Brevet FR2910120A1 — publié le 20080620

BOITE A EAU POUR ECHANGEUR DE CHALEUR ET ECHANGEUR DE CHALEUR COMPORTANT UNE TELLE BOITE A EAU La présente invention concerne une boîte à eau pour un échangeur de chaleur. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des systèmes d'échange de chaleur dans les véhicules automobiles, notamment les radiateurs de refroidissement des moteurs à haut débit d'entrée de fluide caloporteur, de l'ordre de 15 000 I/h par exemple. On connaît aujourd'hui des échangeurs de chaleur pour véhicules automobiles constitués par un faisceau de tubes disposés parallèlement sur une ou plusieurs rangées, ces tubes étant destinés à la circulation à travers io l'échangeur d'un fluide caloporteur, tel que de l'eau additionnée de glycol dans le cas des radiateurs de refroidissement de moteurs. L'eau en refroidissant les organes du moteur s'échauffe et doit à son tour être refroidie. C'est le rôle du radiateur d'assurer cette fonction. A cet effet, l'eau à refroidir est mise en circulation dans les tubes du radiateur et se refroidit par échange thermique 15 avec de l'air frais, l'échange thermique étant réalisé par l'intermédiaire d'éléments d'échange de chaleur disposés entre les tubes. Selon la technologie d'assemblage de l'échangeur de chaleur, on distingue différents types d'éléments d'échange de chaleur. Lorsque l'assemblage est mécanique, les éléments d'échange de 20 chaleur sont des ailettes parallèles traversées par les tubes de circulation dans des trous pratiqués dans les ailettes. Le maintien de l'ensemble est réalisé mécaniquement au moyen d'un outil introduit à l'intérieur des tubes de manière à déformer les parois des tubes et les appliquer à force contre les trous pratiqués dans les ailettes. 2910120 2 Une autre technologie d'assemblage est le brasage des tubes sur des éléments d'échange de chaleur constitués par des intercalaires placés entre les tubes. En général, ces intercalaires sont réalisés sous forme de surface ondulée, les tubes étant brasés sur les intercalaires au niveau des sommets 5 des ondulations. L'invention s'applique aussi bien aux échangeurs à assemblage mécanique qu'aux échangeurs à assemblage par brasage. Le fluide caloporteur est introduit dans les tubes de circulation par l'intermédiaire d'un boîtier de distribution placé à l'entrée du faisceau de tubes io et muni d'une tubulure d'arrivée du fluide. Un boîtier du même type est installé à la sortie de l'échangeur pour recueillir le fluide après traversée de tubes et l'évacuer à l'extérieur à travers une tubulure de sortie. De manière habituelle, le boîtier de distribution de fluide est constitué de deux parties, à savoir une boîte collectrice de fluide, appelée aussi boîte 15 à eau et un élément collecteur. L'élément collecteur est une pièce en contact avec le faisceau de tubes et porte des orifices destinés à recevoir l'extrémité des tubes débouchant dans le boîtier de distribution. Un joint assurant l'étanchéité entre la boîte à eau et le faisceau de tubes est disposé sur l'élément collecteur. Des trous sont prévus dans le joint pour le passage 20 étanche des tubes. Les extrémités des tubes dépassent à l'intérieur de la boîte à eau. Le dépassement atteint 2 à 3 mm environ pour les faisceaux de tubes à assemblage mécanique. Il est sensiblement plus faible pour les faisceaux brasés. La boîte à eau forme un couvercle pour l'élément collecteur et définit un 25 volume de fluide en circulation à l'entrée comme à la sortie de l'échangeur. Dans la majorité des échangeurs, les boîtes à eau présentent une voûte ouverte en forme de U, l'élément collecteur venant fermer le U soit par sertissage, soit par soudage dans le cas où le collecteur est en matière plastique, comme la boîte à eau elle-même. C'est à travers une paroi de la 30 voûte que la tubulure d'arrivée ou de sortie de fluide débouche dans la boîte à eau. 2910120 3 L'invention concerne plus spécialement une boîte à eau d'entrée de fluide. Pour de forts débits d'entrée, le flux de fluide à l'intérieur de la boîte à eau présente généralement des vitesses d'écoulement qui, au moins 5 localement, peuvent atteindre des pics très élevés, plus de 8 m/s par exemple. II en résulte que l'écoulement dans la boîte à eau, tel qu'il s'effectue aujourd'hui, est susceptible d'affecter gravement la résistance de l'échangeur aux conditions d'érosion. Plus précisément, on peut observer que les tubes dont les extrémités io se trouvent dans une zone centrale située au voisinage du débouché de la tubulure dans la boîte à eau présentent des dégradations constituées principalement par des trous apparaissant par érosion de la paroi des tubes environ 10 mm au-dessous de l'élément collecteur, ce qui engendre un risque de fuites dans l'échangeur. La formation de ces trous est due à un pic de is vitesse d'écoulement du fluide vers l'intérieur des tubes lié à la réflexion du flux sortant de la tubulure sur la paroi opposée de la voûte. Un autre type de dégradation que peut entraîner la circulation du fluide à grandes vitesses est une érosion des extrémités des tubes dépassant à l'intérieur de la boîte à eau. Dans les zones latérales de la boîte à eau, l'écoulement devient 20 tourbillonnaire avec de fortes composantes de vitesse parallèles à l'axe de la voûte. Il en résulte que les dégradations observées sur les tubes dans ces zones concernent surtout l'érosion et la déformation des extrémités des tubes, ces deux phénomènes étant susceptibles de créer une ouverture dans le joint d'étanchéité et donc de provoquer également des fuites dans l'échangeur. 25 Aussi, un but de l'invention est de proposer une boîte à eau, notamment une boite à eau d'entrée, pour un échangeur de chaleur à tubes, ladite boîte à eau comprenant une voûte et une tubulure d'entrée dudit fluide caloporteur débouchant dans la boîte à travers ladite voûte, qui permettrait d'améliorer les conditions d'écoulement dans la boîte à eau de manière à 30 limiter, voire éliminer, les risques de fuites liées aux dégradations hydrodynamiques subies par les tubes. 2910120 4 Ce but est atteint, conformément à l'invention, du fait notamment que la voûte présente des déflecteurs formant V disposés de part et d'autre du débouché de la tubulure d'entrée dans la boîte. Ainsi, ces déflecteurs formant V ont pour effet, d'une part, de réduire et 5 d'homogénéiser la vitesse du fluide sortant de la tubulure, et, d'autre part, d'orienter l'écoulement en dehors de la zone sensible où les extrémités des tubes débouchent dans la boîte à eau. Les déflecteurs empêchent donc que le fluide injecté dans la tubulure d'entrée ne soit réfléchi sur la voûte et n'atteigne l'intérieur ou l'extrémité des tubes de la zone centrale avec une vitesse to susceptible notamment d'éroder leur paroi et d'y former des trous. Le demandeur a pu établir sur des essais que la présence de déflecteurs formant V pouvait diminuer la vitesse d'impact sur les parois des tubes de la zone centrale de 6,6 m/s à 5,6 m/s, la vitesse au niveau des dépassements des extrémités des tubes étant ramenée de 6,8 m/s à 6,3 m/s. 15 Selon un mode de réalisation, l'angle desdits déflecteurs formant V est sensiblement égal à 90 . Avantageusement, l'invention prévoit que la boîte à eau comprend en outre des déflecteurs longitudinaux disposés sensiblement parallèlement à l'axe de la voûte, de part et d'autre desdits déflecteurs formant V. 20 Ces déflecteurs longitudinaux complémentaires permettent de guider le flux de fluide parallèlement à l'axe de la voûte et donc de le rendre plus laminaire en évitant ainsi la formation de tourbillons à l'origine des dégradations observées sur les tubes des zones latérales de la boîte à eau. L'invention concerne également un échangeur de chaleur à tubes de 25 circulation de fluide caloporteur, remarquable en ce qu'il comprend une boîte à eau d'entrée selon l'invention. Selon l'invention, ledit échangeur de chaleur présentant une rangée de tubes d'axe parallèle à l'axe de la voûte, lesdits déflecteurs longitudinaux sont disposés en regard de ladite rangée de tubes. 30 Cette disposition particulière des déflecteurs longitudinaux présente l'avantage de maintenir les pics de vitesse éloignés des dépassements des 2910120 5 extrémités des tubes. Des essais menés par le demandeur ont ainsi montré que la vitesse d'écoulement au niveau de ces dépassements pour des tubes en zone latérale pouvait être réduite de 8,2 m/s à 5,9 m/s, ceci grâce à la présence des déflecteurs longitudinaux. 5 En résumé, la présence de déflecteurs à l'intérieur de la boîte à eau permet d'obtenir une réduction du niveau de la vitesse d'écoulement de l'ordre de 2 m/s et de délocaliser les pics de vitesse loin des dépassements des extrémités des tubes. Ainsi, le demandeur a pu constater que la résistance d'un échangeur aux conditions d'érosion pouvait être multipliée par un facteur io 3, un test ayant révélé une tenue mécanique supérieure à 1 000 heures pour un radiateur avec déflecteurs au lieu de 333 heures pour le même radiateur sans déflecteurs. II faut par ailleurs souligner que la présence de déflecteurs intérieurs permet également de renforcer la tenue mécanique de la boîte à eau 15 conforme à l'invention du fait de la rigidité induite par les déflecteurs et que la perte de charge interne équivalente de l'échangeur peut être améliorée de 1 à 2%. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste 20 l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 est une vue de dessous d'une boîte à eau conforme à l'invention. La figure 2 est une vue de côté de la boîte à eau de la figure 1. La figure 3 est une vue en perspective de la boîte à eau des figures 1 et 25 2. La figure 4 est une vue en coupe transversale d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention selon la ligne X-X des figures 1 et 2. La figure 5 est une vue en coupe transversale d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention selon la ligne Y-Y des figures 1 et 2. 2910120 6 Sur les figures 1, 2 et 3 est représentée une boîte à eau, et plus particulièrement une boite à eau d'entrée 10 pour un échangeur de chaleur à tubes de circulation de fluide caloporteur. La boîte à eau 10 comprend une voûte 11 en matière plastique moulée 5 dont la section présente une forme en U et à travers laquelle débouche une tubulure 12 d'entrée de fluide située sensiblement au milieu de la voûte 11. Comme on le voit plus particulièrement sur les figures 4 et 5, la boîte à eau 10 est destinée à être placée sur un élément collecteur 20 du faisceau de tubes 100 de manière à constituer un volume fermé pour le fluide entrant dans to la boîte 10 par la tubulure 12. Un joint 21 est disposé sur l'élément collecteur 20 afin d'assurer l'étanchéité de la boîte au niveau des tubes 100. Les figures 1, 2 et 3 montrent la présence sur la voûte 11 de deux déflecteurs 111a, Ill b formant V situés dans une zone centrale, de part et d'autre du débouché de la tubulure 12 dans la boîte 10. Sur l'exemple de 15 réalisation représenté, les déflecteurs Ill a et Ill b forment un angle de l'ordre de 90 . Par ailleurs, des déflecteurs longitudinaux 112a, 112b sont disposés le long de la voûte, parallèlement à son axe A, dans des zones latérales, de part et d'autre des déflecteurs 111 a et 111 b. 20 Les figures 4 et 5 montrent sur des coupes transversales la partie supérieure d'un échangeur de chaleur comportant une boîte à eau 10 conforme aux figures 1, 2 et 3. On remarquera que les extrémités des tubes 100 sont implantées de manière dissymétrique dans la boîte 10, l'axe B de la rangée de tubes étant décalé, par rapport à l'axe A de la voûte 11, vers la 25 paroi 13 de la voûte 11 située du coté du débouché de la tubulure 12. La figure 5 indique que dans cette configuration dissymétrique les déflecteurs longitudinaux 112a et 112b sont disposés en regard le l'axe B de la rangée de tubes 100. Comme cela a été expliqué plus haut, les déflecteurs en V 111a, 111 b 30 et les déflecteurs longitudinaux 112a, 112b ont pour effet, d'une part, d'abaisser le niveau de la vitesse d'écoulement du fluide dans la boîte 10, et, 2910120 7 d'autre part, de confiner les pics de vitesse dans le volume délimité par la paroi 14 et l'élément collecteur 20, c'est-à-dire loin des dépassements des extrémités 101 de tubes à l'intérieur de la boîte 10, ceci afin de limiter les dégradations provoquées aussi bien par l'érosion des parois des tubes que 5 par la déformation et l'érosion des extrémités 101 des tubes. REVENDICATIONS 1. Boîte à eau (10), notamment une boite à eau d'entrée, pour un échangeur de chaleur à tubes, ladite boîte à eau comprenant une voûte (11) et une tubulure (12) d'entrée et/ou de sortie dudit fluide caloporteur débouchant dans la boîte (10) à travers ladite voûte, caractérisée en ce que la voûte (11) présente des déflecteurs (111a, 111b) formant V disposés de part et d'autre io du débouché de la tubulure (12) d'entrée dans la boîte (10). 2. Boîte à eau selon la revendication 1, dans laquelle l'angle desdits déflecteurs (111a, 111 b) formant V est sensiblement égal à 90 . 15 3. Boîte à eau selon l'une des revendications 1 ou 2, comprenant en outre des déflecteurs longitudinaux (112a, 112b) disposés sensiblement parallèlement à l'axe (A) de la voûte (11), de part et d'autre desdits déflecteurs (111a, 111b) formant V. 20 4. Echangeur de chaleur à tubes, caractérisé en ce qu'il comprend une boîte à eau d'entrée (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 4, présentant une rangée de tubes (100) d'axe (B) parallèle à l'axe (A) de la voûte (11), dans lequel lesdits 25 déflecteurs longitudinaux (112a, 112b) sont disposés en regard de l'axe (B) de ladite rangée de tubes. 30