Brevet FR2863349A1 — publié le 20050610

VCL1501.FRD Tube plat pour échangeur de chaleur traversé par un fluide à haute pression L'invention se rapporte aux échangeurs de chaleur, notamment pour véhicules automobiles, traversés par un fluide à haute pression. Un tel échangeur de chaleur peut être réalisé notamment sous la forme d'un condenseur ou d'un évaporateur traversé par un fluide réfrigérant qui subit des changement de phase en passant d'un phase gazeuse à une phase liquide, et inversement. Il peut s'agir aussi d'un échangeur de chaleur dans lequel le fluide réfrigérant fonctionne dans un cycle thermodynamique supercritique, en restant en permanence en phase gazeuse, comme c'est le cas pour les fluides du type 002. La pression de fonctionnement de tels fluides atteint couramment des valeurs largement supérieures à 100 bars, typiquement de 200 à 350 bars. En pareil cas, le condenseur traditionnel peut aussi être appelé "refroidisseur de gaz" (en anglais "gas cooler"). Par conséquent, les échangeurs de chaleur envisagés comme application préférentielle dans le cadre de l'invention sont avant tout ceux du type refroidisseur de gaz, condenseur, évaporateur et échangeur interne. L'invention se rapporte plus particulièrement à un tube plat destiné à un tel échangeur de chaleur, ce tube comportant une multiplicité de canaux intérieurs parallèles, de section transversale choisie pour résister à la pression d'un fluide circulant dans les canaux, les canaux étant délimités par des parois du tube et séparés entre eux par des cloisons transversales. Ces tubes sont le plus souvent réalisés par extrusion d'une matière métallique, en particulier d'aluminium ou d'alliage à base d'aluminium. La section transversale des canaux doit être choisie pour offrir une résistance maximale à la pression élevée du fluide qui les traverse. Lorsqu'un échangeur de chaleur est traversé par un fluide à haute pression, en particulier du type CO2, les canaux internes doivent pouvoir résister à une pression de l'ordre de 200 à 350 bars, voire plus. Les tubes qui offrent une résistance optimale à la pression comportent des canaux intérieurs de section transversale circulaire ou encore approximativement circulaire. On connaît aussi des tubes dont la section transversale des canaux intérieurs présente une forme ovale ou elliptique (demande de brevet DE 19 845 336). La section transversale ovale ou elliptique de ces canaux est définie par un grand axe qui s'étend soit perpendiculairement aux grandes faces du tube, soit dans une direction inclinée par rapport aux grandes faces du tube. On connaît aussi des canaux dont la section transversale présente une forme polygonale, en particulier une forme rectangulaire, avec des arrondis dans les coins (demande de brevet JP 2000 356 488). La forme circulaire de la section transversale est optimale en terme de résistance à la pression, mais a pour inconvénient d'être coûteuse en matière, d'où il résulte des tubes d'un poids relativement important. Les formes rectangulaires ne conviennent pas à des pressions élevées (typiquement supérieures à 100 bars) nais permettent s d'économiser le matériau utilisé pour la réalisation du tube, ce qui se traduit par un tube de poids plus léger. La forme des canaux peut aussi être dictée par une contrainte liée à la forme externe du tube. Par exemple, lorsque l'une des extrémités de la section du tube présente une forme pointue, le canal proche de cette extrémité présente avantageusement une forme similaire pointue vers l'extrémité du tube. Il apparaît qu'aucun des tubes connus ne permet d'offrir une résistance mécanique élevée à la pression du tube, tout en présentant un poids léger. L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients précités. Elle vise principalement à procurer un tube plat pour échangeur de chaleur, notamment pour condenseur, susceptible de résister à des pressions élevées du fluide, tout en permettant une économie significative de matière. C'est encore un but de l'invention de procurer un tel tube d'échangeur de chaleur, qui peut être obtenu par extrusion de matière, et qui peut être appliqué notamment pour des condenseurs traversés par un fluide réfrigérant du type CO2. L'invention propose à cet effet un tube plat pour échangeur de chaleur, du type défini en introduction, dans lequel un premier canal et un deuxième canal séparés par une cloison transversale ont respectivement une première section transversale et une deuxième section transversale qui ont des formes conjuguées de part et d'autre de la cloison transversale. Avantageusement, la cloison transversale présente au moins localement une épaisseur sensiblement constante. dC Cette constance peut être évaluée par rapport aux dimensions géométriques des canaux. L'invention repose sur la caractéristique essentielle d'utiliser des canaux dont les sections transversales ont, deux à deux, des formes conjuguées de part et d'autre de la cloison transversale qui les sépare, ce qui permet de réaliser une cloison transversale dont l'épaisseur est de préférence sensiblement constante. On trouve ainsi une succession de canaux dont les parois adjacentes présentent des formes conjuguées deux à deux, c'est à dire le plus souvent une forme générale concave et une forme générale convexe. Il est clair que les sections transversales des canaux considérés sont indépendantes de la caractéristique de l'invention; cela veut dire que les canaux peuvent être de sections différentes. L'invention ne se limite pas bien entendu au cas de deux formes et elle s'étend à tout nombre de formes, dans la mesure où une conjugaison de formes existe entre deux canaux adjacents. Par l'expression "formes conjuguées", on entend désigner des formes qui sont homologues et parallèles (au sens large du terme), ce qui signifie que ces formes sont définies par des lignes (en particulier curvilignes) équidistantes, c'est-à-dire dont la distance demeure sensiblement constante. Il en résulte que l'épaisseur de la cloison transversale est sensiblement constante, contrairement aux tubes de l'art antérieur, dans le cas où les canaux intérieurs ont une section transversale de forme circulaire, elliptique ou ovale. Cette homologie de formes permet une économie de matière, sans 35 pour cela compromettre la résistance mécanique du tube à des pressions élevées. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, la cloison transversale est délimitée, d'un premier côté, par une première forme curviligne concave, appartenant à la première section transversale et, d'un deuxième côté, par une deuxième forme curviligne convexe appartenant à la deuxième section transversale, la première forme curviligne et la deuxième forme curviligne étant sensiblement parallèles, c'est-à-dire à même distance. Autrement dit, la section transversale du premier canal est délimitée, au moins en partie par une forme curviligne concave, tandis que la section transversale du deuxième canal est délimitée, au moins en partie, par une forme curviligne convexe. Cette forme curviligne concave et cette forme curviligne convexe constituent des formes homologues qui délimitent deux côtés de la cloison, respectivement vers le premier canal et vers le deuxième canal. Avantageusement, la première forme curviligne est définie par un arc de cercle d'un premier rayon, tandis que la deuxième forme curviligne est définie par un arc de cercle d'un deuxième rayon qui est supérieur au premier rayon. Ces deux arcs de cercle admettent avantageusement le même centre. Dans un exemple de réalisation préférentiel, la première section transversale a la forme générale d'un cercle, tandis que la deuxième section transversale a la forme générale d'un quadrilatère, dont deux côtés opposés sont chacun adjacents à une cloison transversale et une forme curviligne convexe, et dont deux autres côtés opposés sont chacun adjacents à une grande face du tube et ont une forme curviligne convexe. Ces quatre côtés de forme curviligne convexe sont avantageusement réunis deux à deux par des arcs de cercle de forme concave. Dans une autre forme de réalisation, la première forme curviligne est définie par un arc d'ellipse et la deuxième forme curviligne est définie aussi par un arc d'ellipse. Il est envisageable aussi de combiner différentes formes de réalisation et d'avoir trois canaux successifs de sections transversales différentes. Par exemple, les faces de la paroi entre le premier canal et le deuxième canal peuvent être conjuguées par un arc de cercle et les faces de la paroi entre le deuxième canal et le troisième canal peuvent être conjuguées par un arc d'ellipse. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le tube plat de l'invention comprend une alternance de premiers canaux et de deuxièmes canaux. A titre d'exemple, le tube plat peut comprendre (n+1) canaux de la première section transversale qui alternent avec (n) canaux de la deuxième section transversale. Sous un autre aspect, l'invention concerne un échangeur de chaleur comprenant une multiplicité de tubes plats tels que définis précédemment. Cet échangeur de chaleur est avantageusement choisi parmi un refroidisseur de gaz, un condenseur, un évaporateur et un échangeur interne et est propre à être traversé par un fluide réfrigérant. Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'un échangeur de chaleur, ici un condenseur, comprenant une multiplicité de tubes plats selon l'invention; et - la figure 2 est une vue d'extrémité d'un tube plat réalisé selon l'invention. P( On se réfère d'abord à la figure 1 qui montre schématiquement un échangeur de chaleur 10, réalisé ici sous la forme d'un condenseur propre à être traversé par un fluide réfrigérant à haute pression, typiquement du CO2. Cet échangeur de chaleur comprend deux boîtes collectrices 12 et 14 avantageusement réalisées chacune sous la forme de collecteurs tubulaires pour offrir une meilleure résistance à la pression. Ces collecteurs s'étendent dans des directions parallèles entre elles et ils communiquent avec une multiplicité de tubes plats 16 qui s'étendent parallèlement entre eux et entre lesquels sont agencés des intercalaires ondulés 18 formant surfaces d'échange de chaleur. Les composants de l'échangeur de chaleur 10 sont avantageusement réalisés en aluminium ou en alliage à base d'aluminium et assemblés entre eux par brasage au cours d'une même opération, avantageusement par passage dans un four de brasage approprié, selon une technologie bien connue. Comme indiqué en introduction, de tels échangeurs de chaleur doivent résister à des pressions de fluide élevées, qui peuvent atteindre typiquement des valeurs de l'ordre de 200 à 300 bars, voire plus. On se réfère maintenant à la figure 2 qui montre un exemple de réalisation d'un tube plat réalisé selon l'invention. Le tube 16 de la figure 2 est réalisé par extrusion d'une matière métallique, de préférence de l'aluminium ou un alliage à base d' aluminium. Ce tube plat est limité par deux grandes faces 20, planes et 35 parallèles, réunies entre elles par deux petites faces 22, chacune de forme semi-circulaire. el Dans l'exemple de réalisation, le tube 16 comporte cinq canaux intérieurs qui s'étendent parallèlement entre eux dans la direction longitudinale du tube et qui sont répartis en deux types différents. Plus particulièrement, le tube 16 comprend trois canaux 24 ayant chacun une première section transversale S1 qui alternent avec deux canaux 26 ayant chacun une deuxième section transversale S2. Dans l'exemple, les canaux 24 sont identiques entre eux et leur section transversale S1 est circulaire ou ronde. Deux des canaux 24 sont situés aux extrémités du tube, c'est-àdire près des petites faces 22, tandis que le troisième canal 24 est situé au centre du tube. La section transversale S1 de chaque canal 24 est délimitée par une première forme curviligne concave Cl qui ici est un cercle de rayon R1 et de centre O. On remarque sur la figure 2 que chacune des petites faces 22 est délimitée, en section transversale, par un demi-cercle qui admet aussi le même centre O, ce qui permet de former des parois d'extrémité 28 de forme semi-circulaire et d'épaisseur constante. Le tube comprend quatre cloisons transversales 30 dont chacune s'étend entre un canal 24 et un canal 26. La section transversale S2 de chaque canal 26 a la forme générale d'un quadrilatère, ici d'un carré dont les côtés sont curvilignes et convexes et dont les angles sont arrondis. Ce quadrilatère comporte deux côtés opposés qui sont chacun adjacents à une cloison transversale 30 et ont une forme curviligne convexe C2a, respectivement C2c, et deux autres côtés opposés qui sont chacun adjacents à une grande face 20 du tube et ont également une forme curviligne convexe C2b, respectivement C2d. Dans l'exemple, les quatre formes curvilignes convexes C2a, 35 C2b, C2c et C2d sont identiques et ont chacune un même rayon de courbure R2 et elles sont réunies deux à deux par des arcs de cercle C3a, C3b, C3c et C3d de forme concave. Dans l'exemple, les arcs de cercle C3a, C3b, C3c et C3d sont identiques et ont un même rayon de courbure r qui est beaucoup plus petit que le rayon de courbure R2. Avantageusement, le raccordement entre les portions de parois C2a, C3a, C2b, c3b, C2c, c3c, C2d, C3d et C2a en forme d'arcs de cercle s'effectue de telle manière que les tangentes aux portions de parois soient confondues en leurs points de raccordement. Les formes convexes et concaves du canal 26 peuvent être différentes car elles sont déterminées par des contraintes différentes. Ainsi dans un autre exemple, non représenté, la forme C2a est un arc de cercle adjacent à la forme circulaire Cl du premier canal 24. Mais la forme C2c correspond à un arc d'ellipse et est adjacente à un troisième canal de forme au moins en partie elliptique. Comme on peut le voir sur la figure 2, chacune des formes curvilignes convexes C2a et C2c d'une section transversale S2 d'un canal 26 est associée à une forme curviligne concave Cl d'un canal 24 adjacent. Chacune des formes curvilignes C2a et C2c admet le même centre 0 que la forme curviligne Cl associée, si bien que ces deux formes Cl et C2a (ou C2c) sont concentriques, au moins sur une partie de leur longueur, en sorte que la cloison transversale 30 possède une épaisseur sensiblement constante. Autrement dit, les formes curvilignes Cl et C2a (ou C2c) présentent une conjugaison de formes se traduisant par un parallélisme (au sens large), c'est à dire une égalité de distance dans une direction parallèle aux grandes faces 20 du tube. Grâce aux caractéristiques précitées, le tube 16 de la figure 2 comprend une alternance de canaux de forme circulaire et de canaux de forme s'approchant de celle d'un quadrilatère, mais o' possédant des formes curvilignes. Les canaux 24 offrent une résistance mécanique optimale en raison de leur forme circulaire. Cependant, les canaux 26 offrent également une résistance mécanique élevée grâce à la configuration particulière de leur section transversale obtenue par quatre formes curvilignes convexes réunies deux à deux par des arcs de cercle de forme concave. Cette alternance de canaux de formes conjuguées permet en outre de diminuer la quantité de matière utilisée et, par conséquent, le poids du tube. Ceci provient notamment du fait que chacune des cloisons transversales 30 est ici délimitée par deux formes curvilignes Cl et C2a (ou C2c) qui sont concentriques, donc parallèles au sens large du terme, avec une épaisseur sensiblement constante. Le tube 16 comprend en outre des parois longitudinales 32 qui sont adjacentes aux grandes faces 20 et dont l'épaisseur varie et est sensiblement du même ordre de grandeur que l'épaisseur des parois d'extrémité 28 ou des cloisons transversales 30. Dans l'exemple de la figure 2, le tube comprend en tout cinq canaux, à savoir trois canaux de section transversale S1 qui alternent avec deux canaux de section transversale S2, mais ce nombre de canaux n'est pas limitatif. De façon générale, on pourrait avoir un nombre impair (n+l) de canaux de section transversale S1 qui alternent avec un nombre pair (n) de canaux de section transversale S2. De plus comme déjà indiqué on peut avoir plus de deux types différents de canaux, par exemple un premier, un deuxième et un troisième canal ayant des sections transversales S1, S2 et S3 différentes. Lorsque deux formes conjuguées sont issues d'une ellipse, les o( deux foyers de l'ellipse sont communs aux deux faces d'une paroi séparant deux canaux adjacents. On donnera ci-après un exemple de réalisation d'un tube tel que représenté sur la figure 2. Le tube de la figure 2 possède une longueur L comprise entre 5 et 60 mm et une largeur 1 (encore appelée hauteur) comprise entre 1 et 3 mm. Le tube possède une épaisseur interne Ei (épaisseur de la cloison transversale 30) comprise entre 0,2 et 0,5 mm. Le pas P entre le centre O d'un canal 24 et le centre de symétrie d'un canal 26 est compris entre 0,8 et 3 mm. L'épaisseur minimale E min de chaque paroi longitudinale 32 est comprise entre 0,2 et 0,5 mm. Le rayon R1 de la section transversale S1 est compris entre 0,2 et 1 mm, tandis que le rayon R2 des forme curvilignes C2a, C2b, C2c et C2d est compris entre 0,4 et 1,5 mm. L'épaisseur Ex (correspondant à l'épaisseur de la paroi d'extrémité 28) est comprise entre 0,25 et 1 mm, tandis que l'épaisseur Ey (correspondant à l'épaisseur de la paroi 32 au niveau des canaux 24) est comprise entre 0,25 et 1 mm. Les valeurs indiquées ci-dessus, données seulement à titre d'exemple, permettent, dans le cas d'un tube en aluminium ou alliage d'aluminium, de réaliser des canaux résistant à des pressions pouvant atteindre 300 à 350 bars. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite précédemment à titre d'exemple et est susceptible de nombreuses variantes, notamment en ce qui concerne le nombre des canaux et la nature des formes conjuguées précitées. Comme déjà indiqué, l'invention trouve une application particulière aux condenseurs utilisés dans les circuits de climatisation des véhicules automobiles. Revendications 1. Tube plat pour échangeur de chaleur, obtenu par extrusion de matière, comportant une multiplicité de canaux intérieurs parallèles (24, 26) de section transversale choisie (Si, S2) pour résister à la pression d'un fluide circulant dans les canaux, les canaux étant délimités par des parois (28, 32) du tube et séparés entre eux par des cloisons transversales (30), caractérisé en ce qu'un premier canal (24) et un deuxième canal (26) séparés par une cloison transversale (30) ont respectivement une première section transversale (Si) et une deuxième section transversale (S2) qui ont des formes conjuguées de part et d'autre de la cloison transversale (30). 2. Tube plat selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cloison transversale (30) présente une épaisseur (Ei) sensiblement constante. 3. Tube plat selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la cloison transversale (30) est délimitée, d'un premier côté, par une première forme curviligne (Cl) concave, appartenant à la première section transversale (Si) et, d'un deuxième côté, par une deuxième forme curviligne (C2a; C2c) convexe appartenant à la deuxième section transversale (S2), la première forme curviligne (Cl) et la deuxième forme curviligne (C2a; C2c) étant sensiblement parallèles ou à même distance. 4. Tube plat selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première forme curviligne (Cl) est définie par un arc de cercle d'un premier rayon (R1) tandis que la deuxième forme curviligne (C2a; C2c) est définie par un arc de cercle d'un deuxième rayon (R2) supérieur au premier rayon (R1). 5. Tube plat selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'arc de cercle de premier rayon (Rl) et l'arc de cercle de deuxième rayon (R2) admettent le même centre (0). 6. Tube plat selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la première section transversale (Sl) a la forme générale d'un cercle, tandis que la deuxième section transversale (S2) a la forme générale d'un quadrilatère, dont deux côtés opposés sont chacun adjacents à une cloison transversale (30) et ont une forme curviligne convexe (C2a, C2c) et dont deux autres côté opposés sont chacun adjacents à une grande face (20) du tube et ont chacun une forme curviligne convexe (C2b, C2d). 7. Tube plat selon la revendication 6, caractérisé en ce que les côtés de forme curviligne convexe (C2a, C2b, C2c, C2d) de la deuxième section transversale (S2) en forme générale de quadrilatère sont réunis deux à deux par des arcs de cercle (C3a, Cab, C3c, c3d) de forme concave. 8. Tube plat selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première forme curviligne (Cl) est définie par un arc d'ellipse et la deuxième forme curviligne (C2a; C2c) est définie aussi par un arc d'ellipse. 9. Tube plat selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend une alternance de premiers canaux (24) et de deuxièmes canaux (26). 10. Tube plat selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un nombre impair (n+1) de canaux (24) d'une première section transversale (Si) alternant avec un nombre pair (n) de canaux (26) d'une deuxième section transversale (S2). 11. Echangeur de chaleur comprenant une multiplicité de tubes plats (16) selon l'une des revendications 1 à 10. 12. Echangeur de chaleur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il est choisi parmi un refroidisseur de gaz, un condenseur, un évaporateur et un échangeur interne et est propre à être traversé par un fluide réfrigérant.