Brevet FR2906018A1 — publié le 20080321

La présente invention concerne un échangeur de chaleur. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des systèmes d'échange de chaleur à l'intérieur des véhicules automobile, notamment les radiateurs de refroidissement des moteurs, les radiateurs de chauffage de l'habitacle et les évaporateurs de climatisation. On connaît aujourd'hui dans l'industrie automobile des échangeurs de chaleur qui comprennent une série de tubes de circulation d'un premier fluide, disposées parallèlement les uns aux autres. Ces tubes peuvent être constituées par des tubes placés côte à côte dans un même plan. On connaît io aussi des échangeurs dont les tubes sont constitués de plaques. D'une manière générale, ledit premier fluide doit échanger de la chaleur avec un deuxième fluide à travers un dispositif d'échange de chaleur. A titre d'exemple, le premier fluide considéré ici peut être de l'eau additionnée de glycol destinée à refroidir le moteur et qui doit elle-même être 15 refroidie par de l'air constituant le deuxième fluide. Le premier fluide peut être également un fluide caloporteur d'un système de climatisation, comme du Fréon ", destiné à refroidir un deuxième fluide constitué par l'air circulant dans l'habitacle d'un véhicule. Un dispositif connu d'échange de chaleur entre les premier et deuxième 20 fluides comprend une pluralité d'éléments d'échange de chaleur, appelés également intercalaires, chaque élément d'échange de chaleur étant disposé entre deux tubes consécutifs. Ces éléments intercalaires sont généralement réalisés par conformation d'une feuille d'un matériau conducteur de la chaleur, comme l'aluminium, en une surface ondulée en contact thermique avec lesdits 25 tubes de circulation au niveau des génératrices situées aux sommets des ondulations de la surface. Le contact thermique est obtenu par brasage des éléments intercalaires sur les tubes ou plaques mentionnés plus haut,. Les éléments intercalaires sont disposés dans l'échangeur de chaleur de manière à ce que les génératrices de la surface ondulée soient 30 sensiblement perpendiculaires à la direction de circulation du premier fluide, la direction de circulation du deuxième fluide à l'intérieur des éléments intercalaires étant sensiblement parallèle auxdites génératrices. 2906018 2 Afin de favoriser les échanges thermiques dans les éléments intercalaires, les flancs de la surface ondulée constituant les éléments intercalaires sont pourvus de fentes transversales aux génératrices, affectant la forme de persiennes dont l'orientation est variable par blocs le long des 5 génératrices, un bloc de n fentes d'une certaine orientation étant suivi d'un autre ensemble de n fentes d'orientation inverse. Le résultat de cette disposition est d'imposer au deuxième fluide une circulation ondulatoire dans le sens de l'écoulement, les persiennes permettant d'allonger le trajet dudit deuxième fluide en créant des obstacles sur son passage. Lorsque l'échangeur de chaleur envisagé est un évaporateur, se pose le problème de la condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'air, lequel constitue alors le deuxième fluide. En effet, l'air circulant le long des éléments intercalaires est en contact avec le premier fluide, par hypothèse plus froid, et se refroidit donc à mesure qu'il s'écoule jusqu'à ce que sa température descende au dessous de la température de rosée de la vapeur d'eau. A ce mornent, la vapeur d'eau se condense pour former des gouttes qui se déposent sur les éléments intercalaires. Cependant, même avec des intercalaires à fentes, tels que décrits plus haut, l'évacuation par gravité des condensats ne s'effectue pas de manière efficace. II en résulte que l'eau condensée retenue dans les éléments intercalaires limite le passage de l'air et crée une perte de charge supplémentaire. La chute de pression de l'air entre l'entrée et la sortie des intercalaires augmente, ce qui oblige alors à utiliser des pulseurs, ou ventilateurs, plus puissants. On a pu ainsi mesurer que la chute de pression peut augmenter de 40% avec de l'air humide. Aussi, un but de l'invention est de proposer un échangeur de chaleur comportant au moins un tube pour circulation d'un premier fluide dans une direction donnée, et au moins un élément d'échange de chaleur en forme de surface ondulée, de génératrices sensiblement perpendiculaires à la direction de circulation du premier fluide, lesdites génératrices définissant une direction de circulation d'un deuxième fluide à l'intérieur de l'élément d'échange de chaleur, qui permettrait d'obtenir une bonne évacuation des condensats tout en assurant la création d'un régime favorable aux échanges thermiques, comme cela a été expliqué précédemment. 2906018 3 Le but recherché est atteint, conformément à l'invention, du fait que la surface ondulée formant l'élément d'échange de chaleur présente au moins partiellement une pluralité de trous disposés selon une structure en grille. On entend par tube pour la circulation d'un premier fluide tout élément 5 ou moyen permettant de former au moins un conduit de circulation pour un fluide. Ainsi, comme ladite structure en grille comporte un très grand nombre de trous, l'écoulement par gravité de l'eau condensée hors de l'échangeur est favorisée, ce qui contribue à augmenter la capacité de drainage des io condensats et donc à limiter la chute de pression de l'air dans le sens parallèle aux éléments d'échange de chaleur intercalaires. D'autre part, la présence desdits trous permet à l'air de traverser la surface des éléments intercalaires et donc de circuler d'un élément intercalaire à un autre, favorisant ainsi la formation du régime turbulent recherché. 15 De plus, l'échangeur de chaleur conforme à l'invention présente de nombreux autres avantages. En particulier, la géométrie des éléments intercalaires d'échange de chaleur peut être parfaitement adaptée aux performances recherchées. Ceci concerne notamment le pas des ondulations des intercalaires qui 20 peut être diminué grâce à la souplesse mécanique de la structure en grille. Il en résulte que la surface d'échange de chaleur entre le deuxième fluide et les intercalaires reste au moins équivalente à celle des échangeurs traditionnels, ceci malgré la présence des trous, lesquels ont l'avantage de favoriser le drainage des condensats. 25 D'autres caractéristiques dimensionnelles peuvent également être ajustées, comme le pas des éléments intercalaires qui peut être réduit à des valeurs très faibles, entre 0,2 à 1,5 mm et de préférence entre 0,2 à 1 mm, ce qui n'est pas possible avec les intercalaires à persiennes, ainsi que la hauteur des élément intercalaires qui peut être comprise entre 3 et 7 mm. De 30 préférence la hauteur sera inférieure 5 mm, et typiquement comprise entre 3 à 5 mm, sans connaître les pertes d'efficacité rencontrées avec les intercalaires à fentes en persiennes, ces dernières ne pouvant pour des raisons mécaniques être formées que sur une partie seulement du flanc des 2906018 4 ondulations et non sur la totalité, contrairement à l'invention pour laquelle les trous de la grille peuvent occuper l'entière surface des éléments intercalaires. II a été démontré que les échangeurs de chaleur réalisés selon l'invention peuvent augmenter de 18% le coefficient de transfert de chaleur à 5 basses vitesses de circulation d'air, cette augmentation pouvant être encore plus élevée, jusqu'à 44%, pour de vitesses plus élevées. Enfin, un autre avantage de l'invention tient au fait que la capacité de drainage plus importante obtenue évite le phénomène d'éclaboussure qui se produit avec les évaporateurs classiques lorsque le flux d'air entrant dans les Io intercalaires augmente brutalement, ce qui se traduit par l'entraînement de gouttes d'eau à l'intérieur de l'habitacle. Afin d'offrir une surface d'échange thermique suffisante entre les intercalaires et le tube de circulation du premier fluide, l'invention prévoit que ladite surface ondulée est exempte de trous sur au moins une bande définie le 15 long d'une génératrice en contact avec ledit tube de circulation du premier fluide. D'autre part, un procédé de réalisation d'un élément d'échange de chaleur pour un échangeur de chaleur selon l'invention est remarquable en ce que ledit procédé comprend les étapes suivantes : 20 - perforer une feuille d'un matériau conducteur de la chaleur en un ensemble de fentes parallèles disposées selon ladite structure en grille, - étbrer la feuille métallique perpendiculairement aux fentes, - conformer la feuille métallique étirée en une surface ondulée. On comprend que ce procédé de réalisation est plus simple et moins 25 coûteux que celui permettant d'obtenir des éléments intercalaires à fentes en persiennes. Avantageusement, au moins une bande de feuille parallèle auxdites fentes est épargnée, la conformation en surface ondulée étant réalisée autour de ladite bande. 30 Enfin, il est prévu par l'invention que ledit matériau conducteur de la chaleur est de l'aluminium. 2906018 5 La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 est une vue de côté d'un échangeur de chaleur à tubes 5 conforme à l'invention. La figure 2 est une vue en perspective d'un échangeur de chaleur à plaques conforme à l'invention. La figure 3 est une vue en perspective d'un élément d'échange de chaleur des échangeurs des figures 1 et 2. ~o La figure 4 est un diagramme donnant l'augmentation de la chute de pression due aux condensats en fonction de la vitesse frontale de circulation de l'air d'un évaporateur, (1) pour des intercalaires conformes à l'invention et (2) pour les intercalaires de l'art antérieur. La figure 5 est un diagramme donnant les variations du coefficient de 15 transfert de chaleur, (1) pour des intercalaires conformes à l'invention et (2) pour les intercalaires de l'art antérieur. La figure 6 est un schéma représentant les étapes d'un procédé de réalisation de l'élément d'échange de chaleur de la figure 3. La figure 7 montre une variante de feuille métallique poinçonnée pour la 20 mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention. Sur la figure 1 est montré un échangeur de chaleur du type à tubes comprenant une pluralité de tubes 10 de circulation d'un premier fluide, les tubes 10 sont disposés côte à côte perpendiculairement au plan de la figure. Ledit premier fluide circule par exemple dans le sens de la flèche FI. 25 La figure 2 présente une variante de l'échangeur de la figure 1 dans laquelle les tubes 10' de circulation sont ici sous la forme de plaques 11' disposées parallèlement les unes aux autres On peut voir sur les figures 1 et 2 qu'entre deux tubes 10, 10' est placé un élément d'échange de chaleur 20 destiné à permettre au premier fluide 30 d'échanger de la chaleur avec un deuxième fluide circulant dans les éléments 20 dans le sens de la flèche F2. Dans le cas où l'échangeur de chaleur considéré est un radiateur de moteur de véhicules automobiles, le premier fluide est de l'eau additionnée de 2906018 6 glycol refroidie par le deuxième fluide qui est alors de l'air. Dans le cas d'un évaporateur de climatisation, le premier fluide est du Fréon " chargé de refroidir le deuxième fluide, à savoir l'air circulant dans l'habitacle d'un véhicule automobile. 5 Quelles que soient la constitution des tubes et la destination de l'échangeur de chaleur, les éléments intercalaires 20 présentent la forme, montrée sur la figure 3, d'une surface ondulée dont la direction des génératrices, qui est aussi celle de la circulation du deuxième fluide, est sensiblement perpendiculaire à la direction de circulation du premier fluide. io Autrement dit, les éléments intercalaires 20 comportent des ondulations présentant une alternance de sommets 22 et de creux 23 brasés aux tubes. Les sommets 22 et les creux 23 sont reliés par l'intermédiaire de zones planes 24. Les sommets 22 et les creux 23 sont ainsi parallèles à l'axe transversal AT des tubes 10 ou 10'. 15 L'orientation des éléments intercalaires 20, c'est-à-dire le fait que les sommets 22 et les creux 23 soient parallèles à l'axe transversal AT des tubes 10 ou 10', permet d'avoir des pertes de charge équivalente aux pertes de charges des intercalaires à persiennes de l'art antérieur. On peut également observer sur la figure 3 que la surface de l'élément 20 intercalaire 20 présente une pluralité de trous 21 disposés selon une structure en grille. Ainsi et contrairement aux intercalaires munis de persiennes de l'art antérieur, aucun élément ne dépasse des zones planes 24. Autrement dit, la pluralité de trous 21 permet la définition d'une grille au moins au niveau de la zone plane 24, le maillage de ladite grille étant entièrement comprise dans le 25 plan de la zone plane 24. Comme cela a été expliqué plus haut, ce type d'élément intercalaire offre l'avantage de créer au sein du deuxième fluide un régime plus favorable aux échanges thermiques. De plus, dans le cas d'un évaporateur, la multiplicité des trous permet 30 un drainage efficace de l'eau provenant de la condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'air circulant le long des intercalaires. La chute de pression de l'air entre l'entrée et la sortie des intercalaires s'en trouve diminuée et 2906018 7 maintenue sensiblement constante par rapport aux intercalaires à fentes en persiennes, comme on peut le voir sur la figure 4. Par ailleurs, la structure en grille confère aux intercalaires 20 une souplesse mécanique permettant de resserrer ondulations et donc 5 d'augmenter la surface développée des intercalaires. II est ainsi possible de compenser les pertes en terme d'échange thermique dues à la présence des trous. La figure 5 montre que l'on peut obtenir un meilleur coefficient de transfert de chaleur avec les intercalaires conformes à l'invention qu'avec les intercalaires conventionnels à fentes en persiennes. 10 Les dimensions des trous de la grille sont choisies en fonction des performances finales recherchées. Le pas entre chaque trou ou cellule 21 pourra être compris entre 0,5 et 3 mm. Autrement dit, ce pas entre chaque trou correspond à la matière séparant deux trous ou cellules adjacentes. Le pas de l'élément intercalaire 20 est compris entre 0,2 à 1,5 mm et de is préférence entre 0,2 et 1 mm. La hauteur de l'élément intercalaire 20 est comprise entre 3 et 7 mm. De préférence, la hauteur sera inférieure à 5 mm et de préférence comprise entre 3 et 5 mm. La figure 6 illustre les étapes d'un procédé de réalisation des éléments 20 d'échange de chaleur conformes à l'invention. 20 Une feuille d'aluminium d'épaisseur pouvant notamment être comprise entre 0.04 et 0.1 mm est découpée (a), puis perforée (b) afin d'obtenir un réseau de fentes disposées selon la structure en grille désirée, et enfin étirée (c) sur une distance qui dépend de la hauteur souhaitée pour les trous. La feuille est ensuite conformée en ondulations pour obtenir l'intercalaire 20 de la 25 figure 3. Un mode de réalisation prévoit que la découpe (a) décrite ci-dessus est réalisée après les étapes de perforation (b) et d'étirement (c). La figure 7 illustre une variante du procédé de la figure 6 dans laquelle des bandes 22 de la feuille d'aluminium sont épargnées lors de la perforation 30 des fentes. Ces bandes exemptes de trous sont destinées à améliorer le contact thermique entre les intercalaires et les tubes ou plaques de l'échangeur, ainsi que de servir de surfaces de brasage. La conformation de la feuille en surface ondulée est effectuée autour de chacune des bandes 22. 20 REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur comportant au moins un tube (10, 10') de circulation d'un premier fluide dans une direction (FI) donnée, et au moins un élément (20) d'échange de chaleur en forme de surface ondulée, de génératrices sensiblement perpendiculaires à la direction (F1) de circulation du premier fluide, lesdites génératrices définissant une direction (F2) de circulation d'un io deuxième fluide à l'intérieur de l'élément (20) d'échange de chaleur, caractérisé en ce que la surface ondulée formant l'élément (20) d'échange de chaleur présente au moins partiellement une pluralité de trous (21) disposés selon une structure en grille. 15 2. Echangeur selon la revendication 1, dans lequel le pas de l'élément d'échange de chaleur (20) est compris entre 0,2 à 1 mm. 3. Echangeur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la hauteur de l'élément intercalaire (20) est comprise entre 3 et 7 mm. 4. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le pas entre chaque trou (21) est compris entre 0,5 et 3 mm. 5. Echangeur de chaleur selon l'une revendications précédentes, dans lequel 25 ladite surface ondulée est exempte de trous sur au moins une bande (22) définie le long d'une génératrice en contact avec le tube (10, 10') de circulation du premier fluide. 6. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, dans 30 lequel l'élément (20) d'échange de chaleur est en aluminium. 2906018 9 7. Procédé de réalisation d'un élément d'échange de chaleur pour un échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit procédé comprend les étapes suivantes : -perforer une feuille d'un matériau conducteur de la chaleur en un ensemble 5 de fentes parallèles disposées selon ladite structure en grille, -étirer la feuille métallique perpendiculairement aux fentes, conformer la feuille métallique étirée en une surface ondulée. 8. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel au moins une to bande (22) de feuille parallèle auxdites fentes est épargnée, la conformation en surface ondulée étant réalisée autour de ladite bande (22). 9. Procédé selon l'une des revendications 7 ou 8, dans lequel ledit matériau conducteur de la chaleur est de l'aluminium. 15