm. 7. Évaporateur (10) selon l'une des revendications précé dentes, dans lequel les tubes et les boîtes à fluide (18, 21) sont sous la forme d'un empilement de pochettes (11) formées chacune de deux plaques de tôle (12, 13) embouties en forme de cuvettes, dont les concavités sont tournées l'une vers l'autre et qui sont mutuellement brasées de manière étanche à leur périphérie, chaque pochette définissant l'un desdits tubes et présentant, à chacune de ses extrémités, une épaisseur accrue pour définir un tronçon de boîte à fluide. 8. Évaporateur (30) selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les boîtes à fluide sont des composants indépen dants (31, 32) présentant des ouvertures (34) par lesquelles pénètrent les extrémités des tubes (1), celles-ci étant brasées de manière étanche au bord des ouvertures. 9. Évaporateur selon la revendication 8, dans lequel chaque tube est formé de deux plaques de tôle embouties (la, lb) qui sont mutuellement brasées, pour l'étanchéité le long de leurs bords latéraux (1c) et pour la rigidification en des zones intermédiaires (id) en saillie vers l'intérieur du tube. 10. Évaporateur selon la revendication 8, dans lequel chaque tube est formé de deux plaques de tôle embouties qui sont mutuellement brasées de manière étanche le long de leurs bords latéraux, le tube étant rigidifié par un insert brasé aux faces internes des plaques. 11. Évaporateur selon la revendication 8, dans lequel les tubes sont des tubes extrudés. 12. Évaporateur selon la revendication 8, dans lequel les tubes sont formés par des tôles pliées et fermés par des joints brasés longitudinaux. 13. Évaporateur (30) selon l'une des revendications 8 à 12, dans lequel au moins une boite à luide (31) est formée de deux éléments (33, 37) délimitant un volume intérieur (45, 46), dont l'un (33) présente lesdites ouvertures (34), et d'au moins une cloison interne rapportée (39 séparant ledit volume intérieur en différentes chambres (45, 46) dont chacune communique avec un sous-ensemble des tubes. 14 Évaporateur (30) selon l'une des revendications 8 à 13, dans lequel au moins une boite à fluide (32) est formée d'une plaque collectrice (33) présentant lesdites ouvertures (34), et d'au moins deux éléments en forme de bacs (41, 42) coopérant avec la plaque collectrice, chacun sur une partie de l'étendue de celle-ci, pour délimiter des chambres respectives (47, 48) dont chacune communique avec un sous- ensemble des tubes. 15 Évaporateur selon l'une des revendications 8 à 14, dans lequel au moins une boîte à fluide est formee d'au moins un élément (60) en tôle emboutie définissant, de part et d'autre d'une ligne de pliage (L), une plaque collectrice (62) présentant lesdites ouvertures (63) et un bac (61) qui sont amenés bord contre bord par pliage et mutuellement brasés pour délimiter une chambre de la boîte à fluide. 16. Évaporateur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le nombre de passes est choisi parmi 4 et 6.