Brevet FR2857439A1 — publié le 20050114

DESCRIPTION La présente invention se rapporte d'une manière générale aux échangeurs de chaleur. Plus spécifiquement, la présente invention se rapporte aux ailettes des échangeurs de chaleur. Les échangeurs de chaleur sont utilisés dans de nombreux types d'industries. Par exemple, les échangeurs de chaleur équipés d'ailettes à persienne sont couramment utilisés dans l'industrie automobile, en particulier, dans de nombreux échangeurs de chaleur air-liquide, airréfrigérant et air-air. Pour fournir les capacités de transfert thermique requises dans ces applications, les échangeurs de chaleur sont habituellement de grande taille et, par conséquent, ne conviennent pas aux situations où la place est comptée. En outre, leur fabrication est coûteuse en raison de leur grande taille. Bien que ces grands échangeurs de chaleur remplissent correctement la fonction pour laquelle ils ont été créés, les constructeurs d'équipements d'origine demandent désormais des échangeurs de chaleur miniaturisés pour des raisons de réduction de coûts et de compacité. Malheureusement, les échangeurs de chaleur de plus petite taille sont moins efficaces que leurs homologues de grande taille et, par conséquent, ils ne répondent pas aux exigences requises en matière de transfert thermique. Compte tenu de ce qui précède, on constate qu'il existe un besoin d'échangeur de chaleur amélioré compact et doté de capacités de transfert thermique renforcées. Afin de répondre à ce besoin, la présente invention propose une ailette d'échangeur de chaleur pour véhicule, caractérisée en ce qu'elle comprend: une pluralité de persiennes ou ouïes espacées entre elles, l'espacement des persiennes adjacentes définissant un jeu entre elles, l'une au moins des persiennes ou ouïes parmi la pluralité de persiennes ou ouïes étant une persienne ou ouïe génératrice de vortex munie d'au moins un générateur de mini-vortex, le générateur de mini-vortex étant une protubérance dépassant d'un bord externe de la persienne ou ouïe génératrice de vortex, le générateur de mini-vortex créant une paire de tourbillons tournant à contresens dans un fluide lorsque ce dernier rencontre le générateur de mini-vortex. Cette ailette peut, en outre, présenter l'une, plusieurs ou l'ensemble des caractéristiques additionnelles suivantes: la proportion de persiennes ou ouïes génératrices de vortex par rapport aux persiennes ou ouïes non génératrices de vortex est comprise entre 20 % et 50 % environ; la persienne ou ouïe génératrice de mini-vortex est positionnée vers l'avant de l'ailette faisant face au fluide entrant; la protubérance est inclinée d'un certain angle par rapport à une partie plane de la persienne ou ouïe génératrice de vortex; la protubérance a une forme triangulaire avec une base et une hauteur ou longueur. Surmontant les inconvénients mentionnés ci-dessus, ainsi que d'autres, la présente invention fournit donc une ailette d'échangeur de chaleur qui intègre une ou plusieurs persiennes génératrices de vortex. L'ailette fournit des performances de transfert thermique améliorées avec l'utilisation de persiennes génératrices de vortex, de telle sorte que le fonctionnement de ces ailettes efficaces est comparable ou supérieur à celui des ailettes conventionnelles qui ne comportent pas de persiennes génératrices de vortex. En général, chaque persienne génératrice de vortex comporte des minigénérateurs de vortex le long d'un bord externe de la persienne. Ces persiennes sont placées vers l'avant de l'ailette de telle sorte que les mini-générateurs de vortex créent des tourbillons qui brassent efficacement les couches des limites thermiques à travers la persienne, en améliorant par là même les performances de transfert thermique de l'échangeur de chaleur. L'ailette d'échangeur de chaleur peut comprendre une pluralité de persiennes espacées, de telle sorte qu'il y ait un jeu entre les persiennes adjacentes à travers lesquelles circule un fluide tel que l'air. Les mini-générateurs de vortex peuvent être des protubérances dépassant des arêtes externes respectives des persiennes génératrices de vortex. L'ailette peut également comprendre une pluralité de persiennes non génératrices de vortex. En fonction de l'application de l'ailette, la proportion de persiennes génératrices de vortex par rapport aux persiennes non génératrices de vortex peut être comprise entre 20 % et 50 %. La protubérance peut être inclinée d'un certain angle par rapport à une partie plane de la persienne génératrice de vortex. Par exemple, l'angle d'inclinaison peut être compris entre 30 et 45 environ. Chaque protubérance peut avoir une forme triangulaire qui génère une paire de tourbillons tournant à contresens lorsque le fluide rencontre la pointe de la protubérance. Les indications qui précèdent n'ont été données qu'à titre d'introduction. Les dessins joints, intégrés à la présente spécification dont ils constituent une partie, illustrent plusieurs aspects de la présente invention et, en complément de la description, servent à expliquer les principes de l'invention. Les composants représentés sur les figures ne sont pas nécessairement à l'échelle, le but recherché étant avant tout d'illustrer les principes de l'invention. En outre, dans les figures, un même repère désigne des pièces correspondantes dans toutes les vues. Dans les dessins: la figure 1 illustre la dynamique du fluide au niveau d'un générateur de minivortex; la figure 2 est une vue en coupe d'une ailette de persiennes génératrices de mini- vortex selon l'invention; la figure 3A représente une ailette de persienne vue selon la ligne 3A de la figure 4 constituant des persiennes génératrices de vortex selon l'invention; la figure 3B est une vue d'une partie d'une persienne génératrice de vortex avec générateurs de mini- vortex selon l'invention; la figure 4 illustre un échangeur de chaleur avec une paire d'ailettes de persienne selon l'invention, et la figure 5 est un graphique à barres donnant les résultats d'essai des améliorations du transfert thermique de l'ailette de persienne avec générateurs de mini- vortex par comparaison avec une ailette de persienne conventionnelle dépourvue de générateurs de mini-vortex. En tant que vue d'ensemble des principes de création de vortex employés dans la présente invention, la figure 1 représente un générateur de minivortex 10 fixé à une plaque plane 12 et positionné selon un certain angle (a) par rapport au plan de la plaque 12. Le générateur de mini-vortex 10 est, par exemple, une protubérance de forme triangulaire ayant une longueur (c) et une base de largeur (b). Lorsque l'air circule dans le sens de la flèche 14 sur le générateur de mini-vortex 10, la pointe 20 du générateur de mini-vortex 10 crée une paire de tourbillons tournant à contresens 16 et 18 qui s'écoulent à partir du bord de fuite du générateur de mini-vortex 10 (ou du bord d'attaque 22 de la plaque 12) à travers la plaque 12. Si l'on regarde en aval de la pointe 20 (c'est-à-dire dans le sens de la flèche 14), le vortex 16 tourne en sens d'horloge en se déplaçant sur la plaque 12, tandis que le vortex 18 tourne en sens inverse d'horloge. La rotation des vortex 16, 18 renforce le mélange du fluide, tel que l'air, lorsqu'il circule à travers la plaque 12. Ainsi, si le fluide est plus chaud que la plaque 12, le mélange des vortex dirige le fluide plus chaud vers la plaque. Et lorsque la chaleur passe du fluide à la plaque, le mélange des vortex éloigne le fluide plus froid de la plaque. Un tel mélange renforce la capacité d'échange thermique de la plaque 12 par rapport à ce qui se passerait en l'absence de mélange de vortex. Habituellement, en l'absence du générateur de mini-vortex 10, la couche limite sur la plaque 12 est laminaire, et augmente d'épaisseur entre le bord d'attaque 22 de la plaque 12 vers son bord de fuite. Avec l'utilisation du générateur de mini-vortex 10, les vortex 16, 18 brassent efficacement la couche limite, qui résiste moins bien au transfert thermique qu'une couche limite plus épaisse, en augmentant par là même les capacités d'échange thermique de la plaque 12. Si l'on se réfère maintenant à la figure 2, on trouve une ailette d'échangeur de chaleur 30 qui emploie des générateurs de mini-vortex pour des capacités d'échange thermique renforcées selon l'invention. L'ailette 30 comprend un jeu de persiennes d'entrée 32, un jeu de persiennes génératrices de vortex 34, un jeu de persiennes avant standard 36, un jeu de persiennes de bifurcation 50, un jeu arrière de persiennes standard 40 et un jeu de persiennes de sortie 42. Chaque persienne génératrice de mini-vortex 34 comporte un jeu de générateurs de mini-vortex 10, tel que ceux décrits en liaison avec la figure 1, dépassant d'une partie plane de la persienne. Comme illustré, les générateurs de mini-vortex 10 sont inclinés vers le bas à partir de la partie plane des persiennes 34. Alternativement, les générateurs de mini-vortex peuvent être inclinés vers le haut. Pour ce mode de réalisation illustré, il y a une colonne de persiennes d'entrée 32, deux colonnes de persiennes génératrices de vortex 34, deux colonnes de persiennes avant standard 36, une colonne de persiennes de bifurcation 50, quatre colonnes de persiennes arrière standard 40 et une colonne de persiennes de sortie 42. Chaque colonne comporte six des persiennes respectives, de telle sorte que dans cet exemple, il y a douze persiennes génératrices de vortex 34 (c'est-à-dire deux colonnes de persiennes, chaque colonne comportant six persiennes). Toutefois, en fonction de l'application particulière, il peut y avoir jusqu'à 200 persiennes, voire davantage, dans chaque colonne. En outre, il peut y avoir entre trois et six colonnes supplémentaires de persiennes génératrices de vortex 34, voire davantage. Habituellement, la proportion des colonnes de persiennes génératrices de vortex 34 par rapport aux colonnes de persiennes avant standard 36 est comprise entre 20 % et 50 %. Les persiennes d'entrée 32 ont une partie horizontale 44 et une partie inclinée 46. L'angle d'inclinaison de la partie inclinée 46 correspond à l'angle d'inclinaison des persiennes génératrices de vortex 34, au jeu avant de persiennes standard 36 ainsi qu'à la partie avant 48 des persiennes de bifurcation 50, comme l'indique l'angle (13), qui est égal à 45 environ dans cet exemple. Les persiennes de bifurcation 50 comportent également une partie inclinée en sens inverse 52 qui correspond à l'angle d'inclinaison du jeu arrière de persiennes standard 40 et à une partie inclinée 54 des persiennes de sortie 42, qui comportent aussi une partie horizontale 56. Le pas des persiennes (dl) entre les persiennes génératrices de minivortex 34 est compris entre 0,8 mm et 1,5 mm environ et le pas des ailettes (d2) est compris entre 0,8 mm et 1,8 mm environ. Bien que le pas (dl) des persiennes et le pas (d2) des ailettes entre les persiennes respectives soit représenté comme ayant une même valeur, l'un ou l'autre pas, voire les deux, peuvent être différents en fonction des exigences de l'application pour l'ailette 30. Lorsque l'ailette 30 est en cours d'utilisation, l'air entre dans l'ailette 30 comme indiqué par la flèche 58. Les persiennes d'entrée 32 dévient l'air vers le haut sur les persiennes génératrices de vortex 34, comme indiqué par la flèche inclinée vers le haut. Les minigénérateurs de vortex 10 des persiennes génératrices de vortex 34 créent des tourbillons dans le flux d'air, en brassant par là même la couche thermique limite, comme indiqué plus haut, et en renforçant ainsi les capacités de transfert thermique de l'ailette d'échangeur de chaleur 30. L'air circule dans le jeu avant de persiennes standard 36 et est dévié vers le bas par les persiennes de bifurcation 50, dans le jeu arrière de persiennes standard 40, comme indiqué par la flèche inclinée vers le bas, et sort à travers les persiennes de sortie 42 dans le sens de la flèche 60. La figure 4 montre un exemple d'une ailette d'échangeur de chaleur identifiée de façon générale par le repère 70. Une partie de l'ailette 70 est représentée sur la figure 3A avec des persiennes génératrices de vortex 34, des persiennes avant standard 36 et des persiennes arrière standard 40. Dans ce mode de réalisation, les persiennes 34, 36, 38 ont une longueur (L) comprise entre 6 mm et 10 mm environ et une largeur (1) comprise entre 0,8 mm et 1,5 mm environ. Il faut noter que, en fonction de l'application de l'ailette 70, la longueur et la largeur des persiennes peut être inférieure ou supérieure aux dimensions précitées. Si l'on se réfère en particulier à la figure 3B, chaque persienne génératrice de vortex 34 comporte un jeu de générateurs de mini-vortex 10 le long d'un bord externe de la persienne. Chaque persienne 34 peut comporter de un à huit ou neuf générateurs de minivortex 10, voire davantage. Dans certains modes de réalisation, les générateurs de minivortex 10 sont espacés entre eux de 1 mm environ, et chaque générateur de mini-vortex 10 a une longueur (c) inférieure à 1 mm environ et une base de largeur (b) inférieure à 1 mm environ. Dans un mode de réalisation particulier, la longueur (c) et la largeur de la base (b) sont chacune égale à 0,4 mm environ. Les générateurs de mini-vortex 10 peuvent avoir un angle d'inclinaison (a), comme représenté pour l'exemple de la figure 1, dans une plage comprise entre 30 et 45 environ. De la même façon, en fonction de l'application de l'ailette 70, ces dimensions peuvent être inférieures ou supérieures à celles qui viennent d'être mentionnées. La figure 5 illustre les performances améliorées procurées par une ailette avec persiennes génératrices de vortex selon l'invention. Comme illustré, l'ailette avec persiennes génératrices de vortex munie de générateurs de mini-vortex 10 a une capacité de rejet de chaleur comprise entre 100 % et 110 %, comme l'indique la barre 90, tandis qu'une ailette dépourvue de telles persiennes génératrices de vortex a une performance de base de 100 %, comme l'indique la barre 80. La description détaillée précédente doit par conséquent être considérée comme un exemple et non comme une limitation. REVENDICATIONS 1. Ailette d'échangeur de chaleur pour véhicule, caractérisée en ce qu'elle comprend: une pluralité de persiennes ou ouïes (32, 34, 36, 50, 40, 42) espacées entre elles, l'espacement des persiennes adjacentes définissant un jeu entre elles, l'une au moins des persiennes ou ouïes parmi la pluralité de persiennes ou ouïes (32, 34, 36, 50, 40, 42) étant une persienne ou ouïe (34) génératrice de vortex munie d'au moins un générateur de mini-vortex (10), le générateur de mini-vortex (10) étant une protubérance dépassant d'un bord externe de la persienne ou ouïe (34) génératrice de vortex, le générateur de mini-vortex créant une paire de tourbillons (16 et 18) tournant à contresens dans un fluide lorsque ce dernier rencontre le générateur de mini-vortex. 2. Ailette d'échangeur de chaleur de la revendication 1, caractérisée en ce que la proportion de persiennes ou ouïes (34) génératrices de vortex par rapport aux persiennes ou ouïes (32, 36, 50, 40, 42) non génératrices de vortex est comprise entre 20 % et 50 % environ. 3. Ailette d'échangeur de chaleur de la revendication 1, caractérisée en ce que la persienne ou ouïe (34) génératrice de mini-vortex est positionnée vers l'avant de l'ailette (30) faisant face au fluide entrant (58). 4. Ailette d'échangeur de chaleur de la revendication 1, caractérisée en ce que la protubérance (10) est inclinée d'un certain angle (a) par rapport à une partie plane (12) de la persienne ou ouïe (34) génératrice de vortex. 5. Ailette d'échangeur de chaleur de la revendication 1, caractérisée en ce que la protubérance (10) a une forme triangulaire avec une base (b) et une hauteur ou longueur (c).