Brevet FR2826108A1 — publié le 20021220

Échangeur de chaleur brasé optimisé L'invention se rapporte au domaine des échangeurs de chaleur, notamment pour véhicules automobiles. De tels échangeurs de chaleur sont utilisés, par exemple, pour constituer un radiateur de refroidissement du moteur ou un radiateur de chauffage de l'habitacle lequel est parcouru par un fluide servant au refroidissement du moteur. Il existe des échangeurs à assemblage mécanique constitués d'un faisceau de tubes traversant un empilement d'ailettes, et des échangeurs brasés constitués d'un faisceau de tubes muni d'intercalaires. Différentes technologies de circulation du fluide dans le faisceau de tubes sont connues, comme les circulations de fluide en U, en I ou méthodique. Pour les deux types d'échangeurs, la circulation dite méthodique du fluide est la plus performante grâce à un meilleur échange thermique. Il est connu d'améliorer ces échangeurs par l'optimisation des échanges sur l'air refroidissant le fluide qui circule dans les tubes. Ainsi, les ailettes ou les intercalaires de ces échangeurs sont persiennés afin de casser le flux d'air selon l'axe des tubes. La présente invention a notamment pour but d'améliorer encore l'échange de chaleur. Elle propose à cet effet un échangeur de chaleur comprenant des première et deuxième boîtes collectrices comprenant des bases respectives tournées l'une vers l'autre munies chacune d'au moins une première et une deuxième rangée de trous, ainsi qu'un faisceau de tubes dont chacun est reçu dans des trous en vis à vis des boîtes collectrices. Ainsi, les tubes sont disposés en au moins deux rangées de tubes. Le faisceau comprend en outre des intercalaires ondulés disposés en alternance avec les tubes dans l'axe des rangées et en contact thermique avec ces tubes, l'ensemble de ces éléments étant maintenus par brasage. Selon une caractéristique principale de l'invention, il existe un décalage entre deux rangées de tubes consécutives déterminé suivant l'axe des rangées et les intercalaires sont distincts pour chaque rangée de tubes. Selon un aspect de l'invention, les deux rangées de tubes ont un même pas de tubes. Selon un autre aspect de l'invention, le décalage est compris strictement entre 0 et un pas de tubes. Avantageusement, le décalage est d'un demi-pas de tubes. Dans une réalisation de l'invention, à chaque rangée de tubes est associé un intercalaire de longueur axiale réduite à une extrémité axiale du faisceau de tubes de sorte que le faisceau de tubes présente une forme parallélépipédique délimitée par la base des boîtes collectrices, et le faisceau de tubes reçoit, à chaque extrémité axiale et de la première à la deuxième boîte collectrice, une joue d'extrémité plate. Dans une variante de réalisation de l'invention, le faisceau de tubes se termine, à une extrémité axiale, par un tube sur une rangée de tubes et par un intercalaire sur la rangée de tubes adjacente, et inversement à l'autre extrémité axiale, de sorte que le faisceau de tubes ne dépasse pas de la base rectangulaire des boîtes collectrices. Dans une autre variante de réalisation de l'invention, chaque base d'une boite collectrice est formée par une plaque collectrice assemblée à un couvercle collecteur pour former ladite boîte collectrice, chaque plaque collectrice étant munie d'une première oreille à une extrémité axiale du faisceau de tubes en regard d'une rangée de tubes et d'une deuxième oreille à l'autre extrémité axiale du faisceau de tubes en regard de la rangée de tubes adjacente, chacune des première et deuxième oreilles étant destinée à soutenir un intercalaire d'extrémité. Avantageusement, une joue d'extrémité est disposée à chaque extrémité axiale du faisceau de tube et est pliée en conformité de ladite extrémité axiale. Dans une réalisation avantageuse de l'invention, la première boîte collectrice comprend une première chambre collectrice comportant une tubulure d'entrée pour le fluide et communiquant avec la première rangée de tubes ainsi qu'une deuxième chambre collectrice comportant une tubulure de sortie pour le fluide et communiquant avec la deuxième rangée de tubes. Dans une réalisation possible selon l'invention, la première chambre collectrice est séparée de la deuxième chambre collectrice par une cloison suivant l'axe des rangées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective partiellement arrachée d'un échangeur de chaleur brasé à circulation de fluide méthodique selon l'invention ; - la figure 2 est une vue de dessus d'une plaque collectrice de l'échangeur de chaleur brasé de la figure 1, traversée par l'extrémité des tubes ; - la figure 3 est une vue en coupe de l'échangeur de chaleur brasé suivant la ligne III-III de la figure 1 ; - la figure 4 est une vue analogue à la figure 3, relative à une variante de l'échangeur ; - la figure 5 est une vue en coupe de l'extrémité d'un tube et de la région voisine de la plaque collectrice suivant la ligne V-V de la figure 2 ; - la figure 6 est une vue analogue à la figure 5, relative à une variante de l'échangeur. On se réfère tout d'abord aux figures 1 et 2 représentant un échangeur de chaleur brasé 1 qui peut être utilisé notamment dans un véhicule automobile, par exemple pour constituer un radiateur de chauffage de l'habitacle. Dans l'exemple décrit, l'échangeur de chaleur brasé 1 est à circulation de fluide de type méthodique. Cet échangeur de chaleur 1 comprend une boîte collectrice supérieure 3 constituée d'un couvercle collecteur supérieur 4 en forme de bac et réalisé en matière thermoplastique renforcée et d'une plaque collectrice supérieure 5. Le couvercle collecteur supérieur 4 est fermé à étanchéité sur sa base rectangulaire par la plaque collectrice supérieure 5. La boîte collectrice supérieure 3 est disposée en regard des extrémités des tubes 7 d'un faisceau de tubes. L'échangeur de chaleur 1 comprend également une boîte collectrice inférieure 13 constituée d'une plaque collectrice inférieure 15 fermée par un couvercle collecteur inférieur 14 également en matière thermoplastique renforcée. Cette boîte collectrice inférieure 13 est disposée en regard des autres extrémités des tubes 7 du faisceau de tubes. Cet échangeur de chaleur brasé 1 est destiné à être parcouru par un fluide tel que le fluide de refroidissement du moteur du véhicule. Le faisceau de tubes 7 est constitué de deux rangées RI et R2 de tubes, les tubes de chaque rangée étant disposés en alternance, suivant l'axe des rangées, avec des intercalaires 9 ondulés. Les intercalaires 9 s'étendent sur toute la longueur des tubes 7. La plaque collectrice supérieure 5 est munie de trous 10 formant une première rangée supérieure RS1 de trous recevant chacun l'extrémité d'un tube 7 de la rangée RI de tubes et formant une deuxième rangée supérieure RS2 de trous recevant chacun l'extrémité d'un tube 7 de la rangée R2 de tubes. Symétriquement par rapport à un plan horizontal, la plaque collectrice inférieure 15 est munie d'une première rangée inférieure RI1 de trous recevant chacun l'autre extrémité d'un tube 7 de la rangée R1 de tubes et d'une deuxième rangée inférieure RI2 de trous recevant chacun l'autre extrémité d'un tube 7 de la rangée R2 de tubes. Selon l'invention, les tubes 7 et les intercalaires 9 de la première rangée R1 sont disposés en quinconce avec les tubes 7 et les intercalaires 9 de la deuxième rangée R2. Les intercalaires 9 de la première rangée R1 sont distincts des intercalaires 9 de la deuxième rangée R2. Dans l'exemple, chaque rangée de tubes a un même pas de tubes p, correspondant au pas des rangées RS1, RS2, RI1, RI2 de trous. Un tube 7 de la rangée R1 de tubes est séparé des tube 7 les plus proches de la rangée R2 de tubes par une distance d déterminée suivant l'axe des rangées. Cette distance d est de p/2 dans l'exemple de réalisation proposé. Les tubes 7, auxquels sont brasés les intercalaires 9 à persiennes 19, sont parcourus par un fluide chaud. Ce fluide chaud est refroidi par une circulation d'air selon la flèche A à l'intérieur des ondulations des intercalaires 9. L'échange de chaleur est optimisé par la disposition des tubes selon l'invention. Dans la description, une direction axiale représente l'axe des rangées. La boîte collectrice supérieure 3 est divisée en une première chambre collectrice 31 et une deuxième chambre collectrice 32 dans lesquelles débouchent respectivement les tubes des rangées R1 et R2 de tubes. Ainsi, dans l'exemple, la boite collectrice supérieure 3 est munie d'une cloison verticale 11 disposée selon la direction axiale de façon à séparer l'extrémité des tubes de la rangée RI de l'extrémité des tubes de la rangée R2. Cette cloison 11 permet une circulation de fluide de type méthodique. Le fluide entrant dans l'échangeur de chaleur par une tubulure d'entrée arrive dans la première chambre collectrice 31. Le fluide parcourt ensuite les tubes 7 de la rangée R1 de tubes, arrive dans la boite collectrice inférieure 13 et passe dans les tubes 7 de la rangée R2 de tubes. Le fluide arrive alors dans la deuxième chambre collectrice 32 et sort finalement par la tubulure de sortie de la deuxième chambre collectrice. Ainsi, un premier passage dans les tubes 7 de la rangée R1 de tubes refroidit en partie le fluide. Un deuxième passage dans les tubes 7 de la rangée R2 de tubes permet un refroidissement supplémentaire du fluide. Les tubes 7 utilisés sont plats et sont placés de telle manière que leur plus petite dimension a se situe suivant l'axe des rangées. Dans un premier mode de réalisation, tous les intercalaires ont les mêmes dimensions. Ainsi, dans le cas d'une disposition en quinconce des tubes 7 et des intercalaires 9, des oreilles sont prévues sur les plaques collectrices supérieure et inférieure 5 et 15 afin de soutenir les intercalaires 9 dépassant de la base rectangulaire des couvercles collecteurs supérieur et inférieur 4 et 14. En d'autres termes, une oreille 12 est prévue sur la plaque collectrice supérieure 5 dans l'alignement de la rangée RS1 de trous. Symétriquement par rapport à un plan horizontal, une oreille 12 est prévue sur la plaque collectrice inférieure 15 dans l'alignement de la rangée RI1 de trous. Ces deux oreilles 12 supportent l'intercalaire situé en fin de rangée R1 de tubes. De même, une oreille 16 est prévue à l'autre extrémité de la plaque collectrice supérieure 5 dans l'alignement de la rangée RS2 de trous. Symétriquement par rapport à un plan horizontal, une oreille 16 est également prévue sur la plaque collectrice inférieure 15 dans l'alignement de la rangée RI2 de trous. Ces deux oreilles supportent l'intercalaire situé en fin de rangée R2 de tubes. A chaque extrémité axiale du faisceau de tubes, il est possible de rajouter une joue d'extrémité pliée 22 en forme de marche d'escalier pour épouser les surfaces latérales du faisceau de tubes et, le cas échéant, des plaques supérieure 5 et inférieure 15. En d'autres termes, cette joue d'extrémité peut s'étendre de l'extrémité axiale de la plaque collec- trice supérieure 5 à l'extrémité axiale correspondante de la plaque collectrice inférieure 15. La figure 3 illustre un mode de réalisation selon l'invention. Les oreilles 12 et 16 (représentées en pointillés) des plaques collectrices supérieure et inférieure 5 et 15 sont supprimées ainsi que les intercalaires soutenus par ces oreilles 12 et 16. Les plaques collectrices supérieure et inférieure ont une même forme rectangulaire dans laquelle sont délimitées les surfaces supérieure et inférieure du faisceau de tubes, les extrémités axiales de ces surfaces étant en forme de marche d'escalier. Ainsi, comme dans l'exemple précédent, à chaque extrémité axiale du faisceau de tubes, il est possible de rajouter une joue d'extrémité pliée 22 en forme de marche d'escalier pour épouser les surfaces latérales du faisceau de tubes. Chaque joue d'extrémité s'étend de la plaque collectrice supérieure 5 à la plaque collectrice inférieure 15 sans recouvrir ces plaques. Les joues d'extrémité sont attachées par brasage aux plaques collectrices supérieure et inférieure 5 et 15. Une autre variante selon l'invention est proposée figure 4. Comme dans le cas de la figure 3, les plaques collectrices supérieure et inférieure ont une forme rectangulaire, les oreilles 12 et 16 définies précédemment n'étant pas rajoutées aux plaques collectrices supérieure et inférieure 5 et 15. Dans cette réalisation, chaque intercalaire 29, qui était soutenu par ces oreilles dans la réalisation de la figure 2, est réduit à une dimension plus petite dans la direction axiale afin d'aligner le bord extérieur dudit intercalaire 29 parallèle à la plus grande dimension des tubes avec le bord extérieur de l'intercalaire adjacent situé dans une rangée adjacente de tubes. A chaque extrémité axiale du faisceau de tubes, il est possible de rajouter une joue d'extrémité plate 24 pour épouser les surfaces latérales du faisceau de tubes et des plaques collectrices supérieure 5 et inférieure 15. Le mode de réalisation de la figure 3 permet d'éviter de rajouter les oreilles 12 et 16 sur les plaques collectrices supérieure et inférieure 5 et 15. Ainsi, l'échangeur de chaleur brasé 1 garde sa forme parallélépipédique sans avoir les contraintes qu'engendrent les intercalaires à dimensions réduites en extrémité de rangées comme proposé dans la réalisation de la figure 4. Dans les modes de réalisation proposés, les échanges entre l'air et l'ensemble intercalaire-tubes sont améliorés par la disposition en quinconce des tubes de l'échangeur de chaleur brasé 1. Grâce à cette disposition, l'air qui passe d'abord par les ondulations des intercalaires de la deuxième rangée de tubes, correspondant au deuxième passage du fluide, arrive perpendiculairement au petit côté des tubes plats de la première rangée de tubes et s'écoule sur les surfaces externes des tubes. Conformément au sens de passage du fluide, les tubes de la deuxième rangée, donc les intercalaires correspondants, sont moins chauds que les tubes de la première rangée. Ainsi, l'air refroidit d'abord les intercalaires de la deuxième rangée de tubes, puis la surface externe des tubes de la première rangée. L'obstacle à l'écoulement de l'air que représentent les tubes de la première rangée provoque localement une perturbation de l'écoulement d'air, favorisant un échange thermique accru au contact de la surface externe des tubes de la première rangée. De plus, dans les modes de réalisation des figures 3 et 4, l'échangeur de chaleur brasé 1 garde sa forme parallélépipédique de façon à permettre une adaptation optimale de l'échangeur dans un boîtier non représenté. De manière connue, les tubes sont brasés aux plaques collectrices selon différentes configurations comme illustré dans les figures 5 et 6. Ainsi, la figure 5 montre un tube 7 fixé à une plaque collectrice par un collet 27 à bords relevés. Ce type de brasage propose une grande surface de contact. Selon une autre réalisation possible, la figure 6 montre un tube 7 fixé à une plaque collectrice par un collet 28 présentant une légère surélévation parallèle au reste de la plaque collectrice de façon à entourer le tube 7 de bord plat dont l'épaisseur est celle de la plaque collectrice. Cette variante de réalisation permet notamment de gagner de la place. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites précédemment à titre d'exemple, elle s'étend à d'autres variantes. Ainsi, on comprendra que l'échangeur de chaleur 1 selon l'invention peut comprendre plus de deux rangées de tubes. L'invention peut s'appliquer à un échangeur de chaleur brasé comportant au moins deux rangées de tubes et dont les tubes appartenant à une même rangée sont parcourus en série par le fluide. L'invention peut également s'appliquer à un échangeur de chaleur brasé à circulation de fluide en I comportant au moins deux rangées de tubes. Selon l'invention, il peut être utilisé toute technologie de tubes, par exemple des tubes extrudés, pliés, électrosoudés, formés. Afin d'améliorer les échanges thermiques entre l'air et les tubes, les tubes 7 peuvent présenter des enfoncements localisés répartis sur toute leur longueur. La description précédente a été effectuée pour un échangeur de chaleur dont les tubes sont orientés verticalement. Bien entendu, les tubes peuvent être orientés différemment. Revendications 1. Échangeur de chaleur comprenant des première et deuxième boîtes collectrices (3,13) comprenant des bases respectives tournées l'une vers l'autre munies chacune d'au moins une première et une deuxième rangée (RS1, RI1, RS2, RI2) de trous (10), ainsi qu'un faisceau de tubes (7) dont chacun est reçu dans des trous (10) en vis à vis des boîtes collectrices (3,13), les tubes étant ainsi disposés en au moins deux rangées de tubes (Rl, R2) et le faisceau comprenant en outre des intercalaires (9) ondulés disposés en alternance avec les tubes (7) dans l'axe des rangées et en contact thermique avec ces tubes, l'ensemble de ces éléments étant maintenus par brasage, caractérisé en ce qu'il existe un décalage (d) entre deux rangées (R1, R2) de tubes consécutives déterminé suivant l'axe des rangées, et en ce que les intercalaires (9) sont distincts pour chaque rangée de tubes. 2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux rangées (R1, R2) de tubes ont un même pas de tubes (p). 3. Échangeur de chaleur selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le décalage (d) est compris strictement entre 0 et un pas de tubes. 4. Échangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le décalage (d) est d'un demi-pas de tubes. 5. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'à chaque rangée de tubes est associé un intercalaire (29) de longueur axiale réduite à une extrémité axiale du faisceau de tubes de sorte que le faisceau de tubes présente une forme parallélépipédique délimitée par la base des boîtes collectrices (3,13) et en ce que le faisceau de tubes reçoit, à chaque extrémité axiale et de la première à la deuxième boîte collectrice, une joue d'extrémité plate (24). 6. Échangeur de chaleur selon l'une des revendication 1 à 4, caractérisé en ce que le faisceau de tubes se termine, à une extrémité axiale, par un tube (7) sur une rangée de tubes (RI) et par un intercalaire sur la rangée de tubes adjacente (R2), et inversement à l'autre extrémité axiale, de sorte que le faisceau de tubes ne dépasse pas de la base rectangulaire des boîtes collectrices (3,13). 7. Échangeur de chaleur selon l'une des revendication 1 à 4, caractérisé en ce que chaque base d'une boîte collectrice (3,13) est formée par une plaque collectrice (5,15) assemblée à un couvercle collecteur (4,14) pour former ladite boîte collectrice (3,13), chaque plaque collectrice étant munie d'une première oreille (12) à une extrémité axiale du faisceau de tubes en regard d'une rangée (Ri) de tubes et d'une deuxième oreille (16) à l'autre extrémité axiale du faisceau de tubes en regard de la rangée (R2) de tubes adjacente, chacune des première et deuxième oreilles étant destinée à soutenir un intercalaire d'extrémité (9). 8. Échangeur de chaleur selon les revendications 6 et 7, caractérisé en ce qu'une joue d'extrémité (22) est disposée à chaque extrémité axiale du faisceau de tube et est pliée en conformité de ladite extrémité axiale. 9. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau de tubes comportant deux rangées de tubes, la première boite collectrice (3) comprend une première chambre collectrice (31) comportant une tubulure d'entrée pour le fluide et communiquant avec la première rangée (Ri) de tubes ainsi qu'une deuxième chambre collectrice (32) comportant une tubulure de sortie pour le fluide et communiquant avec la deuxième rangée (R2) de tubes. 10. Échangeur de chaleur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la première chambre collectrice (31) est séparée de la deuxième chambre collectrice (32) par une cloison (11) suivant l'axe des rangées.