Brevet FR2856786A1 — publié le 20041231

Raccord à section progressive pour un échangeur de chaleur, notamment de véhicule automobile L'invention se rapporte au domaine des échangeurs de chaleur, notamment pour véhicules automobiles. Plus précisément l'invention concerne un raccord pour un échangeur de chaleur, comportant une section d'entrée sensiblement circulaire ayant un centre et un diamètre et une section de répartition débouchant dans une boîte collectrice de l'échangeur de chaleur. Les échangeurs de chaleur comprennent généralement un faisceau d'échange de chaleur constitués de tubes disposés parallèlement entre eux. A chacune des extrémités des tubes on trouve une boîte collectrice d'entrée et une boîte collectrice de sortie pour l'entrée et la sortie d'un liquide caloporteur qui circule dans les tubes du faisceau en échangeant de la chaleur avec un autre fluide. Le liquide caloporteur est introduit dans la boîte collectrice d'entrée par une tubulure d'entrée. Il est évacué de la boîte collectrice de sortie par une tubulure de sortie. Dans les échangeurs connus actuellement, la tubulure d'entrée et la tubulure de sortie présentent une section circulaire constante de telle sorte que la variation de section au niveau du raccordement de la tubulure d'entrée et de la tubulure de sortie avec respectivement la boîte collectrice d'entrée et la boîte collectrice de sortie est soit abrupte, soit très progressive. Dans le cas où la variation est abrupte, il en résulte une perte de charge importante et une mauvaise répartition de la pression du liquide caloporteur dans les boîtes collectrices, et donc du débit dans les tubes qui débouchent dans ces boîtes collectrices.Dans le cas où cette variation est très progressive, il en résulte un encombrement extérieur de la boîte collectrice, qui est important, et l'équilibrage des débits entre les tubes situés dans la zone de variation et ceux situés hors de cette zone est difficile à réaliser pour une large plage de débits traversant l'échangeur. L'invention a précisément pour objet un raccord pour un échangeur de chaleur, notamment de véhicule automobile, qui remédie à ces inconvénients. Ces buts sont atteints par le fait que la section de répartition du raccord possède une forme allongée ayant un grand axe dont la longueur est supérieure au diamètre de la section d'entrée et un petit axe dont la longueur est inférieure au diamètre de la section d'entrée, la section d'entrée se raccordant à la section de répartition par une forme convergente dans un plan perpendiculaire au plan de la section de répartition et contenant le petit axe de la section de répartition et par une forme divergente dans un plan perpendiculaire au plan de la section de répartition et contenant le grand axe de la section de répartition. Grâce à cette variation progressive de section, on évite une transition brutale entre la forme circulaire de la canalisation de circulation du liquide raccordée à la section d'entrée du raccord et la section de répartition par laquelle le liquide pénètre dans la boîte collectrice. Le raccord de l'invention s'applique plus particulièrement à la boîte collectrice d'entrée de l'échangeur mais il doit être entendu qu'il peut être également appliqué à la boîte collectrice de sortie. Grâce à la variation progressive de la section du raccord, la perte de charge du liquide est diminuée. En outre, la répartition de la pression dans la boîte collectrice est optimisée. Dans une réalisation particulière, une première et une seconde génératrices du raccord, contenues dans un plan perpendiculaire au plan de la section de répartition et contenant le petit axe de la section de répartition, font respectivement un premier et un second angle de convergence avec un axe perpendiculaire au plan de la section de répartition. De la même manière, une première et une seconde génératrice du raccord, contenues dans un plan perpendiculaire au plan de la section de répartition et contenant le grand axe de la section de répartition, font respectivement un premier et un second angle de divergence avec un axe perpendiculaire au plan de la section de répartition. Si la longueur du raccord est importante, la chute de pression dans ce raccord sera élevée en raison des forces de frottement du fluide par viscosité le long des parois du raccord. Si au contraire le raccord est court, la chute de pression sera importante en raison de la variation abrupte de la section du raccord. C'est pourquoi, conformément à une caractéristique préférée de l'invention, l'un au moins des premier et second angles de convergence est de préférence compris entre 18[deg] et 53[deg]. Dans une réalisation particulièrement avantageuse, ces angles sont compris entre 20[deg] et 30[deg]. De la même manière, le premier et le second angle de divergence sont avantageusement compris entre 18[deg] et 53[deg]. Dans une réalisation particulièrement avantageuse, ces angles sont compris entre 20[deg] et 30[deg]. Dans une réalisation particulière le plan perpendiculaire au plan de la section de répartition et contenant le petit axe de la section de répartition présente un décalage avec un plan perpendiculaire au plan de la section d'entrée et passant par le centre de cette section d'entrée, décalage qui est au plus égal à 77,5% du diamètre de la section d'entrée. Avantageusement, le décalage est au plus égal à 55% du diamètre de la section d'entrée. De la même manière, le plan perpendiculaire au plan de la section de répartition et contenant le grand axe de la section de répartition présente un décalage avec un plan perpendiculaire au plan de la section d'entrée et passant par le centre de cette section d'entrée, décalage qui est au plus égal à 77,5% du diamètre de la section d'entrée. Avantageusement, le décalage est au plus égal à 55% du diamètre de la section d'entrée. Dans un mode de réalisation particulier, la section de répartition présente la forme d'un rectangle prolongé par un demi-cercle disposé à chacun de ses petits côtés. Dans un autre mode de réalisation, les angles de ce rectangle sont arrondis afin de faciliter leur formage par emboutissage. Dans une variante de réalisation, le raccord est constitué par une tubulure rapportée sur la boîte collectrice de l'échangeur. Dans une autre variante de réalisation, le raccord est formé par les parois de la boîte collectrice. Avantageusement la boîte collectrice est constituée de deux demi coquilles. Avantageusement, en outre, la boîte collectrice est en aluminium brasé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées. Sur ces figures : - la figure 1 est une vue en élévation d'un échangeur de chaleur comportant une tubulure d'entrée conforme à l'art antérieur, dans le cas d'un raccord encombrant ; - la figure 2 est une vue partielle en élévation d'un autre échangeur de chaleur de l'art antérieur comportant une tubulure d'entrée avec variation de section abrupte ; - la figure 3 est une vue en perspective d'un mode de réalisation d'un raccord conforme à l'invention ; - la figure 4 est une vue schématique en perspective illustrant une variante de réalisation d'un raccord conforme à l'invention ;- la figure 5 est une vue en perspective illustrant encore une autre variante de réalisation d'un raccord conforme à l'invention ; - la figure 6 est une vue en section longitudinale d'un raccord comportant un décalage ; - la figure 7 est un graphique qui représente la perte de charge et le rapport des vitesses du liquide caloporteur en fonction de l'angle d'entrée ; - la figure 8 est un graphique qui représente la chute de pression ou perte de charge du liquide caloporteur en fonction du décalage entre la section d'entrée et la section de répartition ; et la figure 9 est une représentation schématique d'un échangeur de chaleur comportant une boite collectrice réalisée en deux parties et munie d'un raccord selon l'invention. On a représenté sur la figure 1 une vue en élévation, partiellement en coupe, d'un échangeur de chaleur comportant des tubulures d'entrée et de sortie de section constante et conforme à l'art antérieur. L'échangeur de chaleur comporte un faisceau d'échange de chaleur désigné par la référence générale 2 constitué de tubes aplatis 4 entre lesquels sont disposés des intercalaires ondulés 6. A une extrémité, les tubes 4 sont raccordés à une boîte collectrice d'entrée désignée dans son ensemble par la référence 8 et, à leur autre extrémité, à une boîte collectrice de sortie désignée par la référence 10. Les boîtes 8 et 10 comprennent chacune une plaque collectrice 12 comportant des trous dans lesquels sont introduits les extrémités des tubes 4. Un couvercle 14 est ajusté sur chacune des plaques collectrices 12 afin de constituer une boîte fermée et étanche pour le liquide de refroidissement. Les boîtes collectrices 8 et 10 comportent une extrémité élargie 8a, 10a à laquelle sont raccordées respectivement une tubulure d'entrée 16 et une tubulure de sortie 18. Comme on peut le constater sur la figure 1, les tubulures 16 et 18 présentent une section constante de telle sorte que la variation de section est importante lorsque le liquide pénètre dans la partie 8a de la boîte collectrice 8. De la même manière, la variation de section est importante lorsque le liquide de refroidissement quitte la boîte collectrice de sortie 10 pour pénétrer dans la tubulure de sortie 18. Une brusque variation de pression entraîne une perte de charge singulièrement élevée, laquelle pénalise la performance globale de l'échangeur de chaleur. Le raccord d'entrée (tubulure d'entrée) occupe une longueur importante de le boîte collectrice, ce qui est susceptible d'augmenter son encombrement. Les mêmes inconvénients sont présentés par l'échangeur de chaleur de la figure 2 dans lequel les tubulures 16 d'entrée et 18 de sortie débouchent dans les boîtes collectrices 8 et 10 en constituant respectivement des raccords d'entrée et de sortie abrupts. On a représenté sur la figure 3 une vue en perspective d'un raccord conforme à la présente invention. Il comporte une section d'entrée 20 et une section de répartition 22. La section d'entrée 20 présente une forme circulaire de centre M et de diamètre D. Un trièdre tri-rectangle X, Y, Z est attaché à la section d'entrée 20. Les axes X, Y sont situés dans le plan du cercle de la section d'entrée. L'axe Z passe par le centre M du cercle et il est perpendiculaire au plan de la section d'entrée. La section d'entrée 20 est destinée à être raccordée à une canalisation circulaire de circulation de liquide, également appelée "durite" (marque déposée), par exemple au moyen d'un collier de serrage (non représenté). La section de répartition 22 débouche dans la boîte collectrice de l'échangeur de chaleur auquel elle est destinée. Elle présente une forme allongée. Dans l'exemple représenté, la forme allongée est constituée par un rectangle prolongé, sur chacun de ses petits côtés, par un demi-cercle. On a désigné par la lettre M le centre du rectangle (correspondant à l'intersection de ces diagonales). La section allongée 22 comporte un grand axe 24 et un petit axe 26. La longueur du grand axe correspond à la longueur du rectangle augmentée du diamètre du cercle raccordé à chacun des petits côtés. Dans l'exemple, la longueur du grand axe a été désignée par la lettre 1. De la même manière, la section de répartition 22 comporte un petit axe. Dans l'exemple, la longueur du petit axe est égale à la longueur de chacun des petits côtés du rectangle.Dans l'exemple, la longueur du petit axe est égale à h. Sur la figure 1, on a représenté la distance du centre n à l'un des grands côtés du rectangle. Cette distance est désignée par h/2. Un trièdre tri-rectangle X' Y', Z' est attaché à la section de répartition 22. Les axes X' et Y' sont contenus dans le plan de la section de répartition 22. L'axe Z' est perpendiculaire à ce plan. Dans l'exemple particulier représenté sur la figure 3, l'axe X' est parallèle à l'axe X et l'axe Y' est parallèle à l'axe Y. En outre, les axes Z et Z' sont confondus. En d'autres termes, l'axe de la section d'entrée 20 est le même que celui de la section de distribution 22. Le plan de la section d'entrée et le plan de la section de distribution sont distants l'un de l'autre d'une distance désignée par la lettre L. Cette distance correspond à la longueur du raccord. Le raccord de la figure 3 présente une forme convergente dans un plan perpendiculaire au plan X', N, Y' de la section de répartition 22 et contenant le petit axe 26 de cette section de répartition 22. Il présente une forme divergente dans un plan X', N, Z'perpendiculaire au plan de la section de répartition 22 et contenant le grand axe 24 de la section de répartition. Plus précisément, une génératrice 28 située dans le plan perpendiculaire à la section de répartition et contenant le petit axe 26 fait un angle fil avec l'axe Z' et, de la même manière, une génératrice 30 contenue dans le plan perpendiculaire à la section de répartition et contenant le grand axe 24 fait un angle al avec l'axe Z'. Dans ce qui suit, l'angle fil est appelé angle de convergence et l'angle al angle de divergence.Une autre génératrice (non représentée), diamétralement opposée par rapport à la génératrice 28, fait également un angle de convergence beta 2 avec l'axe Z' (et par conséquent avec l'axe Z) et une génératrice diamétralement opposée à la génératrice 30 (non représentée) fait un angle de divergence a2 avec les axes Z' et Z. Par la suite la variable "a" désigne la mesure de l'un au moins des angles al et a2, et la variable "beta " désigne la mesure de l'un au moins des angles fil et beta 2. Conformément à l'invention l'angle de divergence a et l'angle de convergence /? sont compris entre 18[deg] et 53[deg] et, de préfé rence, entre 20[deg] et 30[deg]. Il a été en effet observé que cette fourchette de valeur permet de réduire au maximum les pertes de charge tout en améliorant la répartition de la pression dans la boîte collectrice. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 3, l'axe Z de la section d'entrée 20 et l'axe Z' de la section de répartition 22 sont coaxiaux. Au contraire, dans l'exemple représenté sur la figure 4, les axes Z et Z' sont parallèles et la distance qui les sépare a été désignée par la référence Dl. Dans ce qui suit, la distance D1 est appelée décalage. Elle correspond au décalage qui existe, dans le plan P1 perpendiculaire au plan de la section de répartition 22 et contenant le petit axe 26 de la section de répartition 22, entre la projection M' du centre du cercle 20 sur le plan de la section de répartition 22 et le centre N de la section de répartition. La valeur du décalage Dl est un paramètre important pour l'optimisation du raccord comme on l'expliquera plus en détail ultérieurement. On observe en outre, sur la figure 4, qu'il existe deux valeurs de l'angle de divergence beta . En effet, l'une des génératrices 28a fait un angle de divergence fil avec l'axe Z' (et également avec l'axe Z qui lui est parallèle) tandis que l'autre génératrice 28b fait un angle beta 2 avec les axes Z et Z'. C'est l'existence du décalage D1 qui explique que les angles de convergence fil et beta 2 soient différents. Dans l'exemple de la figure 3, le décalage est égal à zéro de telle sorte qu'il n'existe qu'une valeur de l'angle de convergence beta . On a représenté sur la figure 5 une vue schématique en perspective d'une troisième variante de réalisation d'un raccord conforme à l'invention. Dans cette variante, il existe un décalage D2 entre les axes Z et Z' dans un plan P2 perpendiculaire au plan P1 de la section de répartition 22 et contenant le grand axe 24 de la section de répartition 22. En conséquence, dans ce mode de réalisation, ce sont les angles de divergence al et a2 entre les génératrices 30a et 30b et les axes Z et Z' qui sont différents. Cette différence s'explique par la présence du décalage D2. Dans la réalisation de la figure 3, le décalage D2 est égal à zéro de telle sorte qu'il n'existe qu'une seule valeur de l'angle de divergence a.La valeur du décalage D2, comme celle du décalage D1 est un paramètre important pour l'optimisation de la perte de charge et de la répartition du liquide dans la boîte collectrice de l'échangeur. Bien entendu, on peut envisager, sans sortir du cadre de l'invention, d'autres formes de réalisation comprenant à la fois un décalage Dl dans le plan P1 et un décalage D2 dans le plan D2. On peut en outre envisager que les axes Z et Z' ne soient pas parallèles entre eux, ce qui se traduirait par le fait que les plans de la section d'entrée 20 et de la section de répartition 22 ne seraient pas parallèles. On a représenté sur la figure 6 une vue en section longitudinale d'un raccord conforme à l'invention. Dans cet exemple, la section d'entrée 20 est précédée d'une manchette 34 et la section de répartition 22 est prolongée par une manchette 36. Le décalage Dl, dans le plan P1 perpendiculaire aux plans de la section d'entrée 20 et de la section de répartition 22 entre le centre M du cercle formant la section d'entrée 20 et le centre N de la section de répartition 22 est égal à D/2(h/2+L.tg fil). Dans cette formule, comme on l'a expliqué précédemment, la lettre D désigne le diamètre de la section d'entrée 20, la lettre h désigne la longueur du petit axe de la section de répartition 22 et la lettre L désigne la distance entre les axes X et X'. La figure 7 est un graphique qui illustre la perte de charge ( P) et le rapport des vitesses (V max/V entrée) dans le raccord de l'invention en fonction de l'angle d'entrée. Par angle d'entrée, on entend l'angle de convergence /3 (ou éventuellement, les angles de convergences fil et beta 2) et l'angle de divergence a (ou éventuellement les angles de divergence al et a2). La perte de charge a été représentée par la courbe en trait plein. Si le raccord est long, c'est-à-dire si l'angle d'entrée est inférieur à 18[deg], la perte de charge est acceptable mais la longueur du raccord est trop importante par rapport aux contraintes d'encombrement imposées pour l'échangeur. Lorsque l'angle d'entrée augmente, la longueur du raccord diminue, ce qui est favorable en terme d'encombrement mais la perte de charge augmente. On considère que cette perte de charge reste acceptable jusqu'à une valeur de l'angle d'entrée égale à 53[deg], qui correspond à une augmentation de 50 % de la perte de charge par rapport à la perte de charge minimale correspondant à un angle d'entrée de 18[deg]. audelà de 53 [deg], la perte de charge est jugée trop importante.Par suite, du point de vue des contraintes d'encombrement et de perte de charge, on retient conformément à l'invention une fourchette d'angle d'entrée comprise entre 18[deg] et 53[deg]. En ce qui concerne la vitesse du fluide dans le raccord, afin d'éviter un phénomène d'érosion, il est important de ne pas constater des vitesses locales supérieures à 6 m/seconde. Cette vitesse maximum est obtenue pour un débit correspondant à une vitesse d'entrée de 3m/seconde environ. Ceci correspond au maximum rencontré dans les échangeurs de chaleur utilisés dans les boucles de refroidissement de véhicules automobiles. En conséquence, la contrainte de limitation de la vitesse locale ne conduit pas à une limitation supplémentaire de la fourchette de l'angle d'entrée. Par suite, du point de vue de la compacité et de la perte de charge, le meilleur compromis est d'avoir un angle d'entrée compris entre 18[deg] et 53[deg]. Comme on l'a expliqué précédemment, le décalage Dl et le décalage D2, respectivement dans les plans P1 et P2 perpendiculaires au plan de la section d'entrée et contenant le petit axe 26 et le grand axe 24 de la section d'entrée 22 sont des paramètres importants pour l'optimisation du raccord de l'invention. On a représenté sur la figure 8 la perte de charge dans le raccord en fonction du décalage Dl ou D2 exprimé en pourcentage du diamètre D de la section d'entrée 20. Pour un décalage nul (0 % du diamètre D de la section d'entrée) la perte de charge est nulle. Lorsque le décalage D augmente, la perte de charge augmente également de manière d'abord insensible jusqu'à 20 % environ, puis plus rapidement au-delà de cette valeur. On considère que l'augmentation maximale admissible de la perte de charge est de 50 %. En d'autres termes, on accepte une perte de charge supérieure de 50 % à la perte de charge minimum constatée pour un décalage égal à 0. Pour cette valeur, le décalage est égal à 77,5 % du diamètre D de la section d'entrée 20. On a représenté sur la figure 9 une vue schématique d'une boîte collectrice d'entrée 8 constituée de deux demi-coquilles 8a et 8b. La demi-coquille 8b comporte des ouvertures allongées dans lesquelles les extrémités des tubes 4 du faisceau d'échange de chaleur 2 sont introduites. La demicoquille 8a ferme la boîte collectrice. Les deux demicoquilles 8a et 8b sont raccordées par un plan de joint 40. Le raccord de l'invention, désigné par la référence 42 est introduit entre deux échancrures des boîtes collectrices 8a et 8b. L'échangeur de chaleur peut être réalisé entièrement en aluminium, y compris les boîtes collectrices 8a, 8b et le raccord 42. Par conséquent, il peut être brasé en une seule opération dans un four de brasage en même temps que les tubes 4 et les intercalaires ondulés 6. Dans les exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, le raccord de l'invention est constitué par une tubulure constituant une pièce distincte de la boîte collectrice 8 et de la boîte collectrice 10. Toutefois, dans un autre mode de réalisation, la variation de section progressive du raccord de l'invention peut être intégrée directement à la forme de la boîte collectrice. L'invention trouve une application particulière aux échangeurs de chaleur de véhicules automobiles, par exemple aux radiateurs de refroidissement des moteurs thermiques de véhicules automobiles. Revendications 1. Raccord pour un échangeur de chaleur, notamment pour un échangeur de chaleur de véhicule automobile, comprenant une section d'entrée (20) sensiblement circulaire ayant un centre (M) et un diamètre (D) ; une section de répartition (22) débouchant dans une boîte collectrice (8) de l'échangeur de chaleur, caractérisé en ce que la section de répartition (22) possède une forme allongée ayant un grand axe (24) supérieur au diamètre de la section d'entrée (20) et un petit axe (26) inférieur au diamètre de la section d'entrée (20), la section d'entrée (20) se raccordant à la section de répartition (22) par une forme convergente dans un plan (Pl) perpendiculaire au plan de la section de répartition (22) et contenant le petit axe (26) de la section de répartition et par une forme divergente dans un plan (P2)perpendiculaire au plan de la section de répartition (22) et contenant le grand axe de la section de répartition. 2. Raccord selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une première et une seconde génératrices (28) du raccord contenues dans le plan (P1) perpendiculaire au plan de la section de répartition et contenant le petit axe (26) de la section de répartition font respectivement un premier et un second angles de convergence (fil, fil) avec un axe (Z') perpendiculaire au plan de la section de répartition. 3. Raccord selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'un au moins des premier et second angles de convergence (fil, beta 2) est compris entre 18[deg] et 53[deg]. 4. Raccord selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier et le second angles de convergence (fil, beta 2) sont compris entre 20[deg] et 30[deg]. 5. Raccord selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une première et une seconde génératrices (30) du raccord, contenues dans un plan (P2) perpendiculaire au plan de la section de répartition et contenant le grand axe (24) de la section de répartition (22), font respectivement un premier et un second angles de divergence (al, a2) avec un axe (Z') perpendiculaire au plan de la section de répartition (22). 6. Raccord selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier et le second angles de divergence (al et a2) sont compris entre 18[deg] et 53[deg]. 7. Raccord selon la revendication 6, caractérisé en ce que le premier et le second angles de divergence (al et a2) sont compris entre 20[deg] et 30[deg]. 8. Raccord selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le plan (P2) perpendiculaire au plan de la section de répartition et contenant le grand axe (24) de la section de répartition présente un décalage (Dl) avec un plan perpendiculaire au plan de la section d'entrée (20) et passant par le centre (M) de cette section d'entrée, décalage qui est au plus égal à 77,5 % du diamètre de la section d'entrée. 9. Raccord selon la revendication 8, caractérisé en ce que le décalage est au plus égal à 55% du diamètre de la section d'entrée (20). 10. Raccord selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le plan (P1) perpendiculaire au plan de la section de répartition (22) et contenant le petit axe (26) de la section de répartition présente un décalage (D2) avec un plan perpendiculaire au plan de la section d'entrée (20) et passant par le centre (M) de cette section d'entrée, décalage qui est au plus égal à 77,5 % du diamètre de la section d'entrée. 11. Raccord selon la revendication 10, caractérisé en ce que le décalage est au plus égal à 55% du diamètre de la section d'entrée. 12. Raccord selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la section de répartition (22) présente la forme d'un rectangle prolongé par un demi-cercle disposé à chacun de ces petits côtés. 13. Raccord selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la section de répartition (22) présente la forme d'un rectangle dont les angles sont arrondis. 14. Raccord selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il est constitué par une tubulure rapportée sur la boîte collectrice (8, 10) de l'échangeur de chaleur. 15. Raccord selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il est formé par les parois de la boîte collectrice (8, 10). 16. Raccord selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que la boîte collectrice (8, 10) est constituée de deux demi-coquilles (8a, 8b). 17. Echangeur de chaleur comportant un raccord selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'il est entièrement réalisé en aluminium et en ce qu'il est brasé en une seule opération.