Brevet FR2898405A1 — publié le 20070914

Échangeur de chaleur, en particulier refroidisseur de gaz, comportant deux nappes de tubes reliées L'invention se rapporte au domaine des échangeurs de 5 chaleur, notamment pour véhicules automobiles. Elle concerne un échangeur de chaleur, en particulier un refroidisseur de gaz, comportant au moins deux nappes de tubes sensiblement parallèles reliées entre elles par des 10 moyens collecteurs intermédiaires. On connaît déjà des échangeurs de chaleur du type multinappes qui comportent au moins deux nappes de tubes qui s'étendent généralement dans des plans sensiblement 15 parallèles et dans lesquels les tubes des nappes respectives sont en communication fluidique pour permettre à un fluide de traverser successivement les différentes nappes de tubes. 20 Une application typique est celle des refroidisseurs de gaz utilisés dans les installations de climatisation pour véhicules automobiles. Ces refroidisseurs de gaz fonctionnent avec un fluide réfrigérant du type CO2 (dioxyde de carbone) qui reste essentiellement en phase 25 gazeuse pendant tout le cycle de fonctionnement. Dans une telle installation, qui fonctionne avec un fluide réfrigérant à l'état supercritique, le refroidisseur de gaz remplace le condenseur utilisé dans les installations de climatisation classiques dans lesquelles le fluide 30 réfrigérant subit un changement de phase. Ces refroidisseurs de gaz doivent présenter une structure particulièrement robuste étant donné qu'ils reçoivent en entrée le fluide réfrigérant gazeux provenant d'un compresseur et dont la pression est typiquement de l'ordre de 120 bars et la température de l'ordre de 140 C. A la sortie du refroidisseur de gaz, la pression du fluide est sensiblement la même qu'à l'entrée, tandis que sa température est plus basse, par exemple de l'ordre de 45 C, du fait qu'il a été refroidi par un flux d'air. Différentes solutions ont déjà été proposées pour relier deux nappes de tubes par des moyens collecteurs 10 intermédiaires. Une première solution, connue notamment par US 6 523 606, consiste à utiliser deux boîtes collectrices intermédiaires dans lesquelles débouchent respectivement les tubes des 15 nappes, et à relier ces deux boîtes collectrices intermédiaires par un tube de connexion. Cette solution nécessite de braser un tube de connexion entre les deux boîtes collectrices, génère un encombrement du fait de la présence de ces deux boîtes et augmente également le risque 20 de fuite. Une autre solution, connue notamment par US 6 546 999 et DE 10 306 848, consiste à vriller et tordre les tubes de manière à former un retour en U. Cette solution connue 25 nécessite des tubes de grande longueur qui doivent être déformés par vrillage et torsion, ce qui entraîne des risques de fragilisation. Il est donc nécessaire le plus souvent d'ajouter une plaque de protection, ce qui complique la fabrication de l'échangeur de chaleur. 30 L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients précités. Elle vise en particulier à procurer un échangeur de chaleur dans lequel deux nappes de tubes peuvent être reliées entre elles par des moyens collecteurs intermédiaires en réduisant le nombre de composants et sans augmenter l'encombrement. L'invention vise encore à procurer un tel échangeur de chaleur dont les moyens collecteurs intermédiaires rendent possible l'intégration de pattes de fixation. Elle vise aussi à procurer un tel échangeur de chaleur dans lequel les moyens collecteurs intermédiaires limitent les risques de fuite. 15 L'invention propose à cet effet un échangeur de chaleur du type comprenant au moins deux nappes de tubes sensiblement parallèles et reliées entre elles par des moyens collecteurs intermédiaires. 20 Conformément à l'invention, les moyens collecteurs intermédiaires comprennent au moins un collecteur intermédiaire délimitant une pluralité de canaux internes, dont chacun se termine par deux embouchures aptes à recevoir respectivement un premier tube d'une première 25 nappe et un deuxième tube d'une deuxième nappe pour assurer une communication de fluide entre ce premier tube et ce deuxième tube. Ainsi, ce collecteur intermédiaire délimite une pluralité 30 de canaux individuels qui assurent chacun une communication de fluide entre deux tubes respectifs des deux nappes.10 Ce collecteur intermédiaire peut être réalisé de façon robuste pour résister aux pressions élevées du fluide qui le traverse. De préférence, chacun des canaux internes a sensiblement la forme d'un U. Dans une première forme de réalisation de l'invention, le collecteur intermédiaire comprend une plaque extrudée qui, dans une configuration initiale après extrusion, délimite une pluralité de canaux internes parallèles débouchant sur deux faces d'extrémité, ladite plaque extrudée étant déformée vers une configuration pliée en sorte que les canaux internes parallèles constituent lesdits canaux internes, les embouchures de ces canaux étant alors formées sur les faces d'extrémité. De manière avantageuse, dans la configuration pliée de la plaque extrudée, les deux faces d'extrémité sont 20 sensiblement coplanaires. Dans une deuxième forme de réalisation de l'invention, le collecteur intermédiaire unique comprend, d'une part, un boîtier externe à section en forme de U ayant deux parois 25 latérales généralement parallèles reliées par une paroi de fond et présentant des faces intérieures parallèles en vis- à-vis et, d'autre part, une cloison séparatrice logée dans le boîtier et présentant deux faces extérieures parallèles opposées propres à venir en contact respectivement avec des 30 faces intérieures du boîtier, les faces extérieures de la cloison séparatrices comportant chacune une pluralité de rainures parallèles, les rainures d'une face extérieure communiquant respectivement avec les rainures d'une autre face extérieure par des orifices de passage aménagés dans la cloison séparatrice pour définir ainsi la pluralité de canaux internes. La cloison séparatrice présente de préférence une première face d'extrémité et une deuxième face d'extrémité dans lesquelles débouchent respectivement les rainures des deux faces extérieures, la première face d'extrémité venant au contact de la paroi de fond du boîtier et la deuxième face d'extrémité étant située du côté de tranches d'extrémité des parois latérales du boîtier pour délimiter conjointement les embouchures des canaux internes. Dans l'invention, le collecteur intermédiaire est avantageusement formé dans un matériau à base d'aluminium. Il est avantageux en outre que le collecteur intermédiaire comporte une paroi extérieure munie d'au moins une gorge extérieure en U pour la mise en place d'un moyen d'accrochage fixé par brasage. Les tubes respectifs des deux nappes sont avantageusement brasés dans les embouchures respectives du collecteur intermédiaire. Il s'agit de préférence de tubes plats présentant une section transversale oblongue. Les tubes respectifs des deux nappes sont avantageusement 30 des tubes à plusieurs canaux internes. Dans une application préférentielle de l'invention, l'échangeur de chaleur constitue un refroidisseur de gaz25 pour une installation de climatisation fonctionnant avec un fluide du type CO2. Dans la description qui suit, faite seulement à titre 5 d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est une vue de côté d'un échangeur de chaleur à deux nappes de tubes reliées par un collecteur intermédiaire selon une première forme de 10 réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue partielle de face de l'échangeur de chaleur de la figure 1 ; 15 - la figure 3 est une vue de côté du collecteur intermédiaire de l'échangeur de chaleur des figures 1 et 2 dans sa configuration initiale après extrusion ; la figure 4 est une vue en perspective du collecteur 20 intermédiaire de la figure 3 après déformation pour l'amener dans une configuration pliée ; - la figure 5 est une vue analogue à la figure 4 avec les tubes ; 25 la figure 6 est une vue en perspective du collecteur intermédiaire des figures 4 et 5, muni d'une patte de fixation ; la figure 7 est une vue en perspective d'un boîtier 30 externe à section en U propre à faire partie d'un collecteur intermédiaire selon une deuxième forme de réalisation de l'invention ; - la figure 8 est une vue en perspective d'une cloison séparatrice propre à être logée à l'intérieur du boîtier de la figure 7 ; - la figure 9 est une vue en perspective montrant le boîtier de la figure 7 logeant la cloison séparatrice de la figure 8 ; et 10 - la figure 10 est une vue en coupe transversale du collecteur intermédiaire de la figure 9 dans lequel sont engagées deux extrémités de tubes. L'échangeur de chaleur représenté aux figures 1 et 2 15 comprend une première nappe 10 de tubes 12 et une deuxième nappe 14 de tubes 16, ces nappes étant sensiblement parallèles. Les tubes 12 ont des extrémités respectives 13 débouchant dans un collecteur d'entrée 20 et des extrémités respectives 22 débouchant dans un collecteur intermédiaire 20 24, formant un composant unique. Les tubes 16 ont des extrémités respectives 26 débouchant dans le collecteur intermédiaire 24 et des extrémités respectives 28 débouchant dans un collecteur de sortie 30. 25 Les collecteurs 20 et 30 sont avantageusement de forme générale cylindrique circulaire, d'axes parallèles, et munis respectivement d'une tubulure d'entrée 32 et d'une tubulure de sortie 34. Le collecteur intermédiaire 24 délimite une pluralité de canaux internes 36 (figure 1) 30 dont chacun a sensiblement la forme d'un U et se termine par deux embouchures 38 et 40 aptes à recevoir respectivement une extrémité 22 d'un premier tube 12 et une extrémité 26 d'un deuxième tube 16 pour assurer une5 communication de fluide entre eux. Ainsi, le fluide pénètre dans le collecteur d'entrée 20, circule dans les tubes 12 de la nappe 10, circule ensuite dans les canaux individuels 36 pour gagner l'ensemble des tubes 16 de la nappe 14 et de là, le collecteur de sortie 30. Dans un exemple de réalisation de l'invention, l'échangeur de chaleur est réalisé sous la forme d'un refroidisseur de gaz propre à faire partie d'une installation de climatisation, notamment de véhicules automobiles, fonctionnant avec un fluide réfrigérant à l'état supercritique, comme du CO2 (dioxyde de carbone). Le fluide réfrigérant qui reste essentiellement à l'état gazeux, est amené sous une pression élevée en provenance d'un compresseur. Il traverse successivement les nappes 10 et 14 et est refroidi par échange thermique avec un flux d'air qui traverse la nappe 14 puis la nappe 10 comme montré par la flèche F (figure 1). Comme on peut le voir sur les figures 1 et 2, les tubes 12 et 16 sont des tube plats, c'est-à-dire présentant une section transversale généralement oblongue, et ont leurs extrémités 18 et 22 pour les tubes 12, et 26 et 28 pour les tubes 16 qui sont vrillés ou torsadés à 90 . Ceci permet aux corps des tubes d'avoir leur plus grande longueur disposée dans la direction du flux d'air. Comme on le voit sur la figure 2, des intercalaires ondulés 42, formant ailettes d'échange de chaleur, sont disposés entre les tubes de chacune des nappes. Ces intercalaires ont des ondulations qui sont brasées sur des faces planes des tubes 12 ou 16. Dans la forme de réalisation des figures 1 et 2, le collecteur intermédiaire 24 est une plaque extrudée qui présente une configuration initiale après extrusion telle que représentée sur la figure 3. Dans cette configuration, les canaux internes 36 sont parallèles et débouchent sur deux faces d'extrémité 44 et 46. Chacun des canaux 36 présente des embouchures 38 et 40 respectivement sur les faces d'extrémité 44 et 46. Le collecteur intermédiaire 24 qui est réalisé en métal, avantageusement en alliage métallique à base d'aluminium, est ensuite déformé par pliage pour parvenir à une configuration pliée telle que représentée sur la figure 4. Le pliage s'effectue sensiblement selon une demi- circonférence si bien que les canaux internes 36 passent d'une configuration droite à une configuration en U. Dans cette configuration pliée, les deux faces d'extrémité 44 et 46 sont sensiblement coplanaires et les embouchures respectives 38 et 40 permettent le raccordement de tubes dans des directions généralement parallèles. La figure 5 montre le collecteur intermédiaire 24 de la figure 4 après insertion de tubes 12 et 16 des nappes respectives 10 et 14. On voit que les extrémités respectives 38 des tubes 12 sont vrillées ou torsadées à 90 et il en est de même pour les extrémités respectives 40 des tubes 16. Cette torsion ou ce vrillage permet de déplacer l'orientation générale de la section oblongue des tubes pour permettre la mise en place des intercalaires ondulés et 42 comme on le voit sur la figure 2. Les extrémités respectives 22 des tubes 12 et les extrémités respectives 26 des tubes 16 sont avantageusement brasées dans les embouchures correspondantes, ce qui permet d'établir une liaison fluidique étanche à chaque fois entre un tube 12 et un tube 16, sans communication des tubes entre eux. Comme on le voit sur la figure 5, les tubes 12 et 16 sont des tubes dits multi-canaux , c'est-à-dire qu'ils comportent chacun une pluralité de canaux internes 48 parallèles, qui sont au nombre de quatre dans l'exemple représenté. L'utilisation de tubes multi-canaux permet d'offrir une plus grande résistance à la pression du fluide qui traverse l'échangeur de chaleur. En outre les canaux internes 36 de collecteur intermédiaire 24 offrent aussi une résistance comparable. Comme rappelé plus haut, dans un refroidisseur de gaz, le fluide réfrigérant gazeux qui pénètre dans l'échangeur est à une pression élevée typiquement de l'ordre de 120 bars. L'échangeur de chaleur doit être capable, pour des raisons de sécurité, de résister à des pressions d'éclatement supérieures à 250 bars et à des températures supérieures à 150 C. Comme on le voit sur la figure 6, la paroi extérieure du collecteur intermédiaire 24 délimite une série de gorges extérieures 47, qui ont ici une forme en U, chacune des gorges étant disposée dans une région entre deux canaux internes. La présence de ces gorges permet de mettre en place un moyen d'accrochage 49, par exemple d'une patte de fixation, de forme adaptée qui est fixée, par exemple par brasage, contre la paroi extérieure du collecteur intermédiaire. En outre, l'existence des gorges 47 permet de réduire le poids du collecteur intermédiaire 24. On se réfère maintenant à la figure 7 qui montre une autre forme de réalisation de l'invention dans laquelle le collecteur intermédiaire 50 (voir aussi la figure 9) comprend un boîtier externe 52 à section en forme de U ayant deux parois latérales 54 et 56 généralement parallèles reliées par une paroi de fond 58. Les parois latérales 54 et 56 sont de forme générale rectangulaire et elles sont reliées par une paroi de fond 58 également de forme générale rectangulaire. Les parois latérales 54 et 56 présentent des faces intérieures respectives 60 et 62 de forme générale rectangulaire disposées parallèlement et en vis-à-vis. A l'intérieur de l'espace ainsi délimité par la section en U du boîtier 52, est logée une cloison séparatrice 64 (figure 8) qui présente deux faces extérieures 66 et 68 parallèles opposées propres à venir en contact respectivement avec les faces intérieures 60 et 62 du boîtier. Dans les faces 66 et 68, sont aménagées une pluralité de rainures parallèles respectivement 70 et 72. Les rainures 70 de la face extérieure 66 communiquent respectivement avec les rainures 72 de la face extérieure 68 par des orifices de passage 74 aménagés au travers de la cloison séparatrice, pour définir une pluralité de canaux internes en U, comme on le verra plus loin. La cloison séparatrice 64 présente une première face d'extrémité 76 et une deuxième face d'extrémité 78 dans lesquelles débouchent respectivement les rainures 70 et 72 des deux faces extérieures. La première face d'extrémité 76 vient au contact de la paroi de fond 58 du boîtier, tandis que la deuxième face d'extrémité 78 est située du côté de tranches d'extrémité 80 et 82 des parois latérales 54 et 56 pour délimiter conjointement des embouchures 84 et 86 de canaux internes 88 en forme de U, comme on le voit aussi sur la coupe de la figure 10. Les extrémités respectives des tubes 12 sont engagées dans les embouchures 84, tandis que les extrémités respectives des tubes 16 sont engagées dans les embouchures 86, les extrémités des tubes étant brasées pour assurer une liaison étanche. Ainsi, le fluide réfrigérant provenant des tubes 12 circule à chaque fois dans une rainure 70, passe au travers d'un orifice 74 pour gagner une autre rainure 72 et circuler ensuite dans un tube 16 de la deuxième nappe. On procure ainsi une pluralité de canaux internes individuels 88 en forme de U, dont chacun assure une communication de fluide entre un tube 12 et un tube 16. Les canaux internes 88 de la forme de réalisation des figures 7 à 10 sont équivalents aux canaux internes 36 de la forme de réalisation des figures 1 à 6. Le boîtier 52 et la cloison séparatrice 64 sont avantageusement formés dans un matériau à base d'aluminium et brasés entre eux et avec les extrémités des tubes qu'ils reçoivent. Le boîtier 52 est de préférence réalisé sous la forme d'une tôle pliée revêtue intérieurement d'un placage de brasure, alors que la cloison intérieure est de préférence réalisée par extrusion. L'invention permet ainsi de réaliser un collecteur intermédiaire, sous la forme d'un composant unique, délimitant une pluralité de canaux internes assurant une communication de fluide avec les tubes des deux nappes. Ce collecteur intermédiaire peut être réalisé de façon particulièrement robuste pour résister à des pressions élevées du fluide réfrigérant. Ce collecteur intermédiaire est particulièrement peu encombrant et permet d'assurer une communication de fluide dans des conditions particulièrement étanches. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites précédemment à titre d'exemples et s'étend à d'autres variantes de réalisation. Ainsi l'échangeur ce chaleur n'est pas limité à un refroidisseur de gaz et il peut comporter plus de deux nappes de tubes, par exemple trois nappes de tubes. L'invention trouve une application particulière aux échangeurs de chaleur pour véhicules automobiles et en particulier aux refroidisseurs de gaz pour circuit de climatisation. Revendications 1. Échangeur de chaleur comprenant au moins deux nappes de tubes sensiblement parallèles reliées entre elles par des 5 moyens collecteurs intermédiaires, caractérisé en ce que les moyens collecteurs intermédiaires comprennent au moins un collecteur intermédiaire (24 ; 50) délimitant une pluralité de canaux internes (36 ; 88), dont 10 chacun se termine par deux embouchures (38, 40 ; 84, 86) aptes à recevoir respectivement un premier tube (12) d'une première nappe (10) et un deuxième tube (16) d'une deuxième nappe (14) pour assurer une communication de fluide entre ce premier tube et ce deuxième tube. 15 2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des canaux internes (36 ; 88) a sensiblement la forme d'un U. 20 3. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le collecteur intermédiaire comprend une plaque extrudée (24) qui, dans une une sur 25 deux faces d'extrémité (44, 46), ladite plaque extrudée 14 configuration initiale après extrusion, délimite pluralité de canaux internes parallèles (36) débouchant étant déformée vers les canaux internes internes (36), dont une configuration pliée en sorte que parallèles constituent lesdits canaux les embouchures (38, 40) sont formées 30 sur les faces d'extrémité. 4. Échangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que, dans la configuration pliée de laplaque extrudée (24), les deux faces d'extrémité (44, 46) sont sensiblement coplanaires. 5. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le collecteur intermédiaire (50) comprend, d'une part, un boîtier externe (52) à section en forme de U ayant deux parois latérales {54, 56) généralement parallèles reliées par une paroi de fond (58) et présentant des faces intérieures (60, 62) parallèles en vis-à-vis et, d'autre part, une cloison séparatrice (64) logée dans le boîtier externe (52) et présentant deux faces extérieures (66, 68) parallèles opposées propres à venir en contact respectivement avec les faces intérieures (60, 62) du boîtier, les faces extérieures (66, 68) de la cloison séparatrice comportant chacune une pluralité de rainures parallèles (70, 72), les rainures (70) d'une face extérieure (66) communiquant respectivement avec les rainures (72) d'une autre face extérieure (68) par des orifices de passage (74) aménagés dans la cloison séparatrice pour définir la pluralité de canaux internes (88). 6. Échangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la cloison séparatrice (64) présente une première face d'extrémité (76) et une deuxième face d'extrémité (78) dans lesquelles débouchent respectivement les rainures (70, 72) des deux faces extérieures, la première face d'extrémité (76) venant au contact de la paroi de fond (58) du boîtier (52) et la deuxième face d'extrémité (78) étant située du côté de tranches d'extrémité (80, 82) des parois latérales (54, 56) du boîtier pour délimiter conjointement les embouchures (84, 86) des canaux internes. 7. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le collecteur intermédiaire (24 ; 50) est formé dans un matériau à base d'aluminium. 8. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le collecteur intermédiaire (24) comporte une paroi extérieure munie d'au moins une gorge extérieure (47) pour la mise en place d'un moyen d'accrochage (49). 9. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les tubes respectifs (12, 16) des deux nappes (10, 14) sont brasés dans les embouchures respectives (38, 40 ; 84, 86) du collecteur intermédiaire (24 ; 50). 10. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les tubes respectifs (12, 16) des deux nappes (10, 14) sont des tubes plats présentant une section transversale oblongue. 11. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les tubes respectifs (12, 16) des deux nappes (10, 14) sont des tubes à plusieurs canaux internes (48). 12. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il constitue un refroidisseur de gaz pour une installation de climatisation fonctionnant avec un fluide du type CO2.