Brevet FR2908871A1 — publié le 20080523

Échangeur de chaleur interne pour circuit de fluide réfrigérant L'invention se rapporte au domaine des échangeurs de chaleur notamment pour véhicules automobiles. Un échangeur de chaleur interne est utilisé généralement pour les circuits de fluide réfrigérant crazeux, en particulier du type CO2 . Dans un circuit de ce type, le fluide réfrigérant reste essentiellement à l'état gazeux et sous une pression très élevée qui est habituellement comprise entre :L00 et 150 bars. Un tel circuit est avantageusement réalisé sous la forme d'un circuit de climatisation de véhicule automobile. Un circuit de ce type comprend essentiellement un compresseur, un refroidisseur de gaz, un échangeur interne, un détendeur, un évaporateur et un accumulateur, ainsi que des conduits de liaison. Le fluide réfrigérant à haute pression provenant du compresseur est refroidi dans le refroidisseur de gaz, passe ensuite dans une première partie de l'échangeur interne, la partie comportant les conduits/passes à haute pression puis est détendu par le détendeur. Le fluide à basse pression quittant le détendeur passe ensuite au travers de l'évaporateur, de l'accumulateur et dans une deuxième partie de l'échangeur interne, la partie comportant les conduits/passes à basse pression, avant de retourner vers le compresseur. 2908871 2 L'échangeur interne est monté en sortie du refroidisseur de gaz et de l'évaporateur, sa fonction étant de sous-refroidir le fluide réfrigérant à haute pression sortant du refroidisseur de gaz par le fluide réfrigérant à basse 5 pression sortant de l'évaporateur. Un tel échangeur interne permet d'améliorer les performances dans les conditions de fonctionnement difficiles, notamment pour des températures ambiantes élevées. 10 Classiquement, un échangeur de chaleur interne pour un circuit de fluide réfrigérant comprend une première boîte collectrice et une seconde boîte collectrice, des premiers tubes pour la circulation du fluide réfrigérant à haute pression et des seconds tubes alternant avec les premiers 15 tubes pour la circulation à contre-courant du fluide réfrigérant à basse pression. Des exemples d'échangeurs internes de la technique antérieure sont décrits dans les publications de brevets JP 20 2003 279276, US 6 434 972, JP 2003 121086, JP 2001 153571, JP 2004 347258 et JP 2003 202197. Dans les échangeurs internes connus, l'utilisation de tubes pour la circulation basse pression n'est pas optimale pour 25 plusieurs raisons. Tout d'abord, les tubes micro-canaux génèrent beaucoup de pertes de charges, ce qui a une influence directe et néfaste quant aux échanges thermiques entre le fluide aux 30 deux pressions/températures différentes. Par ailleurs, le brasage entre les canaux, haute pression et basse pression, est particulièrement difficile et jamais 2908871 3 totalement satisfaisant sur le long terme (porosité entre les tubes haute et basse pression) Enfin, pour des considérations d'industrialisation des 5 échangeurs internes actuels, les tubes haute et basse pression, obtenus par extrusion, sont identiques de sorte que l'épaisseur des tubes basse pression est surdimensionnée au regard de sa nécessaire tenue à la pression. 10 L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients de la technique antérieure cités ci-dessus. Elle vise essentiellement à procurer un échangeur de 15 chaleur interne qui permet principalement, mais non exclusivement, de diminuer la perte de charge grâce à l'augmentation de la section de passage. L'invention propose à cet effet un échangeur de chaleur 20 interne pour un circuit de fluide réfrigérant, comprenant au moins des premiers tubes pour la circulation du fluide réfrigérant à haute pression et des moyens alternant avec les premiers tubes pour la circulation du fluide réfrigérant à basse pression, caractérisé en ce que lesdits 25 moyens comprennent au moins un perturbateur. De façon plus précise, on pourra définir l'échangeur de chaleur interne selon l'invention en ce que les susdits moyens consistent en une pluralité de perturbateurs. Bien entendu, la distinction entre les conduits/passes haute et basse pression est totalement liée à la nature et à l'état du fluide considéré, généralement ici un fluide 30 2908871 4 supercritique, mais la haute pression, ou les conduits/passes la véhiculant, présente toujours une pression supérieure à la basse pression, ou aux conduits/passes la véhiculant. 5 On entend par le terme perturbateur notamment les représentations illustrées aux figures 5a, 5b et 5c. Ainsi, les perturbateurs de l'invention pourront consister en une tôle pliée qui assure éventuellement l'étanchéité de la 10 passe basse pression et étant en contact avec les tubes haute pression adjacents. Les perturbateurs pourront consister en une tôle ondulée dans sa longueur et leurs profils pourront présenter des interruptions dans ses ondulations hormis les parois latérales ou présenter des 15 emboutis ou des découpages. Les perturbateurs pourront consister en un grillage, c'est-à-dire des ondulations ou des créneaux présentant différents rangs décalés les uns par rapports aux autres, cette réalisation étant bien connu de l'homme du métier. 20 Les perturbateurs se distinguent des tubes essentiellement en ce qu'ils consistent en une tôle ou analogue pliée(s) ouverte au moins partiellement, c'est-à-dire que cette tôle ne se referme pas sur elle-même pour former intrinsèquement 25 un ou des condu=it (s) ou des canal (ux) . Le perturbateur de l'échangeur interne selon l'invention permet d'apporter le plaquage pour faciliter le brasage avec les tubes extrudés et les têtes de lames. Ceci 30 constitue un avantage très important par rapport à l'empilement des tubes extrudés des échangeurs internes de l'art antérieur, sur lesquels il faut rapporter du flux actif. Le problème de porosité est dû à une surface de 2908871 5 contact tube/tube trop importante qui dégrade la conduction thermique. Par ailleurs, l'échangeur de chaleur interne selon 5 l'invention, par l'utilisation de perturbateurs pour remplacer les tubes, permet un gain de poids et une diminution du coût significatives. Enfin, les perturbateurs offrent une grande flexibilité 10 d'un point de vue géométrique, et donc une mise en place et un montage aisés. D'autres caractéristiques de l'échangeur de chaleur interne sont indiquées ci-après. 15 Selon une possibilité offerte par l'invention, les perturbateurs présenteront des moyens de fermeture latérale. De la sorte, les perturbateurs de l'invention forment le carter ou l'enveloppe de fermeture entre les 20 tubes haute pression. Avantageusement, ces moyens de fermeture consisteront en des parties latérales relevées prolongeant lesdits perturbateurs. Ces parties latérales relevées présentent 25 idéalement un profil en C. En alternative ou en complément aux susdits moyens de fermeture des perturbateurs, on pourra prévoir un carter rapporté, destiné notamment à (en)fermer latéralement les 30 conduits/passes basse pression. Avantageusement, les parois, supérieure et inférieure, d'une passe dans laquelle circule le fluide réfrigérant à 2908871 6 basse pression sont formées par une paroi externe de deux tubes contiguës. La présente invention concerne un ensemble intégré 5 d'échangeurs de chaleur comportant au moins un échangeur de chaleur destiné à refroidir un fluide réfrigérant, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur interne tel que décrit ci-dessus destiné également à refroidir ledit fluide réfrigérant. 10 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 de face d'un ensemble intégré 15 selon l'invention, comprenant un refroidisseur de gaz et l'échangeur interne de l'invention ; - la figure 2 est une vue éclatée de l'échangeur de chaleur interne selon l'invention sans carter ; - la figure 3 est une vue de côté schématique d'un échangeur de chaleur interne selon l'invention avec carter ; 25 - la figure 4 est une vue de côté de la section longitudinale, coupée pur illustrer essentiellement les extrémités, de l'échangeur de chaleur interne selon l'invention ; 30 - les figures 5a, 5b et 5c présentent chacune un exemple d'un perturbateur inséré dans l'échangeur interne selon l'invention. 20 2908871 7 L'invention trouve une application particulière aux installations de climatisation pour véhicules automobiles. La figure 1 montre un ensemble intégré 1 comportant un 5 refroidisseur de gaz 2 et un échangeur interne 3 ayant une première partie ou voie à haute pression et une deuxième partie ou voie à basse pression. Un circuit de climatisation complet, dans lequel est inclus l'échangeur de chaleur interne 3 et/ou l'ensemble intégré 1 selon 10 l'invention, comporte en outre notamment un compresseur, un détendeur, un évaporateur et un accumulateur de fluide réfrigérant non représentés sur les figures annexées. Les interactions et les échanges de fluide réfrigérant, 15 tant à basse pression qu'à haute pression, s'effectuent conformément aux dispositifs connus et ne sont en rien modifiés dans la présente invention qui pourra. s'adapter notamment à tous types de circuit de climatisation. 20 Ainsi, le fluide réfrigérant chaud et à haute pression provenant du compresseur est refroidi dans le refroidisseur de gaz 2 par échange thermique avec un flux d'air. A sa sortie du refroidisseur de gaz 2, le fluide réfrigérant chaud et à haute pression circule dans la première partie 25 de l'échangeur interne, c'est-à-dire la partie constitué par des tubes classique 4, où il échange de la chaleur avec le même fluide réfrigérant froid et à basse pression circulant dans la deuxième partie, la partie objet de l'invention et consistant en des perturbateurs 5. Le fluide 30 est ensuite détendu dans le détendeur et amené à basse pression, il traverse ensuite l'évaporateur puis l'accumulateur et enfin la deuxième partie de l'échangeur 2908871 8 de chaleur interne 3, comme déjà indiqué, avant de regagner le compresseur. La figure 2 illustre les différents éléments constituant 5 l'échangeur interne 3 selon l'invention puis, au bas de la figure, ces éléments assemblés entre eux pour former l'échangeur de chaleur interne 3. Ainsi, l'échangeur de chaleur interne 3 comprend une joue 6 10 formant bouchon d'extrémité et disposé à l'étage supérieur de l'empilement de tubes 4 et de perturbateurs 5. Les tubes 4 et les perturbateurs 4 sont ensuite positionnés les uns en dessous des autres successivement de sorte qu'une fois réalisée la fixation, classiquement par brasage, entre un 15 perturbateur et les deux tubes contiguës, à savoir la fixation au tube inférieur et au tube supérieur, chaque conduit ou passe basse pression est forme par un perturbateur 5 et les cloisons ou parois externes des deux tubes contiguës constituant les parois supérieure et 20 inférieure du conduit/passe basse pression. Des éléments d'extrémité 7, non propre à l'objet de la présente invention, sont disposés et fixés aux extrémités longitudinales de chaque tube 4 et perturbateur 5 afin de 25 permettre classiquement le passage des deux types de fluide, basse pression et haute pression, respectivement dans les perturbateurs 5 et dans les tubes 4. L'échangeur de chaleur interne 3 représenté sur la figure 2 30 comporte deux brides de fixation 8 formant: tubulure d'entrée et/ou de sortie pour le ou les deux fluide(s). On notera que la présente invention s'applique que l'échangeur 2908871 9 de chaleur interne 3 présente une diffusion des deux fluides à contresens ou dans le même sens. La figure 3 illustre un échangeur de chaleur interne 3 5 comportant un carter 9 complémentaire destiné en premier lieu à fermer les côtés des passes basse pression et à renforcer la cohésion mécanique éventuellement de l'ensemble formé des tubes 4 et des perturbateurs 5. Comme on peut le constater sur la figure, la plaque formant le 10 carter 9 est pliée pour pénétrer à l'intérieur de chaque passe basse pression 10 puis brasé aux extrémités des tubes 4 de sorte que l'ensemble comprenant les tubes 4, les perturbateurs 5 et le carter 4 forme un tout unitaire et compact. 15 La figure 4 illustre schématiquement un échangeur interne 3 selon l'invention où l'on visualise la superposition ou l'empilement des tubes 4 et des perturbateurs 5. 20 L'échangeur de chaleur interne 3 possède une entrée haute pression et une sortie haute pression, ainsi qu'une entrée basse pression et une sortie basse pression. Comme le fluide réfrigérant circule à contre-courant dar.Ls les deux parties et de l'échangeur de chaleur interne 3, l'entrée 25 haute pression et la sortie basse pression se trouvent à une première extrémité de l'échangeur, tandis que l'entrée basse pression et la sortie haute pression se trouvent à une autre extrémité de l'échangeur de chaleur 3. On pourra également prévoir un échangeur interne 3 dans lequel la 30 sortie basse pression et la sortie haute pression se trouvent placées à une même extrémité de l'échangeur de chaleur interne. 2908871 10 Les raccords utilisés pour rapporter les brides 8 peuvent être brasés directement sur l'entrée basse pression, c'est-à-dire l'entrée pour le fluide réfrigérant à basse pression, et les sorties basse et haute pression de 5 l'échangeur de chaleur interne 3. Les raccords se glissent dans une rainure pratiquée dans les têtes de lames 7, sur la hauteur correspondant au raccord, assurant ainsi le maintien en position verticale et horizontale. 10 Les perturbateurs 5, 5', 5" sont brasés aux tubes inférieur et supérieur de sorte que les passes basse pression sont formées en partie par les contiguës constituant les parois supérieure et inférieure. Ainsi, on évite d'avoir deux épaisseurs de tube, ou plus exactement deux épaisseurs 15 correspondant à la distance entre les conduits d'un tube et la surface externe de ce tube, du fait que, grâce à l'invention, éventuellement seule une épaisseur de tôle s'ajoute à l'épaisseur ou la susdite distance ; ceci permettant d'améliorer significativement les échanges 20 thermiques entre les fluides aux deux pressions différentes. Les figures 5a, 5b et 5c montrent trois exemples de perturbateurs 5, 5' et 5" présentant à leurs deux 25 extrémités latérales un retour 11 en forme C de manière à présenter une portion plane 12 s'étendant parallèlement à la surface des tubes afin d'être brasé avec ces derniers, lorsque les perturbateurs 5, 5' et 5" sont contiguës aux tubes 4. 30 Sur la figure 5a, le perturbateur 5' est constitué d'une tôle plane dont les deux rebords 11 sont courbés en retour, ces deux rebords 11 s'étendant en direction l'un de l'autre 2908871 11 et comportant une partie plane 13 s'étendant parallèlement à la partie plane centrale, ou inférieure, 12. Sur la figure 5b, le perturbateur 5" se présente à 5 l'identique du perturbateur 5' de la figure 5a et comportant une pluralité protubérances localisées 14, s'étendant à partir de sa face interne plane 12, constituant autant d'irrégularités favorisant les échanges thermiques entre les fluides aux pressions différentes. 10 Sur la figure 5c, le perturbateur 5" se présente à l'identique du perturbateur 5' de la figure 5a et comportant des ondulations 15 s'étirant sur toute la longueur du perturbateur 5" de sorte que la section de ce 15 perturbateur présente une pluralité de sinuosités ou de méandres terminés aux deux extrémités par le retour en C 11. On pourra bien entendu envisager de réaliser notamment un 20 perturbateur combinant les formes et caractéristiques des perturbateurs 5, 5' et 5" représentés sur les figures 5a, 5b et 5c. Les perturbateurs 5, 5' et 5" sont plus courts que les 25 tubes 4 pour la circulation du fluide réfrigérant à haute pression. Ces perturbateurs 5, 5' et 5" sont centrés par rapport aux tubes 4 à haute pression, l'étanchéité au niveau des boîtes est assurée par la tête de lame basse pression et le tube haute pression. L'emploi de ces 30 perturbateurs évite le problème de porosité entre les tubes haute et basse pression. Revendications 1. Échangeur de chaleur interne (3) pour un circuit de fluide réfrigérant, comprenant au moins des premiers tubes (4) pour la circulation du fluide réfrigérant à haute pression et des moyens alternant avec les premiers tubes (4) pour la circulation du fluide réfrigérant à basse pression, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent au moins un perturbateur (5, 5' ou 5") 2. Échangeur de chaleur interne (3) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le perturbateur (5, 5' ou 5") présente des moyens de fermeture latérale (li) . 3. Échangeur de chaleur interne (3) selon la revendication 2, caractérisé en ce que ces moyens de fermeture (il) consistent en des parties latérales relevées prolongeant lesdits perturbateurs (5, 5' ou 5"). 4. Échangeur de chaleur interne (3) selon la revendication 3, caractérisé en ce que ces parties latérales (11) relevées présentent idéalement un profil en C. 5. Échangeur de chaleur interne (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un carter (9) rapporté, destiné (en)fermer latéralement les conduits/passes basse pression. 6. Échangeur de chaleur interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le perturbateur (5, 5' ou 5") comporte une pluralité 12 2908871 13 protubérances localisées (14), s'étendant à partir de sa face, interne plane (12). 7. Échangeur de chaleur interne (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le perturbateur (5) comporte des ondulations s'étirant sur toute la longueur du perturbateur (5, 5' ou 5") 8. Échangeur de chaleur interne (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en. ce que lesdits moyens consistent en une pluralité' de perturbateurs (5, 5' ou 5"). 9. Échangeur de chaleur interne (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les parois, supérieure et inférieure, d'une passe dans laquelle circule le fluide réfrigérant à basse pression sont formées par une paroi externe de deux tubes (4) contiguês. 10. Ensemble intégré d'échangeurs de chaleur comportant au moins un échangeur de chaleur (2) destiné à refroidir un fluide réfrigérant, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur interne (3) tel que revendiqué selon l'une des revendications précédentes destiné à 'refroidir ledit fluide réfrigérant.