Brevet FR2803377A1 — publié le 20010706

Évaporateur à tubes plats empilés à configuration en U 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 les 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, chaque tube ayant une configuration en U et les extrémités de ses deux branches communiquant respectivement avec deux chambres d'une boîte à fluide unique, de manière à définir pour le fluide réfrigérant, dans l'évaporateur, un trajet en un nombre pair de passes. Un tel évaporateur est dit à "circuitage en U", par opposi tion à un évaporateur à "circuitage frontal" dans lequel chaque tube définit pour le fluide réfrigérant un trajet élémentaire rectiligne entre deux boîtes à fluide situées à l'opposé l'une de l'autre par rapport au faisceau. Le nombre de passes est le nombre de trajets élémentaires parcourus successivement par le fluide réfrigérant, chacun le long d'une branche d'un tube, entre l'entrée et la sortie de l'évaporateur. Ce nombre est obligatoirement pair. Selon la technologie utilisée, la boîte à fluide peut être rapportée, c'est à dire assemblée aux tubes, ou non rapportée, c'est à dire formée par les mêmes pièces que les tubes. Le circuitage en U présente l'avantage, par rapport au circuitage frontal, de permettre de compenser les zones où les échanges thermiques sont faibles (en particulier la zone de surchauffe proche de la sortie du fluide réfrigérant) par des zones où les échanges sont plus importants, limitant ainsi le déséquilibre thermique du flux d'air sortant de l'évaporateur et améliorant l'homogénéité du confort thermi que dans le véhicule. Le circuitage en U permet également, pour un encombrement donné de l'évaporateur, de disposer d'un plus grand volume pour le passage de l'air à travers le faisceau, augmentant ainsi les échanges et réduisant la perte de charge, grâce à la présence d'une seule boite à fluide. Le but de l'invention est de proposer des caractéristiques dimensionnelles propres à optimiser les performances de ce type d'évaporateur, 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 48 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 une économie de matière. Elle tend cependant à diminuer la surface d'échange entre les deux fluides. Cette tendance est compensée par le choix d'une distance d également réduite. La combinaison de ces deux caractéristiques dimensionnelles permet de 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 1,0 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 0,6 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 et 0,1 mm. - Les tubes et la boîte à fluide sont sous la forme d'un empilement de pochettes formées chacune de deux plaques de tôle 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 l'une de ses extrémités, une épaisseur accrue pour définir un tronçon de la boîte à fluide. - La boîte à fluide est un composant indépendant présentant des ouvertures par lesquelles pénètrent les extrémités des branches des tubes, lesdites extrémités étant brasées de manière étanche au bord des ouvertures. - Chaque tube est formé de deux plaques de tôle embouties qui sont mutuellement brasées, le long de leurs bords latéraux pour l'étanchéité du tube vis-à-vis de l'extérieur, selon une bande médiane pour la séparation des deux branches et en des zones intermédiaires en saillie vers l'intérieur du tube pour sa rigidification. - Chaque tube est formé de deux plaques de tôle embouties qui sont mutuellement brasées, le long de leurs bords latéraux pour l'étanchéité du tube vis-à-vis de l'extérieur et selon une bande médiane pour la séparation des deux branches, le tube étant rigidifié par un insert brasé aux faces internes des plaques. - Les tubes sont des tubes extrudés dont l'extrémité opposée à la boîte à fluide est obturée par un capuchon. - Les tubes sont formés par des tôles pliées, fermés par des joints brasés longitudinaux et obturés à l'extrémité opposée à la boîte à fluide, une cloison longitudinale étant formée par pliage ou par emboutissage pour la séparation des deux branches. - La boîte à fluide comprend deux parties séparées juxtapo sées dont les volumes intérieurs communiquent respectivement avec les extrémités des deux branches de chaque tube, l'une au moins desdites parties étant formée de deux éléments délimitant ledit volume intérieur, dont l'un présente lesdites ouvertures, et si nécessaire d'au moins une cloison interne rapportée séparant ledit volume intérieur en diffé rentes chambres communiquant chacune avec un sous-ensemble des tubes. - La boîte à fluide est formée de deux éléments délimitant un volume intérieur, dont l'un présente lesdites ouvertures, et d'au moins une cloison interne rapportée séparant ledit volume intérieur en au moins deux chambres, les extrémités des deux branches de chaque tube communiquant respectivement avec deux desdites chambres. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront exposés plus en détail dans la description ci-après, en se référant aux dessins annexés. Les 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 d'un évaporateur. Les figures 8 et 9 sont des vues en perspective de différen tes formes de réalisation d'un évaporateur. La figure 1 est une vue 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 F1, la distance d entre les tubes, fixée par les ondulations de l'intercalaire, l'épaisseur totale Ee 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 - tel. 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 de l'intercalaire, et sa demi-période d'ondulation g/2. Selon l'invention, les dimensions précitées se situent idéalement dans les intervalles ci-après: 20 mm 5 1 48 mm 4,0 mm 5 d 5 7,6 mm 1,0 mm Ee 5 2,7 mm 0,2 mm 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 e2 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 flux d'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 ei 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 la figure 7, la courbe matérialisée par le symbole o et celle matérialisée par le symbole Y représentent la variation de la 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 = 1,7 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 la courbe de contre-pression représente le point de fonction nement pour l'air du couple évaporateur-pulseur. On obtient donc le débit d'air traversant l'évaporateur et on en déduit la performance fournie par celui-ci. En répétant la démarche pour différentes valeurs de p/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 1ç et une multiplicité de nervures longitudinales intermédiaires 1d. Les nervures marginales 1ç 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 1d d'une plaque est brasée à une nervure 1d de l'autre plaque pour rigidifier le tube et pour délimiter à l'intérieur du tube des canaux de circulation le pour le fluide. À l'extrémité supérieure du tube, certains des canaux le communiquent avec une chambre de la boîte à fluide, et les autres canaux avec une autre chambre. Le tube est fermé à son extrémité inférieure et les nervures sont interrompues à une certaine distance de cette extrémité pour permettre le passage du fluide de la branche descendante à la branche ascendante. Les nervures intermédiaires 1d peuvent être remplacées, en totalité ou en partie, à l'exception d'une nervure médiane séparant les deux branches, par des saillies de rigidification de petites dimensions ne délimi tant pas des canaux de circulation. 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. La figure 8 est une vue partielle en perspective éclatée d'une forme de réalisation d'un évaporateur 10 selon l'inven tion, dans laquelle les tubes et les deux boîtes 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 l'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 14 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 à sa partie supérieure deux régions juxtaposées 15 et 16 d'une profondeur plus grande que celle de la région restante 17, qui occupe la majeure partie de la hauteur de la cuvette, au-dessous des régions 15 et 16. Les régions 17 de deux cuvettes associées constituent ensemble un tube du faisceau et présentent des nervures verticales médianes respectives 18, interrompues au- dessus du bord inférieur 19, pour séparer les deux branches du tube. Les régions 15 des mêmes cuvettes définissent entre elles un volume élémentaire faisant partie du volume inté rieur de la pochette correspondante et communiquant avec l'extrémité supérieure d'une branche du tube, chaque volume élémentaire communiquant avec le volume élémentaire d'au moins une pochette voisine, par des ouvertures 20 ménagées dans le fond des cuvettes, pour former une chambre de la boîte à fluide. De même, les régions 16 des cuvettes définis sent entre elles des volumes élémentaires communiquant avec les extrémités supérieures des autres branches des tubes, et forment ensemble une ou plusieurs chambres de la boîte à fluide. Les intercalaires ondulés 2 sont brasés aux faces extérieures des régions 17 des cuvettes 11, 12. La figure 9 montre un évaporateur 30 comportant des tubes 1 réalisés indépendamment de la boîte à fluide, par exemple sous forme de tubes extrudés, ou de manière connue par pliage de tôles et formation de joints brasés longitudinaux. La boite à fluide 31 comprend une plaque collectrice 32 présen tant une multiplicité d'ouvertures dans lesquelles pénètrent les extrémités des branches des tubes et munie d'un rebord périphérique 33 tourné vers le haut, c'est à dire à l'opposé du faisceau de tubes. La plaque collectrice supérieure sert de couvercle à une pièce en forme de bac 34, dont le bord périphérique est brasé au rebord 33, les deux pièces délimi tant le volume intérieur de la boîte à fluide, qui est divisé en au moins deux chambres par une cloison longitudinale. Des capuchons 35 obturent les extrémités inférieures des tubes 1 et permettent le passage d'une passe à une autre. En variante, la boîte à fluide peut être réalisée en deux parties juxtaposées dont les volumes intérieurs communiquent respectivement avec les deux branches de chaque tube, chaque partie étant formée d'une plaque collectrice analogue à la plaque 32 et d'un bac analogue au bac 34. Selon le nombre de passes à réaliser, le volume intérieur d'une partie au moins de la boîte à fluide, de même que l'un au moins des sous- volumes délimités par la cloison longitudinale de la boite à fluide 31, peut être subdivisé par au moins une cloison en différentes chambres communiquant chacune avec un sous ensemble des tubes. Quant aux tubes, ils peuvent également être réalisés par assemblage de cuvettes analogues aux cuvettes 12, 13 de la figure 8, mais ne comportant pas les régions 15 et 16 de profondeur accrue. Revendications 1. 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 climatisa tion 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 les 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, chaque tube ayant une configuration en U et les extrémités de ses deux branches communiquant respectivement avec deux chambres d'une boîte à fluide unique, rapportée ou non rapportée, de manière à définir pour le fluide réfrigérant, dans l'évaporateur, un trajet en un nombre pair de passes, caractérisé en ce que sa dimension 1 dans ladite direction est comprise entre 20 et 48 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 (el) 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 (ji) 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 1,8 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 la boîte à fluide 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 périphé rie, chaque pochette définissant l'un desdits tubes et présentant, à l'une de ses extrémités, une épaisseur accrue pour définir un tronçon de la boîte à fluide. 8. Évaporateur (30) selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la boîte à fluide est un composant indépendant (31, 32) présentant des ouvertures par lesquelles pénètrent les extrémités des branches des tubes (1), lesdites extrémi tés 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, le long de leurs bords latéraux (1ç) pour l'étanchéité du tube vis-à-vis de l'extérieur, selon une bande médiane pour la séparation des deux branches et en des zones intermédiaires (1d) en saillie vers l'inté rieur du tube pour sa rigidification. 10. Évaporateur selon la revendication 8, dans lequel chaque tube est formé de deux plaques de tôle embouties qui sont mutuellement brasées, le long de leurs bords latéraux pour l'étanchéité du tube vis-à-vis de l'extérieur et selon une bande médiane pour la séparation des deux branches, 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 dont l'extrémité opposée à la boite à fluide est obturée par un capuchon (35). 12. Évaporateur selon la revendication 8, dans lequel les tubes sont formés par des tôles pliées, fermés par des joints brasés longitudinaux et obturés à l'extrémité opposée à la boîte à fluide, une cloison longitudinale étant formée par pliage ou par emboutissage pour la séparation des deux bran ches. 13. Évaporateur selon l'une des revendications 8 à 12, dans lequel la boîte à fluide comprend deux parties séparées -Juxtaposées dont les volumes intérieurs communiquent respec tivement avec les extrémités des deux branches de chaque tube, l'une au moins desdites parties étant formée de deux éléments délimitant ledit volume intérieur, dont l'un présente lesdites ouvertures, et si nécessaire d'au moins une cloison interne rapportée séparant ledit volume intérieur en différentes chambres communiquant chacune avec un sous- ensemble des tubes. 14. Évaporateur (30) selon l'une des revendications 8 à 12, dans lequel la boîte à fluide (31) est formée de deux éléments (33, 34) délimitant un volume intérieur, dont l'un (33) présente lesdites ouvertures, et d'au moins une cloison interne rapportée séparant ledit volume intérieur en au moins deux chambres, les extrémités des deux branches de chaque tube communiquant respectivement avec deux desdites chambres. 15. Évaporateur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le nombre de passes est choisi parmi 4 et 6.