Brevet FR2871876A1 — publié le 20051223

VCL1545.FRD.wpd Dispositif d'échange de chaleur à plusieurs rangées de tubes, en particulier pour véhicules automobiles L'invention concerne le domaine des échangeurs de chaleur, et notamment ceux destinés aux véhicules automobiles. Elle concerne plus particulièrement un dispositif d'échange de chaleur comprenant au moins deux rangées parallèles de tubes débouchant respectivement dans au moins deux boîtes collectrices adjacentes par l'intermédiaire de collecteurs respectifs. Un tel dispositif d'échange de chaleur peut être réalisé, par exemple, sous la forme d'un module comprenant au moins deux échangeurs de chaleur différents ayant chacun une rangée parallèle de tubes. Un exemple typique, dans le domaine des véhicules automobiles, est un module constitué par l'assemblage d'un radiateur de refroidissement d'un moteur et d'un condenseur de climatisation. Dans un tel module, le condenseur est habituellement placé devant le radiateur de refroidissement dans la direction longitudinale (axe des X) du véhicule. Un dispositif de ce type peut être aussi réalisé sous la forme d'un seul échangeur de chaleur dans lequel chaque tube d'une rangée est relié à un tube de l'autre rangée par un coude pour former une structure tubulaire en U ou en épingle. Un exemple typique est un refroidisseur de gaz pour un fluide supercritique. Dans les dispositifs d'échange de chaleur de ce type, les boîtes collectrices qui reçoivent les rangées de tubes présentent un encombrement notable du fait qu'elles doivent présenter des bords longitudinaux en saillie qui dépassent de part et d'autre de chaque rangée de tubes. Autrement dit, la largeur de la boîte collectrice, telle que définie par les deux bords longitudinaux précités, est nécessairement supérieure à la largeur de chaque tube, dans la même direction. Il est en effet nécessaire que chaque boîte collectrice dépasse de part et d'autre de la rangée de tubes qu'elle reçoit pour fournir des ouvertures servant à la réception des extrémités des tubes. Il en résulte par conséquent un encombrement dans une direction perpendiculaire aux rangées de tubes, c'est-à-dire un encombrement dans la direction de l'axe des X, si l'on prend l'exemple d'un module d'échange de chaleur comme défini précédemment. Lorsque deux boîtes collectrices adjacentes sont situées à la même hauteur axiale des tubes, elles présentent à chaque fois des bords longitudinaux respectifs adjacents, qui doivent en plus être espacés mutuellement pour éviter un contact entre les deux boîtes collectrices. Cet espace est nécessaire pour éviter en particulier une conduction thermique entre les boîtes collectrices. Cette conduction serait elle-même préjudiciable à l'efficacité thermique globale de l'échangeur. Autrement dit, l'espace total entre deux tubes appartenant à des rangées adjacentes est l'addition des décalages des collecteurs et du décalage entre les collecteurs. Différentes solutions ont déjà été envisagées pour diminuer 30 l'encombrement en largeur d'un tel dispositif d'échange de chaleur. Le document JP 2001-133187 propose de décaler axialement une rangée de tubes par rapport à l'autre, ce qui entraîne également un décalage axial des boîtes collectrices. Toutefois, cette solution augmente l'encombrement en hauteur du dispositif, c'est-à-dire dans la direction axiale des tubes. Le document JP 2002-318092 propose de découper l'extrémité des tubes. Mais cette solution a pour principal inconvénient de réduire la largeur des tubes utilisée réellement pour la circulation du fluide à l'intérieur des tubes. Une autre solution envisageable est de tordre l'extrémité du tube. Toutefois, cette solution présente deux inconvénients principaux. Il est nécessaire d'avoir une opération supplémentaire de procédé pour réaliser cette torsion. En outre, il n'est pas possible de prévoir des ailettes dans la région de l'extrémité du tube qui a subi la torsion. Ainsi, jusqu'à présent, aucune solution satisfaisante n'a été trouvée pour résoudre le problème d'encombrement précité. Ce problème vient du fait que la largeur de la boîte collectrice est nécessairement plus élévée que celle du tube, si bien que la largeur ou profondeur du dispositif est plus grande que la somme des largeurs de deux tubes. L'invention propose une autre solution pour résoudre ce problème d'encombrement. Conformément à l'invention, les deux boîtes collectrices sont disposées sensiblement à la même hauteur dans la direction axiale des tubes, et chaque boîte collectrice comporte deux bords longitudinaux parallèles faisant saillie de part et d'autre de la rangée et disposés à des hauteurs différentes dans la direction axiale des tubes de manière à former un bord rapproché et un bord éloigné, le bord éloigné d'une première boîte collectrice étant reçu dans un évidement aménagé à proximité du bord rapproché d'une deuxième boîte collectrice. Autrement dit, les boîtes collectrices sont disposées à la même hauteur axiale, mais elles présentent des collecteurs respectifs qui sont inclinés, cette inclinaison résultant du fait que chaque boîte collectrice comporte deux bords longitudinaux disposés à des hauteurs différentes dans la direction axiale des tubes. Ces deux bords longitudinaux constituent respectivement un bord rapproché et un bord éloigné, le bord rapproché d'une première boîte collectrice étant reçu dans un évidement aménagé à proximité du bord éloigné d'une deuxième boîte collectrice. De ce fait, l'espace compris entre deux tubes adjacents (appartenant à deux rangées différentes) résulte de l'addition de deux valeurs, à savoir d'une part le décalage d'un bord longitudinal d'une boîte collectrice, et d'autre part le décalage entre ce bord longitudinal et les tubes de l'autre rangée. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le bord éloigné de la première boîte collectrice et l'évidement de la 15 deuxième boîte collectrice ont des formes conjuguées. Il est avantageux également que les deux boîtes collectrices soient de formes identiques, pour des raisons de standardisation des boîtes ou des moyens d'obtention de ces boîtes. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les collecteurs respectifs des deux boîtes collectrices ont un fond sensiblement plan, dans lequel sont aménagées des ouvertures pour la réception des tubes, qui s'étend entre le bord proche et le bord éloigné en formant un angle aigu par rapport à un plan perpendiculaire aux tubes. Cet angle aigu est avantageusement compris entre 5 et 50 . Il est avantageux également que les tubes aient des extrémités conformées reçues dans les ouvertures du collecteur respectif. Ces extrémités conformées ont avantageusement une forme en biseau délimitée par un plan de découpe sensiblement parallèle au plan du fond du collecteur. Dans une première forme générale de réalisation de l'invention, les deux rangées de tubes appartiennent respectivement à deux échangeurs de chaleur différents. A titre d'exemple, l'un des deux échangeurs de chaleur peut être un radiateur de refroidissement d'un moteur et l'autre un condenseur de climatisation. Ces deux échangeurs de chaleur peuvent être alors assemblés pour former un module. Dans une deuxième forme générale de réalisation de l'invention, les deux rangées de tubes appartiennent à un même échangeur de chaleur, chaque tube d'une rangée étant reliée à un tube de l'autre rangée par un coude pour former une structure tubulaire en U ou en épingle. Dans ce cas, l'échangeur de chaleur est avantageusement un refroidisseur de gaz pour un fluide supercritique. Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue partielle en coupe d'un dispositif d'échange de chaleur de l'art antérieur; - la figure 2 est une vue partielle en coupe d'un dispositif 20 d'échange de chaleur selon une première forme de réalisation de l'invention; - la figure 3 est une vue partielle en coupe d'un dispositif d'échange de chaleur selon une deuxième forme de réalisation 25 de l'invention; - la figure 4 est une vue partielle en coupe d'un dispositif d'échange de chaleur selon une troisième forme de réalisation de l'invention; - la figure 5 est une vue en coupe d'un dispositif d'échange de chaleur selon l'invention comprenant deux échangeurs de chaleur différents assemblés pour former un module; et - la figure 6 est une vue en coupe d'un dispositif d'échange de chaleur selon l'invention réalisé sous la forme d'un échangeur de chaleur unique comprenant des tubes en U ou en épingle. On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente un dispositif d'échange de chaleur de l'art antérieur, désigné dans son ensemble par la référence 10. Ce dispositif comprend deux échangeurs de chaleur 12 et 14 assemblés pour former un module. L'échangeur 12 comprend une boîte collectrice 16 munie d'un collecteur 18 dans lequel débouchent les extrémités d'une première rangée de tubes 20. De façon correspondante, l'échangeur 14 comprend une boîte collectrice 22 munie d'un collecteur 24 dans lequel débouchent les extrémités d'une deuxième rangée de tubes 26. Les deux rangées de tubes 20 et 26 sont parallèles entre elles et les boîtes collectrices 16 et 22 sont situées à la même hauteur par rapport à la direction axiale Dl et D2 des tubes, qui correspond à l'axe des X sur le dessin. Comme on peut le voir sur la figure 1, les boîtes collectrices présentent chacune un encombrement en largeur (ou profondeur) dans la direction de l'axe des X, qui est supérieur à la largeur, dans la même direction, des tubes. Sur la figure 1, on a désigné par L la largeur de la boîte collectrice 16 et par 1 la largeur de chaque tube 20. La boîte collectrice 22 peut avoir une largeur identique ou non à celle de la boîte collectrice 20, cette largeur étant là aussi supérieure à la largeur des tubes 26. De ce fait, entre les rangées de tubes 20 et 26, il se trouve un espace E qui résulte de l'addition de trois valeurs: le décalage Dl d'un bord longitudinal du collecteur 18, le décalage D2 entre ce bord longitudinal et le bord longitudinal adjacent du collecteur 24 et le décalage D3 du bord longitudinal de ce collecteur 24. L'invention permet de diminuer la valeur de l'espace E par des caractéristiques particulières qui vont être décrites 35 maintenant en référence à la figure 2. Comme on peut le voir sur la figure 2, le dispositif d'échange de chaleur 30 selon l'invention comprend deux échangeurs de chaleur 32 et 34 qui, dans l'exemple, sont assemblés pour former un module. L'échangeur 32 comprend une boîte collectrice 36 munie d'un collecteur 38 dans lequel sont reçues les extrémités d'une première rangée de tubes 40 qui s'étendent chacun suivant une direction axiale Dl, parallèle à l'axe des Z (perpendiculaire à l'axe des X). De façon correspondante, l'échangeur de chaleur 34 comprend une boîte collectrice 42 munie d'un collecteur 44 dans lequel sont reçues les extrémités d'une deuxième rangée de tubes 46 qui s'étendent dans une direction axiale D2 parallèle à la direction axiale Dl. Comme on peut le voir sur la figure 2, les deux boîtes collectrices 36 et 42 sont disposées sensiblement à la même hauteur dans la direction axiale des tubes 40 et 46. Cependant, chaque boîte collectrice comporte deux bords longitudinaux en saillie, qui sont disposés à des hauteurs axiales différentes. Ainsi, la boîte collectrice 36 comporte un bord rapproché 48 et un bord éloigné 50. Les qualificatifs "rapproché" et "éloigné" sont utilisés ici par commodité pour exprimer le fait que ces bords se trouvent à des hauteurs axiales différentes. Le bord rapproché 48 est plus près du bas du dessin que ne l'est le bord éloigné 50. De façon correspondante, la boîte collectrice 42 comporte un bord rapproché 52 et un bord éloigné 54. Les deux bords rapprochés 48 et 52 sont situés sensiblement à la même hauteur axiale et il en est de même pour les bords éloignés 50 et 54, ce qui permet aux boîtes collectrices d'être sensiblement à la même hauteur axiale. Le bord éloigné 54 de la boîte collectrice 42 est reçu ici dans un évidement 56 aménagé à proximité du bord rapproché 48 de la boîte collectrice 36, ce qui permet un gain d'encombrement dans la direction de l'axe des X. Avantageusement le bord éloigné 54 et l'évidement 56 ont des formes conjuguées pour permettre une adaptation de leurs formes respectives, sans que toutefois ces deux formes viennent en contact mutuel. De ce fait, l'espace E' entre les tubes 40 et 44 est plus petit que dans l'art antérieur (figure 1). Cet espace résulte uniquement de la somme du décalage D'1 du bord rapproché 48 de la boîte collectrice 36 et du décalage D'2 qui existe entre ce bord rapproché 48 et les tubes 46. On s'affranchit ainsi du décalage du bord éloigné 54 de la boîte collectrice 42, puisque ce bord éloigné est reçu dans l'évidement 56 précité. Comme les bords 48 et 50 de la boîte collectrice 36 et que les bords 52 et 54 de la boîte collectrice 42 sont à des hauteurs axiales différentes, les collecteurs respectifs 38 et 44 de ces boîtes sont inclinés. Cette inclinaison correspond à un angle A par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe des tubes. Cet angle A est aigu et est avantageusement compris entre 5 et 50 . Les collecteurs 38 et 44 ont chacun un fond plat dans lequel sont aménagées des ouvertures (non représentées) de réception des tubes. Il est avantageux que les extrémités des tubes soient également conformées en fonction du caractère oblique des collecteurs précités. Ainsi, comme on peut le voir sur la figure 2, les tubes 40 et 46 ont des extrémités respectives 58 et 60 qui ont une forme en biseau délimitée par un plan de découpe sensiblement parallèle au plan du fond du collecteur. Autrement dit, la découpe en biseau se fait suivant le même angle A. Il est avantageux que les boîtes collectrices 36 et 42 soient identiques pour des raisons de standardisation. Dans ces conditions, la boîte collectrice 42 présente un évidement 62 analogue à l'évidement 56 de la boîte collectrice 36. Cet évidement ne présente en principe pas de fonction. Il peut cependant servir à recevoir le bord éloigné d'une troisième boîte collectrice, dans le cas où le dispositif résulterait de l'assemblage de trois échangeurs différents. En effet, le principe de l'invention s'applique de façon générale à des dispositifs d'échangeur de chaleur comprenant au moins deux rangées parallèles de tubes. Les tubes 40 et 46 sont munis d'ailettes respectives 64 et 66, ici des ailettes planes, et présentent des régions d'extrémité 68 et 70 qui sont dépourvues d'ailettes en raison de la configuration oblique des collecteurs. La figure 3 et la figure 4 montrent des dispositifs analogues à celui de la figure 2, dans lequel les boîtes collectrices ont des formes différentes. On se réfère maintenant à la figure 5 qui montre un dispositif d'échange de chaleur analogue à celui de la figure 2. On voit que l'échangeur de chaleur 32 comprend, à son autre extrémité, une boîte collectrice 72 analogue à la boîte collectrice 36 et que l'échangeur de chaleur 34 comprend à son autre extrémité une boîte collectrice 74 analogue à la boîte collectrice 42. Les boîtes collectrices 72 et 74 sont disposées sensiblement à la même hauteur dans la direction axiale des tubes et elles présentent des collecteurs respectifs disposés obliquement pour permettre également un gain en encombrement. La figure 6 montre un autre dispositif d'échange de chaleur 76 selon l'invention dans lequel chaque tube 40 d'une rangée est relié à un tube 46 d'une autre rangée par un coude 78 pour former une structure tubulaire en U ou en épingle. Autrement dit, le dispositif 76 constitue ici un seul échangeur de chaleur. Le dispositif de l'invention trouve une application générale aux échangeurs de chaleur pour véhicules automobiles. Dans le cas où le dispositif comporte deux échangeurs de chaleur différents, comme c'est le cas du dispositif de la figure 5, l'un des échangeurs, par exemple l'échangeur 32, peut constituer un condenseur de climatisation et l'autre échangeur, par exemple l'échangeur 34, peut constituer un radiateur de refroidissement d'un moteur. Ces deux échangeurs peuvent être assemblés mutuellement pour constituer un module. Dans un tel module, les deux échangeurs de chaleur peuvent avoir des ailettes respectives différentes ou bien partager des ailettes communes. Dans le cas où le dispositif d'échange de chaleur constitue un seul et même échange de chaleur comme montré sur la figure 6, le dispositif est utilisé pour échanger de la chaleur avec un seul fluide. Il peut être réalisé, par exemple, sous la forme d'un dispositif pour refroidir les gaz d'échappement issus d'un moteur à combustion de véhicule automobile, d'un condenseur ou d'un évaporateur de climatisation, d'un refroidisseur de gaz pour un fluide supercritique tel que du dioxyde de carbone, ou d'un refroidisseur d'air de suralimentation d'un moteur de véhicule automobile. On comprendra que le dispositif de l'invention est susceptible de nombreuses variantes et d'applications différentes. Les boîtes collectrices, les collecteurs, les tubes et les ailettes peuvent être assemblés mutuellement par des moyens mécaniques, par exemple par sertissage, par brasage, ou encore par toute combinaison de ces moyens. La forme des tubes des échangeurs est également susceptibles de nombreuses variantes et le terme "tube" est à considérer ici au sens large comme désignant tout moyen formant des canaux de circulation d'un fluide. Bien que l'invention ait été décrite en référence particulière à un dispositif comprenant deux rangées de tubes, elle peut s'appliquer de façon générale à des dispositifs comportant plus de deux rangées de tubes, par exemple trois rangées de tubes, voire davantage. Revendications 1. Dispositif d'échange de chaleur comprenant au moins deux rangées parallèles de tubes débouchant respectivement dans au moins deux boîtes collectrices adjacentes par l'intermédiaire de collecteurs respectifs, caractérisé en ce que les deux boîtes collectrices (36, 42) sont disposées sensiblement à la même hauteur dans la direction axiale (Dl, D2) des tubes (40, 46), en ce que chaque boîte collectrice comporte deux bords longitudinaux parallèles (48, 50; 52, 54) faisant saillie de part et d'autre de la rangée et disposés à des hauteurs différentes dans la direction axiale des tubes de manière à former un bord rapproché (48; 52) et un bord éloigné (50; 54), et en ce que le bord éloigné (54) d'une première boîte collectrice (42) est reçue dans un évidement (56) aménagé à proximité du bord rapproché (48) d'une deuxième boîte collectrice (36). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bord éloigné (54) de la première boîte collectrice (42) et l'évidement (56) de la deuxième boîte collectrice (36) ont des formes conjuguées. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les formes des deux boîtes collectrices (36, 42) sont identiques. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les collecteurs respectifs (38; 44) des deux boîtes collectrices (32, 34) ont un fond sensiblement plan (39, 45), dans lequel sont aménagées des ouvertures pour la réception des tubes, qui s'étend entre le bord proche et le bord éloigné en formant un angle aigu (A) par rapport à un plan perpendiculaire aux tubes. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'angle aigu (A) est compris entre 5 et 50 . 6. Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les tubes (40, 46) ont des extrémités conformées (58, 60) reçues dans les ouvertures du collecteur respectif. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les extrémités conformées (58, 60) des tubes ont une forme en biseau délimitée par un plan de découpe sensiblement parallèle au plan du fond du collecteur. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les deux rangées de tubes (40, 46) appartiennent respectivement à deux échangeurs de chaleur différents (32, 34). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'un des deux échangeurs de chaleur (32, 34) est un radiateur de refroidissement d'un moteur et l'autre un condenseur de climatisation. 10. Dispositif selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que les deux échangeurs de chaleur {32, 34) sont assemblés pour former un module. 11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les deux rangées de tubes (40; 46) appartiennent à un même échangeur de chaleur (76), chaque tube (40) d'une rangée étant relié à un tube (46) de l'autre rangée par un coude (78) pour former une structure tubulaire en U ou en épingle. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur est un refroidisseur de gaz pour un fluide supercritique.