Brevet FR2886393A1 — publié le 20061201

L'invention concerne les échangeurs de chaleur, notamment pour les véhicules motorisés. Plus particulièrement l'invention concerne les ailettes utilisées afin d'augmenter la surface d'échange de chaleur avec un fluide. De telles ailettes peuvent avoir globalement la forme de plaques superposées les unes au-dessus des autres tout en étant séparées par des passages pour un fluide extérieur, et dans ce cas des tubes contenant un fluide intérieur s'étendent au travers de la pile de plaques. Elles peuvent aussi être globalement en forme d'ondulations périodiques, et dans ce cas elles servent d'intercalaires entre les tubes. Certaines formes connues d'ailettes ont localement des séries de lamelles globalement rectangulaires, qui sont inclinées par rapport à la direction d'entrée du fluide extérieur dans l'échangeur et qui sont espacées entre elles par des ouvertures de façon à permettre au fluide extérieur de circuler entre les lamelles. L'inclinaison des lamelles a pour effet de changer la direction du fluide et de le diviser en plusieurs couches, chacune étant alors associée à une série de lamelles lors de sa traversée de l'échangeur. D'autres formes connues d'ailettes comportent des lamelles également globalement rectangulaires mais formant des ponts en élévation par rapport au plan général de l'ailette correspondante. L'avantage par rapport à la forme précédente est de ne pas dévier le fluide ce qui permet de diminuer sa perte de charge au cours de sa traversée de l'échangeur. Par contre la disposition de ces lamelles ne leur permet pas toujours d'entrer en contact avec des couches de fluide bien différenciées thermiquement. Un exemple d'une telle ailette est donné par le brevet japonais dont le numéro de publication est JP62175589. Sa particularité est d'ajouter aux lamelles des ailettes secondaires qui y sont découpées, et qui sont inclinées verticalement par rapport au plan des lamelles, tout en restant orientées dans le sens de l'écoulement. Ces ailettes secondaires doivent toutefois être décalées les unes par rapport aux autres, selon une direction perpendiculaire à la direction de circulation du fluide, lorsque l'on passe d'une lamelle à une autre en aval, pour qu'elles ne rencontrent pas les mêmes couches de fluide. Dans tous les cas, les ailettes et les lamelles comportent généralement chacune un bord amont et un bord aval relativement au sens de l'écoulement du fluide. Le bord amont a une importance particulière puisqu'il peut, s'il est bien positionné, profiter de l'effet de bord d'attaque, c'est-à-dire échanger de la chaleur avec une couche de fluide non affectée thermiquement ou bien peu affectée, et ainsi profiter d'un plus grand écart de température avec le fluide. Quel que soit le type d'ailette, on doit pour profiter de l'effet de bord d'attaque faire un compromis entre les différents paramètres géométriques, car il faut aussi tenir compte du rendement d'ailette qui baisse notamment lorsque l'on augmente la longueur de l'ailette ou de la lamelle perpendiculairement à la direction d'écoulement du fluide, ou bien lorsque l'on pratique une entaille dans une lamelle, notamment pour y réaliser une ailette secondaire. La présente invention vise à proposer une nouvelle catégorie d'ailettes métalliques pour échangeur de chaleur, du type comprenant des lamelles inclinées par rapport à la direction d'entrée du fluide dans l'échangeur, mais qui permet d'augmenter la longueur des bords amont des lamelles en ayant recours à des ailettes secondaires qui ne dévient pas l'écoulement, et cela sans altérer notablement le compromis entre les différents paramètres géométriques. L'invention permet donc d'améliorer encore le rapport entre la puissance d'échange calorifique et la perte de charge subie par le fluide extérieur lors de la traversée de l'échangeur, ainsi que le rapport entre la puissance d'échange calorifique et la surface de l'échangeur en contact avec le fluide extérieur. Pour ce faire, l'invention concerne une ailette métallique pour échangeur de chaleur caractérisée en ce que: - elle comporte au moins un ensemble de lamelles séparées entre elles par des ouvertures, se succédant de l'amont vers l'aval, et inclinées dans le même sens par rapport à la partie localement au moins sensiblement plane que formerait l'ailette si des lamelles n'y étaient pas formées, de façon à changer la direction de circulation du fluide - au moins un bord amont desdites lamelles comporte des ailettes secondaires qui y sont découpées, qui sont inclinées par rapport à la lamelle correspondante tout en étant orientées selon la direction locale de l'écoulement imposée par la lamelle, et qui constituent des profils laminaires - chacune desdites ailettes secondaires a une largeur maximale suivant la direction locale de l'écoulement, inférieure à la largeur de la lamelle correspondante suivant la même direction. L'effet des ailettes secondaires est un compromis entre la surface de chacune de ces ailettes et le nombre de ces ailettes. La configuration générale de l'ailette avec des lamelles inclinées par rapport à la direction d'entrée du fluide dans l'échangeur conduit à une division du flux en couches de faibles épaisseurs. De plus les lamelles sont relativement peu décalées les unes par rapport aux autres et on peut vouloir éviter qu'elles n'interfèrent thermiquement. Ainsi on peut privilégier la densité des ailettes secondaires par rapport à leur surface unitaire. Selon un mode avantageux de réalisation de l'invention, les ailettes secondaires ont une forme qui se resserre vers l'amont lorsqu'on s'éloigne de la jonction entre l'ailette secondaire et le reste de la lamelle. Cela permet de disposer une ailette secondaire directement à l'extrémité de la coupe d'une ailette secondaire voisine tout en lui laissant un pont de matière suffisamment large pour la lier thermiquement avec la partie principale de la lamelle. Une forme simple aboutissant à un resserrement vers l'amont est la forme triangulaire. Dans une autre variante, des ailettes secondaires ont une forme au moins sensiblement triangulaire, un seul côté du triangle correspondant à une incision dans la lamelle. Une autre forme simple aboutissant à un resserrement mais qui permet de maximiser la surface de l'ailette secondaire est une portion d'ellipse. Dans une autre variante, des ailettes secondaires ont au moins sensiblement la forme d'un quart d'ellipse, le côté arrondi correspondant à l'incision dans la lamelle. Pour obtenir une bonne densité d'ailettes il faut également limiter leurs dimensions. Cela permet aussi de préserver le rendement des lamelles en limitant la longueur des incisions. Dans une autre variante, chacune desdites ailettes secondaires a une largeur maximale suivant la direction locale de l'écoulement, et une longueur maximale mesurée perpendiculairement, comprises entre deux et cinq fois l'épaisseur de la lamelle. Les ailettes secondaires voient se développer une couche limite thermique sur leur surface. Pour que cette couche limite n'altère pas l'efficacité de l'ensemble de la lamelle, il faut que l'ailette secondaire s'en détache nettement par une inclinaison suffisante. Dans une autre variante, les ailettes secondaires ont une inclinaison moyenne, par rapport aux lamelles correspondantes, supérieure à 45 . Pour des motifs liés à la fabrication de l'ailette, on peut vouloir éviter des angles trop marqués dans la structure de l'ailette. Dans une autre variante, des ailettes secondaires sont incurvées tout en restant orientées selon la direction de l'écoulement. Cela permet d'obtenir une inclinaison moyenne de l'ailette secondaire suffisante pour la démarquer du reste de la lamelle tout en gardant un rayon de courbure notable au niveau de la jonction entre l'ailette secondaire et le reste de la lamelle. Lorsque les ailettes secondaires sont en grand nombre sur un bord amont, on peut vouloir répartir leur effet sur les deux faces de la lamelle. On peut aussi vouloir éviter de diminuer trop fortement la section de passage entre deux lamelles voisines car l'épaisseur des ailettes secondaires n'est pas négligeable devant la petitesse des ouvertures. Dans une autre variante, les ailettes secondaires d'une même lamelle sont inclinées pour une partie d'entre elles d'un côté de la lamelle et pour une autre partie de l'autre côté. Le processus de formage peut aboutir à un écrasement de l'ailette secondaire. Cela augmente sa surface, en diminuant toutefois son épaisseur. L'efficacité de l'ailette secondaire peut s'en trouver améliorée Dans une autre variante, des ailettes secondaires ont une épaisseur qui diminue lorsqu'on les suit en s'éloignant de la jonction avec le reste de la lamelle. Bien entendu le métal utilisé pour la réalisation de l'ailette doit présenter un bon compromis entre ses caractéristiques thermiques et mécaniques. Par conséquent certaines de ses variantes peuvent être réalisées en aluminium, en cuivre, ou dans un alliage basé sur ces métaux. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles: - La figure 1 est une vue depuis l'amont d'une lamelle d'ailette selon un mode 25 particulier de réalisation de l'invention. - La figure 2 est une vue correspondant à la vue de la figure 1 selon la coupe A-A. - La figure 3 est une vue de dessus correspondant à la vue de la figure 1. - La figure 4 est une vue partielle en coupe d'ailettes selon un mode particulier de réalisation de l'invention, comprenant des lamelles et des ailettes secondaires du type de celles de la figure 1. Dans tout le texte de la présente demande, les termes "amont" et "aval" sont utilisés en référence à la direction et au sens de circulation du fluide en contact avec l'ailette. Dans le cas des figures il s'agit d'air dont le flux est représenté par les flèches (11) et (17). Dans l'exemple représenté la lamelle (1) comporte un ensemble d'ailettes secondaires (2) découpées dans le plan (9) de la lamelle et inclinées d'un angle a (4) qui dans ce cas est de 90 par rapport au plan (9). Il s'agit d'un cas particulier puisque les contraintes de fabrication pourraient imposer un angle plus faible, par exemple de 60 . La lamelle (1) pourrait aussi avoir une ligne moyenne incurvée et ne pas présenter de plan tel que le plan (9). La figure 3 montre bien que les ailettes secondaires (2) sont parallèles au flux d'air local (11), n'en changent pas la direction et constituent des profils laminaires. Ces ailettes secondaires (2) sont situées au niveau du bord amont (10) de la lamelle (1). On y voit également la forme (12) triangulaire des coupes propres à ce mode particulier de réalisation de l'invention. Cette forme est telle qu'une ailette secondaire s'amincit vers l'amont lorsque l'on s'éloigne de la jonction (3) avec le plan (9) de la lamelle (1). Un tel amincissement diminue l'effet thermique d'une ailette secondaire (2) mais permet de rapprocher les ailettes secondaires (2) l'une de l'autre et d'en avoir une plus grande densité puisque les coupes (12) sont quasiment en contact les unes avec les autres ce qui ne pourrait se faire si elles étaient par exemple rectangulaires. La largeur La des ailettes secondaires (2) au niveau des jonctions (3), c'est-à-dire la largeur des ailettes secondaires (2) suivant l'écoulement est très inférieure à la largeur Lm de la lamelle (1) suivant l'écoulement. Cela permet de limiter l'ampleur des coupes dans la lamelle et de préserver son rendement thermique en tenant compte également de la longueur de la lamelle entre les extrémités (7) et (8) qui sont aussi les liaisons avec le reste de l'ailette, puis avec le ou les tubes auxquels l'ailette est liée et dans lesquels circule le fluide intérieur, source ou puits de chaleur. Un des côtés du triangle (12) correspond à la jonction (3) entre l'ailette secondaire (2) et le plan (9) de la lamelle (1), cette jonction étant confondue avec l'axe d'inclinaison de l'ailette secondaire (2). La notion de bord amont (10) de la lamelle se définit comme une ligne imaginaire qui délimiterait la lamelle (1) en amont si des ailettes secondaires (2) n'y étaient pas découpées. On constate que la jonction (3) est perpendiculaire au bord amont (10) de la lamelle (1) comme l'est la direction du flux d'air local (11). Si cette direction était inclinée par rapport au bord amont (10) de la lamelle, la jonction (3) de l'ailette secondaire ne devrait plus être perpendiculaire au bord de façon à compenser l'orientation du flux d'air. Si le flux d'air local (11) est à une température différente de la température de la lamelle (1) un échange thermique va avoir lieu entre les deux. Une couche limite thermique va se développer depuis la surface de la lamelle (1) et croître de l'amont vers l'aval. Elle va se développer non seulement perpendiculairement au plan (9) de la lamelle c'est-à-dire verticalement sur la figure 1, mais aussi perpendiculairement au plan des ailettes secondaires (2) c'est-à-dire perpendiculairement au plan de la feuille sur la figure 1. La somme des longueurs des bords amont (6) des ailettes secondaires (2) et des bords amont au niveau des incisions (5) du plan de la lamelle (9) est supérieure à la longueur du bord amont (10) de la lamelle (1). On profite ainsi au maximum de l'effet de bord d'attaque en échangeant de la chaleur en amont où le fluide est encore peu affecté thermiquement. A titre indicatif, la lamelle (1) des figures 1, 2 et 3 a une largeur Lm mesurée en suivant la direction locale de l'écoulement de 1 millimètre. Une ailette secondaire (2) a une largeur maximale La mesurée en suivant la direction locale de l'écoulement de 0,3 millimètre. Cela correspond à la longueur de la jonction (3) entre l'ailette secondaire (2) et le reste de la lamelle (1). La hauteur des ailettes secondaires (2) perpendiculairement au plan (9) de la lamelle (1) est de 0,4 millimètre. Cela correspond aussi pratiquement à l'écart entre deux ailettes secondaires (2) mesuré sur le bord amont (10). L'épaisseur de la lamelle (1) et aussi de l'ailette secondaire (2) est de 0,08 mm. Les ailettes (13) de la figure 4 présentent des lamelles (1) et des ailettes secondaires (2) semblables à celles des figures précédentes. Il s'agit d'une vue en coupe de trois ailettes (13) faisant partie d'un faisceau d'ailettes superposées les unes au-dessus des autres, et pourvues de coupes pour y passer des tubes contenant un fluide intérieur. Elle pourrait aussi être une vue en coupe de trois parties d'une même ailette ondulée servant d'intercalaire entre des tubes contenant un fluide intérieur. Une ailette (13) comporte au moins un ensemble (14) de lamelles, séparées entre elles par des ouvertures. Si des lamelles (1) n'y étaient pas formées, une ailette (13) comporterait une partie localement au moins sensiblement plane (18), représentée en pointillés. Les lamelles de l'ensemble (14) sont inclinées dans le même sens par rapport à ce plan (18) virtuel. Elles sont orientées vers le haut lorsque l'on va de l'amont vers l'aval sur la figure. Ainsi elles dévient toutes le flux d'air (17) vers le haut alors qu'un ensemble de lamelles situé an aval le dévie vers le bas. Les ensembles d'ailettes secondaires (15) et (16) sont situés respectivement en amont et en aval. On constate que les ailettes secondaires (2) de l'ensemble (15) sont placées en-dessous des lamelles (1) correspondantes alors que les ailettes secondaires (2) de l'ensemble (16) sont placées sur le dessus des lamelles (1) correspondantes. Il s'agit d'un choix spécifique à ce mode de réalisation afin d'éviter qu'un bord amont n'accroche le bord aval de la lamelle précédente lors de la fabrication. D'autres géométries d'ailettes ou bien d'autres méthodes de fabrication peuvent permettre de placer par exemple toutes les ailettes secondaires au-dessus des lamelles correspondantes, ou bien d'alterner sur une même lamelle des ailettes secondaires placées au-dessus et d'autres en-dessous. Le flux d'air (17) est dévié notamment par les lamelles de l'ensemble (14) et divisé en plusieurs couches d'épaisseurs e moindres que l'épaisseur E du flux d'air (17) qui entre dans l'intervalle entre deux ailettes (13). Cette affectation de couches d'air à différentes lamelles permet de profiter pleinement de la densité des ailettes secondaires tout le long des bords amont des lamelles. Un décalage des ailettes secondaires, selon une direction perpendiculaire à la direction de l'écoulement, et entre deux bords amont consécutifs, n'est pas nécessaire. La petite taille des ailettes secondaires (2) relativement aux lamelles (1) permet de limiter l'importance des incisions dans les lamelles et ainsi de ne pas dégrader leur rendement. En outre, l'invention peut faire l'objet d'autres variantes que celle représentée sur les figures, par exemple en fonction du fluide extérieur ou des dimensions globales de l'échangeur utilisant les ailettes. Elle est applicable par exemple à des échangeurs servant au refroidissement de moteurs, ou par exemple encore à la climatisation d'habitacles automobiles. REVENDICATIONS 1/ Ailette métallique (13) pour échangeur de chaleur caractérisée en ce que: - elle comporte au moins un ensemble (14) de lamelles (1) séparées entre elles par des ouvertures, se succédant de l'amont vers l'aval, et inclinées dans le même sens par rapport à la partie localement au moins sensiblement plane (18) que formerait l'ailette (13) si des lamelles n'y étaient pas formées, de façon à changer la direction de circulation du fluide (17) - au moins un bord amont (10) desdites lamelles (1) comporte des ailettes secondaires (2) qui y sont découpées, qui sont inclinées par rapport à la lamelle (1) correspondante tout en étant orientées selon la direction locale (11) de l'écoulement imposée par la lamelle, et qui constituent des profils laminaires - chacune desdites ailettes secondaires (2) a une largeur maximale suivant la direction locale (11) de l'écoulement, inférieure à la largeur de la lamelle (1) correspondante suivant la même direction. 2/ Ailette métallique (13) pour échangeur de chaleur caractérisée en ce que: - elle comporte au moins un ensemble (14) de lamelles (1) séparées entre elles par des ouvertures, se succédant de l'amont vers l'aval, et inclinées dans le même sens par rapport à la partie localement au moins sensiblement plane (18) que formerait l'ailette (13) si des lamelles n'y étaient pas formées, de façon à changer la direction de circulation du fluide (17) - au moins un bord amont (10) desdites lamelles (1) comporte des ailettes secondaires (2) qui y sont découpées, qui sont inclinées par rapport à la lamelle (1) correspondante tout en étant orientées selon la direction locale (11) de l'écoulement imposée par la lamelle, et qui constituent des profils laminaires - chacune desdites ailettes secondaires (2) a une largeur maximale suivant la direction locale (11) de l'écoulement, inférieure à la largeur de la lamelle (1) correspondante suivant la même direction - chacune desdites ailettes secondaires (2) a une forme qui se resserre vers l'amont lorsqu'on s'éloigne de la jonction (3) entre l'ailette secondaire (2) et le reste de la lamelle (1). 3/ Ailette selon la revendication 2 caractérisée en ce que des ailettes secondaires (2) ont une forme au moins sensiblement triangulaire, un seul côté du triangle correspondant à une incision dans la lamelle (1) . 4/ Ailette selon la revendication 2 caractérisée en ce que des ailettes secondaires (2) ont au moins sensiblement la forme d'un quart d'ellipse, le côté arrondi correspondant à l'incision dans la lamelle (1). 5/ Ailette selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que chacune desdites ailettes secondaires (2) a une largeur maximale suivant la direction locale (11) de l'écoulement, et une longueur maximale mesurée perpendiculairement, comprises entre deux et cinq fois l'épaisseur de la lamelle (1). 6/ Ailette selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que les ailettes secondaires (2) ont une inclinaison (4) moyenne, par rapport aux lamelles (1) correspondantes, supérieure à 45 . 7/ Ailette selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que des ailettes secondaires (2) sont incurvées tout en restant orientées selon la direction de l'écoulement. 8/ Ailette selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que les ailettes secondaires (2) d'une même lamelle (1) sont inclinées pour une partie d'entre elles d'un côté de la lamelle (1) et pour une autre partie de l'autre côté. 9/ Ailette selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que des ailettes secondaires (2) ont une épaisseur qui diminue lorsqu'on les suit en s'éloignant de la jonction (3) avec le reste de la lamelle (1).