Brevet FR2853051A1 — publié le 20041001

L'invention concerne de façon générale les échangeurs de chaleur, et plus particulièrement un échangeur de chaleur qui peut servir de chauffe-eau et de refroidisseur de gaz. Le couche d'ozone et/ou les problèmes de réchauffement de la terre ont focalisé une attention considérable sur la nature des fluides réfrigérants utilisés dans des systèmes de réfrigération de divers types. Certains de ces systèmes, en particulier ceux ne comportant pas de groupes 10 compresseurs étanches, comme cela est souvent le cas dans des systèmes de climatisation d'air de véhicules, sont sujets à des fuites de fluide réfrigérant. Des fluides réfrigérants anciens, tels que le HFC 12, par exemple, sont considérés comme étant à l'origine d'une disparition de la 15 couche d'ozone, tandis que de nombreux fluides de remplacement, tels que le HCFC 134a, par exemple, sont considérés comme contribuant à ce qui est appelé "l'effet de serre" et donc au réchauffement de la terre. Des efforts considérables sont donc consacrés au 20 développement de systèmes de réfrigération utilisant des fluides réfrigérants transcritiques tels que le gaz carbonique. Le gaz carbonique est abondant dans l'atmosphère et peut en être obtenu par des techniques classiques et être utilisé en tant que frigorigène dans de 25 tels systèmes. Dans le cas o le C02 frigorigène fuit des systèmes, étant donné qu'il provient initialement de l'atmosphère, il ne provoque aucune augmentation nette du frigorigène dans l'atmosphère et n'aggrave donc pas la dégradation de l'environnement par suite de la fuite. Des systèmes de réfrigération transcritique, tels que des systèmes à C02, fonctionnent à des pressions relativement élevées et ont besoin d'un refroidisseur de gaz pour le frigorigène à la place d'un condenseur utilisé dans un système de réfrigération classique à compression de 35 vapeur. La chaleur rejetée par un refroidisseur de gaz peut être utilisée à diverses fins utiles et l'une de ces utilisations est le chauffage de l'eau potable à usage résidentiel, commercial ou industriel. La présente 5 invention vise principalement à procurer un ensemble combiné formé d'un chauffe-eau et d'un refroidisseur de gaz. L'objet principal de l'invention est de procurer un échangeur de chaleur nouveau et perfectionné. Un objet de 10 l'invention est plus particulièrement de procurer un échangeur de chaleur nouveau et perfectionné qui est particulièrement adapté à une utilisation en tant que refroidisseur de gaz dans un système de réfrigération et qui utilise la chaleur rejetée du courant gazeux refroidi 15 pour chauffer un liquide tel que de l'eau potable. Un exemple de forme de réalisation de l'invention réalise l'objet cidessus dans un échangeur de chaleur qui comprend un premier tube de section transversale globalement circulaire et d'un diamètre intérieur 20 relativement grand. Le premier tube est de forme générale en U avec des extrémités opposées adjacentes l'une à l'autre. Un second tube de section transversale circulaire, qui est relativement petite par rapport à la section transversale relativement grande du premier tube, est prévu 25 et comporte des extrémités opposées. Une configuration en hélice, ayant un diamètre extérieur approximativement égal au diamètre relativement grand du premier tube, est située entre les extrémités opposées du second tube. Des convolutions de la configuration en hélice peuvent être 30 espacées l'une de l'autre ou pourraient être en contact, et le second tube est placé à l'intérieur du premier tube de façon que les extrémités opposées du second tube fassent saillie à l'extérieur des extrémités opposées du premier tube. Des collecteurs creux sont enfichés de façon étanche 35 par le premier tube, à proximité immédiate de chacune des extrémités opposées, et un orifice situé dans le premier tube est adjacent à chaque extrémité opposée et est aligné et en communication de fluide avec l'un, correspondant, des collecteurs. Un chapeau est disposé de façon étanche sur chacune des extrémités opposées du premier tube et une 5 ouverture dans chaque chapeau est dimensionnée de façon à recevoir l'une, correspondante, des extrémités opposées du second tube pour permettre à celle, correspondante, des extrémités opposées de s'étendre au-delà du chapeau. Les chapeaux et chacune des extrémités opposées correspondantes 10 du second tube sont reliés de façon étanche au niveau de l'ouverture correspondante. Dans une forme, le premier tube présente des extrémités opposées et au moins un coude en forme de U entre les extrémités opposées. Dans une autre forme, le 15 premier tube comporte au moins deux coudes en forme de U entre les extrémités opposées. Dans une forme appréciée de réalisation, la configuration en hélice du second tube a un diamètre extérieur tel qu'il est en contact avec le diamètre 20 intérieur du premier tube. Chacun des collecteurs est avantageusement un tube dont le diamètre intérieur est plus grand que le diamètre extérieur du premier tube. Dans une forme appréciée de réalisation, chacun des 25 chapeaux comporte une paroi circulaire plate entourée d'un rebord cylindrique périphérique et reliée de façon étanche à l'extrémité opposée associée du premier tube, et l'ouverture est située dans la paroi circulaire plate. Dans une forme de réalisation de l'invention, chacun 30 des rebords sur les chapeaux est en appui de façon étanche contre la paroi intérieure du premier tube tandis que, dans une autre forme de réalisation, chaque rebord est en appui de façon étanche contre la paroi extérieure du premier tube. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est une vue en plan d'un échangeur de chaleur réalisé conformément à l'invention; la figure 2 est une élévation latérale partielle de l'échangeur de chaleur; la figure 3 est une vue en perspective d'un chapeau utilisé dans l'échangeur de chaleur; la figure 4 est une vue en coupe partielle d'une partie de l'échangeur de chaleur; la figure 5 est une vue partielle montrant une construction facultative pour l'échangeur de chaleur de la figure 1; et la figure 6 est une vue en plan quelque peu schématique d'une autre forme de réalisation de l'échangeur de chaleur selon l'invention. La présente invention sera décrite comme étant utile dans l'environnement d'un système de réfrigération 20 utilisant un frigorigène transcritique tel que le CC2. On doit cependant comprendre que l'échangeur de chaleur peut être utilisé dans d'autres applications d'un échange de chaleur n'impliquant pas de réfrigération et/ou de chauffage de l'eau, et peut trouver une utilisation dans des systèmes de réfrigération utilisant des frigorigènes classiques et/ou non transcritiques. Il n'est donc aucunement prévu d'être limité à un chauffe-eau/refroidisseur de gaz dans un système de réfrigération transcritique, sauf si cela est indiqué de 30 façon explicite. Compte tenu de ce qui précède, on décrira des exemples de formes de réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention, particulièrement adapté à une utilisation en tant que refroidisseur de gaz/chauffe-eau. En référence à 35 la figure 1, un tube allongé en forme de U, désigné de façon générale en 10, comporte des extrémités opposées 12 et 14 qui sont rapprochées l'une de l'autre par suite de la présence d'un tronçon coudé ou courbé 16 placé approximativement à mi-distance entre les extrémités 12 et 14 du tube 10. Le tube 10 est d'une section transversale 5 globalement circulaire et, s'il est réalisé sans le coude 16, est de forme cylindrique. Le tube 10 est avantageusement formé d'un métal tel que du cuivre ou de l'acier inoxydable, mais d'autres matières, y compris des matières non métalliques, pourraient être utilisées dans 10 certains cas pour former le tube 10. Le tube 10 comporte une paroi intérieure 18 de diamètre relativement grand ainsi qu'une paroi extérieure 20. Des ouvertures d'entrée et de sortie 22, 24, 15 respectivement, sont prévues dans le tube 10, à proximité immédiate des extrémités 12 et 14. Des collecteurs tubulaires 26 et 28 sont traversés par, respectivement, les extrémités 12 et 14 de manière à être alignés avec les ouvertures 22, 24 et reliés de façon étanche à la paroi 20 extérieure 20 du tube 10. On observera que les collecteurs 26, 28 sont avantageusement des tubes de section transversale globalement circulaire et d'un diamètre supérieur au diamètre extérieur de la paroi 20 du tube 10. Un second tube, désigné de façon générale en 30, de 25 section transversale circulaire et ayant un diamètre qui est relativement petit en comparaison avec le diamètre du premier tube 10, est contenu dans le tube 10. Le second tube 30 comporte des extrémités opposées 32, 34 et le tube 30 comporte des convolutions ou spires hélicoïdales 36 30 entre ses extrémités. Dans certaines applications, il peut être avantageux que les spires 36 soient espacées les unes des autres comme représenté sur la figure 1 alors que, dans d'autres applications, il peut être avantageux que les spires soient en appui les unes contre les autres, comme 35 montré sur la figure 5. Dans une forme appréciée de réalisation, le diamètre de l'hélice formant les spires 36 est essentiellement égal au diamètre intérieur du tube 10 en sorte que les spires 36 du tube 30 peuvent être en contact avec la paroi intérieure 18 du tube 10. Cependant, il n'est pas nécessaire qu'il en soit ainsi et, dans de 5 nombreux cas, le diamètre extérieur des spires 36 pourrait être considérablement inférieur au diamètre de la paroi intérieure 18 du tube 10. Les extrémités 32, 34 du second tube 30 sont relativement droites, comme on peut le voir sur le côté de 10 gauche de la figure 1, et s'étendent audelà des extrémités 12, 14 du premier tube 10 pour aboutir à l'intérieur de collecteurs tubulaires 38, 40. A cet effet, les collecteurs 38 et 40 présentent des ouvertures comme indiqué en 42, c'est-à-dire sont pourvus 15 d'un trou circulaire 42 d'un diamètre approximativement égal au diamètre extérieur des extrémités 32, 34 du second tube 30. Les interfaces des collecteurs 383 40 et les extrémités 32, 34 au niveau des ouvertures 42 sont scellées de façon étanche. Dans le cas habituel, le second tube 30 est formé d'un métal tel que du cuivre ou de l'acier inoxydable et présente une épaisseur de paroi suffisante, lorsqu'on considère la matière dont il est constitué, pour supporter les pressions de travail qui peuvent être substantielles 25 dans un système de réfrigération, en particulier un système de type transcritique. L'utilisation d'un métal en tant que matière pour former le tube 30 est préférée, car sa conductivité thermique est supérieure à celle d'autres matières telles que des matières plastiques. En ce qui concerne de nouveau le premier tube 10, ses extrémités 12 et 14 sont coiffées par des chapeaux 44. Les chapeaux 44 présentent une ouverture centrale 46 à travers laquelle les extrémités 32, 34 du second tube 30 passent et sont scellées de façon étanche. Un chapeau typique 44 est représenté en perspective sur la figure 3 et on voit qu'il comporte une base circulaire plate 48 dans laquelle l'ouverture centrale est située et qui est entourée par un rebord cylindrique périphérique 50. Dans une forme de réalisation, les chapeaux 44 sont conçus pour s'ajuster de façon étanche sur 5 et contre la surface extérieure 20 du premier tube 10. Dans ce cas, la surface intérieure 52 de chaque chapeau 54 a un diamètre égal au diamètre extérieur du tube 10, c'est-à-dire au diamètre de la surface extérieure 20 de la paroi du tube 10. Ce type d'agencement est représenté sur 10 les figures 1 et 2. Dans une autre forme de l'invention montré sur la figure 4, chaque chapeau 44 est pourvu, comme précédemment, d'une base centrale circulaire et plate 48 présentant une ouverture 46 à travers laquelle passe une extrémité 32, 34 15 du second tube 30. Dans ce cas, le chapeau 44 est introduit dans l'extrémité 12, 14 du premier tube 10 et la surface extérieure 56 du rebord 50 a un diamètre qui est approximativement égal du diamètre de la surface intérieure 18 du tube 10 afin que l'étanchéité puisse être réalisée 20 entre le chapeau 44 et le premier tube 10. Les diverses interfaces des constituants devant être rendues étanches, y compris l'interface entre les chapeaux 44 et les extrémités 12, 14 du premier tube 10 et les extrémités 32, 34 du tube, peuvent être rendues étanches 25 par des techniques de liaison connues. Par exemple, dans le cas o les constituants sont métalliques, des liaisons métallurgiques sont préférées, telles que celles réalisées par brasage ou même soudage. Dans certains cas, il est peut être souhaitable 30 d'utiliser plus d'un échangeur de chaleur ainsi décrit dans une structure unique. Dans ce cas, on peut utiliser la forme de l'invention représentée partiellement sur la figure 2. Dans cette forme de réalisation, deux ou plus de deux des structures venant d'être décrites sont utilisées 35 avec une seule paire de collecteurs 26, 28 et une seule paire de collecteurs 38, 40. Le nombre d'unités utilisées avec un jeu donné de collecteurs dépend évidemment de la capacité d'échange de chaleur souhaitée. Comme illustré, le collecteur 40 sert de collecteur d'entrée dans le second tube 30 tandis que le collecteur 38 5 sert de tube de sortie pour celui-ci. Le collecteur 26 sert de collecteur d'entrée pour le premier tube 10 tandis que le collecteur 28 sert de collecteur de sortie pour celui-ci. Par conséquent, les écoulements suivent les sens des flèches illustrées sur la figure 1 et on voit qu'un 10 écoulement à contrecourant pour un rendement maximal est obtenu. Cependant, si cela est souhaité, les positions d'entrée et de sortie des collecteurs 38, 40 ou des collecteurs 26, 28 pourraient être inversées pour obtenir un écoulement concourrant. Des chicanes, non représentées, 15 pourraient être placées dans les collecteurs afin d'établir un écoulement par passes multiples d'une façon classique si cela est souhaité. La transmission de la chaleur est avantageusement maximisée dans la structure du fait des spires hélicoïdales 20 36 et de leur écartement du second tube 30, à l'intérieur du premier tube 10. Cette configuration favorise une turbulence du fluide entrant dans le collecteur 26 et sortant du collecteur 28 à son passage dans le premier tube 10. La turbulence accrue augmente la vitesse de 25 transmission de la chaleur. En fabriquant les spires 36 afin qu'elles portent, au moins théoriquement, contre la surface intérieure 18 du tube 10, on élève au maximum la longueur du tube 30 dans le tube 10, maximisant ainsi l'aire de surface disponible pour 30 une transmission de la chaleur et améliorant en outre le rendement de transmission de la chaleur. L'utilisation de chapeaux tels que les chapeaux 44, soit dans la configuration montrée sur les figures 1 et 2, soit dans la configuration montrée sur la figure 4, procure 35 un moyen simple mais efficace d'obturation étanche des extrémités 12, 13 du premier tube 10 ainsi que du point d'entrée et de sortie du second tube 30 par rapport au premier tube 10 à l'aide d'une structure fabriquée de façon simple et peu coûteuse, réduisant ainsi le coût de l'échangeur de chaleur. Les ouvertures telles que celles représentées en 22, 24, 42, 46 ainsi que les ouvertures non référencées dans les collecteurs 26, 28, à travers lesquelles le premier tube 10 passe, peuvent être poinçonnées, et non usinées, abaissant ainsi à cet égard le coût de fabrication. La figure 6 est une représentation schématique d'une autre forme de réalisation d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention. Hormis les exceptions indiquées ci-dessous, tous les constituants de la forme de réalisation de la figure 6 et ses options sont les mêmes 15 que ceux décrits précédemment, les mêmes références numériques désignant les mêmes constituants. La forme de réalisation de la figure 6 diffère de celle décrite précédemment par le fait que le tube 10 comporte plusieurs coudes 16 en forme de U plutôt que le coude unique 18 20 représenté sur la figure 1. Alors que la forme de réalisation de la figure 6 est représentée avec deux coudes 16 en forme de U, dans certaines applications, plus de deux coudes peuvent être souhaitables, ou moins de deux coudes peuvent être souhaitables, suivant les exigences de 25 l'application particulière. L'utilisation de coudes multiples 16 permet une plus grande longueur des tubes 10 et 30 sans augmentation de la largeur de l'échangeur de chaleur. Comme on le voit sur la figure 6, si un nombre pair de coudes 16 est prévu, les extrémités 12 et 14 et les 30 extrémités 32 et 34 sont placées sur des côtés opposés de l'échangeur de chaleur, comme le sont les collecteurs associés 26, 28 et les collecteurs associés 38, 40, au lieu d'être placés sur le même côté que l'échangeur de chaleur lorsqu'un nombre impair de coudes 16 est utilisé comme sur 35 la figure 1. La possibilité d'utiliser plusieurs structures d'échange de chaleur avec un jeu unique de collecteurs offre un degré élevé de souplesse de conception pour une capacité donnée d'échange de chaleur, procurant ainsi une souplesse maximale de conception. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'échangeur de chaleur décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur, caractérisé en ce qu'il comporte un premier tube (10) de section transversale globalement circulaire et ayant un diamètre intérieur de 5 dimension relativement grande, ce premier tube étant de forme générale en U avec des extrémités opposées (12, 14) adjacentes l'une à l'autre; un second tube (30) ayant une section transversale circulaire qui est relativement petite par rapport à la dimension relativement grande et 10 présentant des extrémités opposées (32, 34) et, entre ces extrémités opposées, une configuration hélicoïdale d'un diamètre extérieur approximativement égal ou inférieur à cette dimension relativement grande; la configuration hélicoïdale du second tube étant placée à l'intérieur du 15 premier tube, les extrémités opposées faisant saillie à l'extérieur des extrémités opposées du premier tube; des collecteurs creux (26, 28) traversés de façon étanche par ledit premier tube à proximité immédiate de chacune des extrémités opposées du premier tube; un orifice (22, 24) 20 dans le premier tube, à proximité immédiate de chaque extrémité opposée et en alignement et en communication de fluide avec l'un, correspondant, des collecteurs; un chapeau (44) monté de façon étanche sur chacune des extrémités opposées du premier tube; et une ouverture (46) 25 dans chaque chapeau, dimensionnée de façon à recevoir l'une, correspondante, des extrémités opposées du second tube et à lui permettre de s'étendre au-delà du chapeau; les chapeaux et chacune, correspondante, des extrémités opposées du second tube étant reliés de façon étanche entre 30 eux au niveau de l'ouverture correspondante. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre extérieur de la configuration hélicoïdale est en contact avec le diamètre intérieur du premier tube. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacun des collecteurs est un tube d'un diamètre intérieur supérieur au diamètre extérieur du premier tube. 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des collecteurs est un tube 5 d'un diamètre intérieur supérieur au diamètre extérieur du premier tube. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque chapeau comporte une paroi circulaire plate (48) entourée par un rebord cylindrique 10 périphérique (50) monté de façon étanche sur l'extrémité opposée associée du premier tube, et l'ouverture est située dans la paroi circulaire plate. 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque rebord est en appui étanche 15 contre la paroi intérieure du premier tube. 7. Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque rebord est en appui étanche contre la paroi extérieure du premier tube. 8. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que des spires (36) de la configuration hélicoïdale sont espacées les unes des autres. 9. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que des spires (36) de la configuration hélicoïdale sont en appui les unes contre les autres. 10. Echangeur de chaleur caractérisé en ce qu'il comporte un premier tube (10) de section transversale globalement circulaire et ayant un diamètre intérieur de dimension relativement grande, le premier tube ayant des extrémités opposées (12, 14) et au moins un coude (16) en 30 forme de U entre les extrémités opposées; un second tube (30) ayant une section transversale circulaire qui est relativement petite par rapport à la dimension relativement grande et des extrémités opposées (32, 34), et qui est, entre les extrémités opposées, d'une configuration 35 hélicoïdale ayant un diamètre extérieur approximativement égal ou inférieur à la dimension relativement grande; la configuration hélicoïdale du second tube étant placée à l'intérieur du premier tube de façon que les extrémités opposées fassent saillie à l'extérieur des extrémités opposées du premier tube; des collecteurs creux (26, 28) 5 traversés de façon étanche par le premier tube, à proximité immédiate de chacune des extrémités opposées de ce premier tube; un orifice (22, 24) dans le premier tube, à proximité immédiate de chacune de ces extrémités opposées et en alignement et en communication de fluide avec l'un, 10 correspondant, des collecteurs; un chapeau (44) monté de façon étanche sur chacune des extrémités opposées du premier tube; et une ouverture (46) dans chaque chapeau, dimensionnée de façon à recevoir l'une, correspondante, des extrémités opposées du second tube et à permettre à cette 15 extrémité correspondante de s'étendre au-delà du chapeau, lesdits chapeaux et chacune, correspondante, des extrémités opposées du second tube, étant reliés de façon étanche entre eux au niveau de l'ouverture correspondante. 11. Echangeur de chaleur selon la revendication 10, 20 caractérisé en ce que le diamètre extérieur de la configuration hélicoïdale est en contact avec le diamètre intérieur du premier tube. 12. Echangeur de chaleur selon la revendication 11, caractérisé en ce que chacun des collecteurs est un tube 25 d'un diamètre intérieur supérieur au diamètre extérieur du premier tube. 13. Echangeur de chaleur selon la revendication 10, caractérisé en ce que chacun des collecteurs est un tube d'un diamètre intérieur supérieur au diamètre extérieur du 30 premier tube. 14. Echangeur de chaleur selon la revendication 10, caractérisé en ce que chaque chapeau comporte une paroi circulaire plate (48) entourée par un rebord cylindrique périphérique (50) qui est relié de façon étanche à 35 l'extrémité opposée associée du premier tube, et l'ouverture est située dans la paroi circulaire plate. 15. Echangeur de chaleur selon la revendication 14, caractérisé en ce que chaque rebord est en appui de façon étanche contre la paroi intérieure du premier tube. 16. Echangeur de chaleur selon la revendication 14, 5 caractérisé en ce que chaque rebord est en appui de façon étanche contre la paroi extérieure du premier tube. 17. Echangeur de chaleur selon la revendication 10, caractérisé en ce que des convolutions (36) de la configuration hélicoïdale sont espacées les unes des 10 autres. 18. Echangeur de chaleur selon la revendication 10, caractérisé en ce que des convolutions (36) de la configuration hélicoïdale sont en appui les unes contre les autres. 19. Echangeur de chaleur selon la revendication 10 caractérisé en ce que le premier tube comporte au moins deux coudes en forme de U entre les extrémités opposées.