Brevet FR2885206A1 — publié le 20061103

L'invention concerne un type amélioré d'échangeur de chaleur, mis en oeuvre par un conduit dans lequel s'écoule un liquide devant être refroidi et placé dans un environnement avec lequel le conduit échange de la chaleur; afin d'améliorer ledit échange thermique, sur ledit conduit, qui est de forme diverse, de préférence avec des coudes réguliers, de manière que ledit conduit soit étendu sur une pluralité de plans distincts, certains éléments métalliques et analogues à un fil sont agencés; en présentant une pluralité de points de contact et, par conséquent, de pontage thermique, entre ledit conduit et lesdits éléments métalliques. Ci-après, dans cette description, on va se référer à un échangeur de chaleur utilisé comme condenseur pour des réfrigérateurs domestiques, dans lequel ledit condenseur est placé normalement dans un plan vertical unique, à l'arrière du même réfrigérateur, mais il va être entendu que la présente invention peut être appliquée de façon générale à tout type d'échangeur de chaleur. Les échangeurs de chaleur du type illustré sur la Fig. 1 sont connus; lesdits échangeurs de chaleur sont formés d'un conduit métallique 1 agencé en rangées parallèles et coplanaires, pour former une grille régulière; afin d'augmenter l'échange thermique entre ledit conduit et l'air environnant, sur ladite grille étant appliqués une pluralité d'éléments métalliques, allongés, cylindriques, rectilignes et d'allure analogue à un fil (non représentés). Lesdits éléments allongés sont montés de telle manière qu'ils forment une deuxième grille, dans 2885206 2 laquelle lesdits éléments allongés sont formés d'alliages contenant du fer, sont circulaires d'un diamètre d'environ 1,5 m/m et sont mis en place parallèlement les uns aux autres, peuvent être situés à la même distance et sont posés dans seulement un plan et sont reliés au conduit par un soudage électrique usuellement automatique, permettant au transfert de chaleur entre le conduit et lesdits éléments de se faire, mettant ainsi en oeuvre le condenseur final symboliquement représenté sur la Fig. 3. La présence de ladite deuxième grille, formée d'éléments allongés, favorise, tel que ceci est bien connu, l'échange thermique, étant donné qu'elle augmente de manière appréciable la surface d'échange globale; de plus, elle aide à rigidifier la structure mécanique et, par conséquent, améliorer la résistance globale du condenseur, qui autrement présenterait une flexibilité structurelle excessive. Une telle solution, comprenant les éléments allongés ou analogues à un fil, est absolument avantageuse, pour d'autres raisons et des raisons connues, étant donné qu'elle est aisée à produire, qu'elle ne demande pas d'utiliser de matériaux coûteux et qu'elle offre de bonnes performances. Ladite solution est techniquement valide d'un point de vue strictement technique et productif; cependant, dans l'environnement de production plus général, du fait des coûts très élevés à envisager pour fournir les condenseurs devant être montés sur les réfrigérateurs domestiques et pour la pression continuelle imposée en termes de compétition, la gêne provoquée par lesdits éléments métalliques allongés est à présent considérée comme excessive, étant donné que 2885206 3 la majeure partie du matériau utilisé par ceux-ci ne travaille pas directement comme échangeur de chaleur. Il est un fait qu'une telle solution technique est caractérisée positivement en ce que la section relativement grande des éléments allongés favorise le transfert de chaleur par conduction, mais agit négativement sur l'échange de chaleur, du fait de l'aire de contact et minuscule qu'on a, entre le conduit et lesdits éléments allongés. De plus, il faut évaluer l'effet négatif imputable à la surface extérieure réduite des éléments allongés, qui limite la quantité de chaleur échangée vers l'extérieur par convection. La conclusion finale est que la géométrie cylindrique desdits éléments allongés métalliques est assez inefficace, étant donné que l'échange de chaleur lui-même, dépendant directement de l'aire surfacique dans laquelle il se produit, pourrait être obtenu même avec des éléments allongés ayant la même surface mais un volume, et par conséquent une quantité globale de matériau utilisé, qui soit particulièrement plus petit(e). Par le WO 99/36200 et le US 4.969.255, il est connu de produire certains types d'échangeurs de chaleur dans lesquels des éléments radiants additionnels sont appliqués sous forme de rubans plats, enroulés en spirale autour des conduits dans lesquels s'écoule le liquide réfrigéré, de telles solutions, même si elles sont efficaces du fait de l'usage rationnel fait du matériau des éléments radiants, ont des résultats onéreux et délicats, du fait des technologies mécaniques et industrielles qui doivent être utilisées. 2885206 4 Par le brevet US 2004/0256093 Al, il est connu de réaliser certains échangeurs de chaleur, dans lesquels les éléments radiants additionnels sont formés de plaques plates, dans lesquelles leur surface s'étend entièrement d'un conduit à l'autre, réalisant ainsi une solution qui est géométriquement assimilable à une solution connue sous l'appellation de "roll-bond" (liaison roulée). Grâce à une telle solution, il est possible de produire certains échangeurs de chaleur qui sont robustes et très efficaces, du fait de la haute quantité de chaleur pouvant être échangée eu égard au volume réellement occupé, mais qui présentent le lourd inconvénient selon lequel l'utilisation de la grande quantité de tôle métallique, nécessaire pour lesdites plaques, est vraiment inacceptable. Par le EP 1 411 314 Al, on connaît la solution dans laquelle le conduit pontant le fluide à refroidir est partiellement enveloppé par une surface mince, qui s'étend à l'extérieur et radialement, et qui a comme effet d'augmenter l'échange de chaleur. Ladite solution cependant présente l'inconvénient d'être plus complexe et, par conséquent, plus coûteuse et, de plus, il y a le fait que le contact, entre le conduit et la partie enroulée dans une telle surface, est plus incertain et, ainsi, moins fiable et, par conséquent, plus vulnérable à des contraintes mécaniques et/ou thermiques. Il serait alors souhaitable de mettre en oeuvre un type d'échangeur de chaleur apte à éviter les inconvénients justement décrits, de permettre une amélioration de l'exploitation des matériaux et de demander des techniques de production qui soient 2885206 5 simples, qui puissent être fabriquées en production en grande série pour des coûts limités. Ces buts ainsi que d'autres qui vont être décrits plus en détail sont atteints en mettant en oeuvre un type d'échangeur de chaleur, en particulier pour des réfrigérateurs domestiques, comprenant: - des moyens tubulaires assurant l'écoulement d'un fluide réfrigérant, - des éléments auxiliaires d'échange thermique, constitués d'une pluralité d'éléments allongés et sensiblement analogues à des fils, agencés en contact avec lesdits moyens tubulaires, qui se caractérisent, selon l'invention, en ce que lesdits éléments auxiliaires d'échange thermique sont constitués de bandes allongées, de forme prismatique et ayant une section transversale particulièrement aplatie et dans lequel au moins un côté est rendu plat. Lesdits éléments prismatiques et analogues à des fils présentent préférentiellement une section transversale de forme rectangulaire. Lesdites bandes allongées sont reliées auxdits moyens tubulaires par soudage, et sont agencées sur lesdits moyens tubulaires, de telle manière que le contact de pontage thermique soit créé sur le grand côté de la section transversale de forme rectangulaire et étant donc soudées sur lesdits moyens tubulaires sur le côté au moins d'un côté plat et étant disposées parallèlement les unes aux autres. 2885206 6 Lesdits moyens tubulaires et lesdites bandes allongées sont couvertes extérieurement par un traitement de galvanisation sans protection par un rajout de peinture. Les avantages obtenus grâce à cette invention consistent principalement en ce qu'elle permet: a) de réaliser les bandes allongées dans un matériau, dans lesquelles l'utilisation du matériau est optimisée: c'est- à-dire, que le rapport entre la quantité de matériau totale, utilisée pour fabriquer lesdites bandes et l'aire par rapport à la surface extérieure, est réduit. b) la création d'une zone de contact, entre conduits et bandes, qui ne soit pas un point, mais qui puisse être constituée d'un segment d'une longueur définie. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va suivre de différents modes de réalisation de l'échangeur de chaleur selon l'invention, donnés à titre d'exemple non limitatif, au regard des dessins annexés, sur lesquels: - la fig.l représente une vue en perspective du moyen tubulaire de canalisation du fluide réfrigérant, - la fig.2 représente les éléments auxiliaires d'échange thermique, - la fig.3 représente le moyen tubulaire selon la fig.l équipé de ses éléments auxiliaires d'échange thermique, 2885206 7 -la Fig.4 représente une vue en perspective à plus grande échelle d'un détail de l'échangeur de chaleur selon l'invention, - la Fig.5 représente une vue avant du détail de la 5 Fig. 4, - les Figs.6 et 7 illustrent deux vues en perspective de deux modes de réalisation respectives de l'échangeur de la Fig. 4. Selon les figures 4 et 5, l'invention consiste en la mise en oeuvre d'un type rentable d'échangeur de chaleur, fondamentalement similaire à celui représenté sur la figure 3, dans lequel lesdits éléments allongés servant à augmenter l'échange thermique sont obtenus en utilisant certaines bandes 2, très simples et allongées, qui sont agencées et placées en contact avec les conduits 1, dans lesquels le liquide à refroidir s'écoule; lesdites bandes 2 allongées présentant toujours une géométrie fondamentalement analogue à un fil, et leur section transversale (A) étant toujours très plate, ayant un côté long m et un côté court n. Par conséquent, lesdites bandes allongées sont, d'un point de vue strictement géométrique, des prismes respectifs ayant une section rectangulaire au lieu d'avoir une section circulaire, comme dans le cas représenté sur la figure 2, selon l'art antérieur. L'avantage d'un tel profilage des éléments allongés peut être vérifié en se basant sur les considérations ci-après: Etant donné que la vue en coupe des éléments allongées selon l'art antérieur est circulaire (voir figure 2), et en se rappelant que la surface d'un cylindre de hauteur h et de rayon r est donnée par la formule: S = 2nr" h et que son volume est: V = irr2 h, tandis que, dans un prisme de la même hauteur h et d'une section transversale rectangulaire, ayant des côtés m et n, la surface extérieure est: S = 2(m+n) h et que son volume est: V = m n h, si les aires des deux surfaces sont rendues égales, on obtient: m + n = i ' r Si les deux volumes respectifs sont à présent comparés, le rapport, entre le volume de prisme et le volume du cylindre correspondant, est: m. n. h _ m n r2. h 7r r2 Il est à noter à présent que, si la taille n du petit côté du prisme tend vers zéro, en maintenant la surface extérieure à une valeur constante, alors ledit rapport desdits volumes différents tend vers zéro; ce qui signifie que, plus la forme du prisme est plate, sans changement de l'aire de sa surface extérieure, plus son volume tend à être réduit plus rapidement que le volume du cylindre correspondant, qui au lieu de cela ne change pas de valeur, étant donné que sa surface extérieure et sa hauteur doivent également être maintenues à une valeur constante. 2885206 9 Avantageusement, lesdites bandes 2 allongées sont agencées sur la surface extérieure du conduit 1, dont sa face correspond en tant que section au grand côté m du rectangle d'une section transversale "A". Ce fait offre un avantage double; tout d'abord, l'aire de contact est plus grande étant donné qu'elle devient un segment 3 et, par conséquent, ceci favorise l'échange de chaleur entre le conduit 1 et la bande 2 par rapport à l'art antérieur dans lequel l'aire de contact entre les deux surfaces cylindriques du conduit 1 et des éléments allongés cylindriques est inévitablement uniquement ponctuelle. De plus, la plus grande aire de la surface de contact permet d'avoir un soudage électrique plus 15 large, et ce fait, également, améliore la rigidité globale du produit ainsi fabriqué. Il est un fait que la solution venant juste d'être décrite permet d'utiliser les techniques de production déjà largement testées et les installations déjà existantes; par conséquent, ceci est profitable au sens où l'agencement desdites bandes 2 sur les conduits 1 est constitué d'un soudage électrique, bien connu dans l'art et, par conséquent, n'allant pas faire l'objet d'une explication supplémentaire. L'invention consiste globalement à former lesdites bandes avec également des formes différentes, dans laquelle les sections transversales afférentes présentent des géométries différentes de celles qui ont été représentées, uniquement à titre d'exemple, sur les figures 6 et 7; l'exemple, qui vient d'être donné, présente un mode de réalisation préféré dans lequel la section transversale (A) présente une forme rectangulaire. 2885206 10 En particulier, dans le cas de section prismatique lesdits prismes doivent avantageusement présenter au moins une section aplatie avec un côté "B" qui est plat, ce qui, bien sûr, ce que l'on a préféré utiliser et agencer et souder sur ledit conduit 1, ce qui permet d'avoir un meilleur transfert thermique et une surface de soudage plus large. Les manières de positionner et d'implanter lesdites bandes 2 allongées peuvent par conséquent être choisies à volonté par rapport aux contraintes existantes et, pair conséquent, de telles bandes sont de préférence disposées à la même distance de chaque autre et, lorsque cela est possible, elles sont perpendiculaires à la direction prévalente des conduits 1, mais bien sûr d'autres agencements sont possibles. Au cours des tests poussés ayant été effectués, il a également été noté qu'une évolution profitable de l'invention consistait à mettre en oeuvre une galvanisation et globalement dans un procédé de neutralisation antioxydante basé sur des métaux, à la fois sur lesdites bandes et sur lesdits conduits 1. Un tel traitement préliminaire, qui est extrêmement simple et non coûteux, permet d'accomplir le soudage électrique entre lesdits éléments, évitant ainsi un éventuel inconvénient, et encore, étant donné qu'ils sont automatiquement protégés contre l'oxydation, il permet d'éviter le traitement final de peinture usuellement effectué par immersion, qui est mis en oeuvre selon l'art antérieur et qui implique une complication importante du procédé de production et entraîne des coûts non négligeable. 11 REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur, de préférence utilisé en tant que condenseur dans les dispositifs de type réfrigérateur domestique, comprenant: - des moyens tubulaires pour conduire un fluide réfrigérant, -des éléments auxiliaires d'échange thermique, constitués d'une pluralité d'éléments allongés et sensiblement analogues à des fils, agencés en contact avec lesdits moyens tubulaires, caractérisé en ce que lesdits éléments auxiliaires d'échange thermique sont constitués de bandes allongées, de forme prismatique et ayant une section transversale (A) particulièrement aplatie, dans lesquels au moins un côté "B" est rendu plat. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits éléments prismatiques et analogues à des fils présentent une section transversale (A) à forme rectangulaire. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdites bandes (2) allongées sont reliées auxdits moyens tubulaires, par un soudage électrique. 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdites bandes allongées sont agencées sur lesdits moyens tubulaires, de telle manière que le contact de pontage thermique soit créé sur le côté long (m) du rectangulaire (A) résultant de ladite section transversale. 5. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdites 2885206 12 bandes allongées sont soudées sur lesdits moyens tubulaires (1), sur le côté dudit au moins un côté plat (B). 6. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites bandes allongées (2) sont agencées parallèlement les unes aux autres. 7. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens tubulaires (1) et lesdites bandes allongées sont couvertes extérieurement par un traitement de galvanisation. 8. Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens tubulaires et lesdites bandes allongées ne sont protégés par aucun traitement de peinture.