Brevet FR2859779A1 — publié le 20050318

Échangeur de chaleur à tubes plats alternés L'invention concerne un tube plat multicanaux pour échangeur de chaleur comportant plusieurs canaux parallèles disposés à l'intérieur d'une enveloppe métallique pour définir un trajet entre au moins une entrée de fluide et au moins une sortie de fluide. Elle s'applique notamment à la réalisation d'installations de climatisation pour véhicules automobiles. Un échangeur à tubes plats multicanaux est généralement composé de deux faisceaux de tubes plats parallèles imbriqués l'un dans l'autre, chaque tube d'un faisceau, sauf un placé à une extrémité, étant disposé entre deux tubes plats de l'autre faisceau. Chaque tube plat d'un faisceau comporte un nombre déterminé de canaux parallèles reliés entre deux collecteurs d'entrée et de sortie de fluide. Généralement la circulation des deux fluides dans leur faisceau respectif a lieu à contre-courant et le transfert de chaleur s'effectue entre les surfaces en regard des tubes plats adjacents des deux faisceaux. La difficulté rencontrée pour leur réalisation est d'obtenir un bon contact d'échange de chaleur entre deux surfaces adjacentes de tube plats. Cependant le volume important occupé par les collecteurs, qui va croissant en fonction du nombre de tubes plats utilisés, conduit à des réalisations volumineuses des connexions entre tubes plats et collecteurs qui sont incompatibles avec l'obtention d'un bon échange de chaleur. Afin d'établir une circulation de fluide entre les orifices des tubes certaines réalisations prévoient de munir l'extrémité des tubes plats de pièces formant un espace de communication de fluide entre les extrémités des tubes. Celles-ci conduisent à des épaisseurs de tube importantes qui nuisent à l'échange de chaleur entre les tubes. Selon d'autres modes de réalisation, les cloisons de tubes multicanaux sont traversées par des orifices de communication, mais ces orifices sont très difficiles à réaliser sur des tubes extrudés ou des tubes repliés. L'un des buts de l'invention est de pallier les inconvénients précités. L'invention vise notamment un tube du genre défini en intro- duction, et prévoit qu'au moins deux desdits canaux communiquent entre eux par une ouverture transversale s'étendant de l'une à l'autre des faces principales du tube, avantageusement au voisinage de l'une de ses extrémités. Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémentaires ou de substitution, sont énoncées ci-après: - Au moins une ouverture transversale est une ouverture d'entrée de fluide. - Au moins une ouverture transversale est une ouverture de sortie de fluide. - Au moins une ouverture transversale est une ouverture de retour de fluide permettant au fluide de passer d'au moins un canal dans lequel il circule dans un sens le long du tube à au moins un canal dans lequel il circule dans le sens inverse. - L'ouverture de retour de fluide est bouchée sur les deux 30 faces du tube par des pastilles. - Les canaux sont bouchés aux deux extrémités du tube par pincement. - Chaque ouverture de retour d'un jeu de tubes est limitée par les faces des tubes voisins appartenant à l'autre jeu. - Les tubes sont empilés en alternance avec des intercalaires permettant la circulation d'un deuxième fluide en contact thermique avec le fluide circulant dans les tubes. - Les conduites d'entrée et de sortie comprennent des ouvertures ménagées dans des entretoises dont chacune occupe l'intervalle entre deux tubes, au-delà de la deuxième extrémité d'un tube de l'autre jeu ou d'un intercalaire. - Il comprend au moins deux conduites d'entrée ou au moins deux conduites de sortie, qui sont reliées à une boîte de répartition de fluide ou à une boîte collectrice de fluide disposée à une extrémité de l'empilement. - Il comprend au moins deux conduites d'entrée et au moins deux conduites de sortie, qui sont reliées les unes à une boîte de répartition de fluide et les autre à une boîte collectrice de fluide, disposées respectivement aux deux extrémités de l'empilement. - À chaque jeu de tubes sont associées au moins deux conduites d'entrée et au moins deux conduites de sortie, qui sont reliées les unes à une boîte de répartition de fluide et les autre à une boîte collectrice de fluide, disposées respecti- vement aux deux extrémités de l'empilement. Dans la description qui suit, donnée seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique illustrant un mode de réalisation d'un tube plat à circulation en forme de U pour un échangeur de chaleur selon l'invention; la figure 2 est une vue en coupe longitudinale du tube plat de 35 la figure 1; les figures 3 à 5 sont des vues en coupe transversale de divers modes de réalisation de tubes plats selon l'invention; la figure 6 est une vue analogue à la figure 1 relative à un autre mode de réalisation d'un tube plat selon l'invention; la figure 7 est une vue en perspective éclatée d'un échangeur de chaleur entre un premier fluide et un deuxième fluide circulant dans deux jeux de tubes plats selon l'invention juxtaposés; les figures 8 et 9 sont deux vues en coupe du mode d'assem-10 blage de la figure 7 suivant respectivement un chemin d'entrée et chemin de sortie de fluide d'un même circuit en U; la figure 10 est une vue en coupe illustrant un autre échangeur de chaleur selon l'invention; et la figure 11 est une vue analogue aux figures 1 et 6 relative à un autre mode de réalisation d'un tube plat selon l'invention. Le tube plat 1 qui est représenté aux figures 1 et 2 comprend un premier ensemble de canaux 2 et un deuxième ensemble de canaux 3 disposés respectivement entre deux joues rectangulaires de fermeture 4 et 5 les recouvrant entièrement. Les canaux 2, 3 sont bouchés à leurs deux extrémités par pincement ou par tout autre moyen connu, non représenté. Les joues 4 et 5 et les canaux 2 et 3 de chaque ensemble de canaux sont traversés à proximité d'une première extrémité formée par le petit côté des joues 4 et 5 par au moins une ouverture transversale d'entrée de fluide 6 qui communique avec le premier ensemble 2 de canaux et par au moins une ouverture de sortie de fluide 7 qui communique avec le deuxième ensemble de canaux 3. Les plaques 4 et 5 et les canaux des deux ensembles de canaux sont traversés au voisinage de leur deuxième extrémité opposée à celle recevant les ouvertures d'entrée 6 et de sortie 7 par une ouverture transversale de retour de fluide 8 par laquelle le fluide circulant dans le premier ensemble de canaux 2 depuis l'orifice d'entrée 6 retourne vers l'orifice de sortie de fluide 7 au travers du deuxième ensemble de canaux 3. L'ouverture de retour de fluide 8 est bouchée à ses deux extrémités sur les deux joues 4 et 5 par des pastilles 9 et 10. De préférence, le tube plat pourra être un tube extrudé comportant, comme le montre la figure 3, des canaux parallèles à section rectangulaire, carrée ou circulaire. Mais des tubes plats constitués d'autres manières peuvent aussi convenir, comme par exemple les tubes avec insert comme représenté à la figure 4, ou les tubes pliés réalisés en une seule bande métallique comme représenté schématiquement à la figure 5. Le mode de réalisation qui vient d'être décrit peut être étendu à la réalisation d'un tube plat comportant un nombre quelconque N de paires d'entrée/sortie et le même nombre N d'ouvertures de retour pour former un nombre N de circuits en forme de U parallèles, comme le montre l'exemple de réalisation de la figure 6. Dans cet exemple le nombre N de circuits est égal à 4. Avantageusement, comme le montre le mode de réalisation représenté aux figures 7, 8 et 9, plusieurs tubes plats 1 peuvent être empilés têtebêche et de façon alternée pour former un échangeur de chaleur comportant un premier jeu de tubes plats 1 dans lequel circule un premier fluide entre une première entrée de fluide El et une première sortie 7 de fluide S1 et un deuxième jeu de tubes plats 1 dans lequel circule un deuxième fluide entre une deuxième entrée de fluide E2 et une deuxième sortie de fluide S2. Les tubes plats du premier jeu alternent avec les tubes plats du deuxième jeu de sorte chaque tube plat du premier jeu repose, sauf éventuelle- ment le dernier tube plat du premier jeu, sur un tube plat du deuxième jeu. Sur les figures 7, 8 et 9 qui représentent un échangeur de chaleur réalisé avec seulement quatre tubes plats la, lb, 1c, ld empilés les uns sur les autres, entre deux plaques de fermeture 4 et 5, le premier jeu de tubes plats est constitué par les tubes plats la et le et le deuxième jeu est constitué par les tubes plats lb et ld. Les tubes plats la et le du premier jeu reposent respectivement sur les tubes plats lb et 1d du deuxième jeu. Les tubes plats la et le du premier jeu sont montés tête bêche par rapport aux tubes plats lb, ld du deuxième jeu de sorte que les ouvertures d'entrée/sortie 6ai, 6ci d'une part, et 7ai, 7ci d'autre part, des tubes plats du premier jeu et les ouvertures d'entrée/sortie 6bi, 6di d'une part, et 7bi, 7di d'autre part, du deuxième jeu, avec i entier tel que 1 i N, soient opposées les unes aux autres et débouchent respec- tivement dans des boîtes de répartition des premier et deuxième fluide, respectivement lla, llb, entrant dans l'échangeur par les entrées El et E2 où dans une boîte collectrice du premier ou du deuxième fluide, respectivement 12a, 12b, sortant de l'échangeur par les sorties S1 et S2. De façon similaire, les orifices de retour 8a et 8c du premier jeu et les orifices de retour 8b et 8d du deuxième jeu sont opposés les uns aux autres et sont fermés à leurs extrémités soit par une paire de tubes plats lb, ld soit par un tube plat la ou le et une joue de recouvrement, respectivement 13 ou 14. Pour permettre, dans le recouvrement des tubes plats, le dégagement des ouvertures d'entrée et de sortie 6ai à 6di; 7ai à 7di, lés tubes plats la à ld sont alternativement décalés du même distance d et les espaces ainsi découverts sont comblés par des entretoises 15a à 15d. Chacune des entretoises 15a à 15d est traversée par des ouvertures 16ai, 16bi, 16ci, 16di situées respectivement dans le prolongement des ouvertures d'entrée/sortie 6ai et 7ai correspondantes des deux tubes plats recouvrant chaque entretoise 15a à 15d, de façon que les ouvertures d'entrée/sortie 6ai, 6bi, 6ci, 6di; 7ai, 7bi, 7ci, 7di des circuits en forme de U juxtaposés et les ouvertures correspondantes des entretoises 16ai, 16bi, 16ci, 16di soient alignées et forment respectivement une même conduite d'entrée Eli, E2i ou de sortie Sli, S2i de fluide. On obtient ainsi un faisceau de paires de conduites d'en-5 trée/sortie de fluide Eli,Sli ou E2i,S2i disposé à chaque extrémité de l'échangeur. Les conduites d'entrée et de sortie de fluide Eli,Sli ou E2i,S2i alternent dans un même faisceau et débouchent respec- tivement dans une boîte de répartition du fluide lla, llb et une boîte collectrice du fluide 12a, 12b. De la sorte, chaque extrémité de l'échangeur comporte une boîte de répartition lla, llb et une boîte collectrice 12a, 12b disposées de part et d'autre d'un même faisceau de conduites de fluide, ce qui permet à deux fluides de traverser les tubes plats la à ld de l'échangeur au travers respectivement du premier faisceau de conduites Eli,Sli et du deuxième faisceau de conduites E2i, S2i. Pour permettre aux deux fluides traversant les deux boîtes de répartition lla et lib de pénétrer dans les orifices d'entrée 6ai, 6bi, 6ci, 6di les extrémités des conduites d'entrée des deux faisceaux, opposées à celles qui débouchent dans une boîte de répartition, sont fermées par une paroi de fond d'une boîte collectrice 12a, 12b située en regard. De façon similaire pour permettre aux deux fluides de sortir des deux boîtes collectrices 12a, 12b, les extrémités des conduites de sortie des deux faisceaux, opposées à celles qui débouchent dans une boîte collectrice, sont fermées par une paroi de fond d'une boîte de répartition lla, lib située en regard. Dans l'exemple des figures 7, 8 et 9 où le nombre i de circuits en forme de U de chaque tube plat est égal à 2, le premier fluide entre par l'entrée El de l'échangeur dans la boîte de répartition lla d'où il ressort par i conduites Eli formant le premier faisceau. Le fluide pénètre ensuite dans les orifices d'entrée 6bi, 6di des tubes plats lb et ld pour en ressortir par la sortie Si de la boîte collectrice 12a en communication avec les orifices de sortie 7bi et 7di par respectivement les conduites Sli du premier faisceau, après avoir parcouru les premier et deuxième ensembles de canaux de chaque circuit. Le deuxième fluide entre par l'entrée E2 de l'échangeur dans la boîte de répartition llb d'où il ressort pour pénétrer dans les orifices d'entrée 6ci et 6ai des tubes plats ic et la et en sort par la sortie S2 de la boîte collectrice 12b en communication avec les orifices de sortie 7ci et 7ai par respectivement les conduites S2i de sortie du deuxième faisceau, après avoir parcouru les premier et deuxième ensembles de canaux 2,3 de chaque circuit. D'autres variantes de réalisation de l'invention sont possibles. Notamment l'invention peut être mise en oeuvre pour la fabrication d'échangeur ne comprenant qu'un seule jeu de tubes plats qui alternent avec des intercalaires de formes différen- tes. On a représenté sur la figure 10, à titre d'exemple, un échangeur de chaleur comprenant un seul jeu de tubes plats la et le disposés de part et d'autre d'un intercalaire ondulés 17. Dans ce mode de réalisation le premier fluide traverse l'espace laissé libre entre la tôle ondulée de chaque intercalaire et les deux tubes plats la et le situés de part et d'autre et le deuxième fluide circule dans les tubes plats. Comme dans le mode de réalisation des figures 1 et 2, les ouvertures 8a et 8c de retour de fluide dans chaque ensemble de canaux doivent être bouchées par des pastilles 9a, 9c; 10a, 10C ou d'autres éléments de fermeture. Avantageusement, l'assemblage des divers éléments des échan- geurs représentés aux figures 7 à 9 et 10 s'effectue par brasage au four en une seule passe. On peut utiliser à cet effet les techniques courantes de brasage dans le domaine des échangeurs de chaleur pour véhicules automobiles, notamment sous atmosphère inerte avec métal d'apport eutectique. La figure 11 illustre la diversité des trajets de fluide qui peuvent être définis dans un tube plat multicanaux selon l'invention. Le tube 1 définit deux circuits de fluide entre des ouvertures transversales d'entrée de fluide respectives 6-1 et 6-2 et des ouvertures transversales de sortie de fluide respectives 7-1 et 7-2, toutes situées au voisinage d'une première extrémité du tube (à droite sur la figure). Dans un premier circuit, un premier canal 2-1 du tube 1 relie une première ouverture d'entrée 6-1 à une première ouverture transversale de retour de fluide 8-1 située au voisinage de la deuxième extrémité du tube (à gauche), qui est à son tour relié par un canal 3-1 à une deuxième ouverture transversale de retour de fluide 8' située au voisinage de l'extrémité droite du tube, mais plus loin de celle-ci que les ouvertures d'entrée et de sortie précitées. Un canal 2-2 relie l'ouverture 8' à une troisième ouverture transversale de retour de fluide 8-2 située de nouveau au voisinage de l'extrémité gauche du tube. Deux canaux 3-2 en parallèle ramènent le fluide de l'ouverture 82 à l'ouverture de sortie 7-1. Le deuxième circuit est un simple circuit en U comportant canaux 2-3 et 3-3 reliant respectivement les ouvertures d'entrée 6-2 et de sortie 7-2 à une ouverture transversale de retour de fluide 8-2 située au voisinage de l'extrémité gauche du tube. Un jeu de tubes selon la figure 11 peut être associé à un deuxième jeu de tubes, comme montré sur les figures 7 à 9, le décalage longitudinal entre les tubes des deux jeux étant tel que les ouvertures 8' soient limités par les faces extérieures des tubes de l'autre jeu. Les tubes plats et les échangeurs de chaleur selon l'invention sont utilisables notamment pour la circulation d'un fluide choisi parmi l'anhydride carbonique, l'air et le fluide réfrigérant dénommé R 134. Revendications 1. Tube plat multicanaux (1) pour échangeur de chaleur comportant plusieurs canaux parallèles disposés à l'intérieur d'une enveloppe métallique (4,5) pour définir un trajet entre au moins une entrée de fluide (E) et au moins une sortie de fluide (S), caractérisé en ce qu'au moins deux desdits canaux communiquent entre eux par une ouverture transversale s'étendant de l'une à l'autre des faces principales du tube. 2. Tube plat selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une ouverture transversale est une ouverture d'entrée de fluide (6). 3. Tube plat selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'au moins une ouverture transversale est une ouverture de sortie de fluide (7). 4. Tube plat selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une ouverture transversale est une ouverture de retour de fluide (8) permettant au fluide de passer d'au moins un canal dans lequel il circule dans un sens le long du tube à au moins un canal dans lequel il circule dans le sens inverse. 5. Tube plat selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'ouverture de retour de fluide est bouchée sur les deux faces du tube par des pastilles (9,10). 6. Tube plat selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une ouverture transversale est disposée au voisinage de l'une des extrémités du tube. 7. Tube plat selon l'une des revendications précédentes, 35 caractérisé en ce que les canaux sont bouchés aux deux extrémités du tube par pincement. 8. Échangeur de chaleur pour l'échange de chaleur entre deux fluides circulant respectivement dans deux jeux de tubes plats selon l'une des revendications précédentes empilés alternativement, chaque tube présentant au moins une ouverture transversale d'entrée et au moins une ouverture transversale de sortie disposées au voisinage d'une première de ses extrémités, et au moins une ouverture transversale de retour disposée au voisinage de sa deuxième extrémité, les ouvertures d'entrée d'une part et les ouvertures de sortie d'autre part de chaque jeu étant mutuellement alignées pour former une conduite d'entrée et une conduite de sortie, audelà des deuxièmes extrémités des tubes de l'autre jeu. 9. Échangeur de chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque ouverture de retour d'un jeu de tubes est limitée par les faces des tubes voisins appartenant à l'autre jeu. 10. Échangeur de chaleur comprenant une multiplicité de tubes plats selon l'une des revendications 1 à 7, semblables entre eux et mutuellement empilés, les ouvertures transversa- les d'entrée et les ouvertures transversales de sortie des différents tubes qui sont mutuellement alignées communiquant entre elles pour former une conduite d'entrée et une conduite de sortie entre lesquelles un fluide peut circuler en parallèle dans les différents tubes. 11. Échangeur de chaleur selon la revendication 10, caractérisé en ce que les tubes sont empilés en alternance avec des intercalaires permettant la circulation d'un deuxième fluide en contact thermique avec le fluide circulant dans les tubes. 12. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 8, 9 et 11, caractérisé en ce que les conduites d'entrée et de sortie comprennent des ouvertures ménagées dans des entretoises dont chacune occupe l'intervalle entre deux tubes, au- delà de la deuxième extrémité d'un tube de l'autre jeu ou d'un intercalaire. 13. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux conduites d'entrée ou au moins deux conduites de sortie, qui sont reliées à une boîte de répartition de fluide (lla,llb) ou à une boîte collectrice de fluide (12a, 12b) disposée à une extrémité de l'empilement. 14. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux conduites d'entrée et au moins deux conduites de sortie, qui sont reliées les unes à une boîte de répartition de fluide (lla,llb) et les autre à une boîte collectrice de fluide (12a,12b), disposées respectivement aux deux extrémités de l'empilement. 15. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'à chaque jeu de tubes sont associées au moins deux conduites d'entrée et au moins deux conduites de sortie, qui sont reliées les unes à une boîte de répartition de fluide (lla,llb) et les autre à une boîte collectrice de fluide (12a,12b), disposées respectivement aux deux extrémités de l'empilement. 16. Utilisation d'un tube plat selon l'une des revendications 1 à 7 ou d'un échangeur de chaleur selon l'une des revendications 8 à 15 pour la circulation d'un fluide choisi parmi l'anhydride carbonique, l'air et le fluide réfrigérant dénommé R 134.