Brevet FR2912209A1 — publié le 20080808

RFR0369 Titre : Echangeur multi circuits 10 La présente invention concerne un échangeur multi circuits. Elle a plus particulièrement comme objet, mais non exclusivement, un échangeur comprenant au moins deux circuits indépendants ou partiellement indépendants à l'intérieur desquels circulent au moins deux 15 fluides différents ou non devant être refroidis par une circulation d'air extérieur. Elle s'applique notamment aux échangeurs multi circuits utilisés dans l'industrie automobile pour refroidir deux éléments qui ont des besoins en refroidissement différents comme le moteur thermique et la boite de vitesse 20 par exemple. Elle convient particulièrement bien aux échangeurs multi circuits utilisés dans le cas d'un moteur hybride pour refroidir le moteur électrique d'une part et d'autre part le moteur thermique. Pour des raisons de coût de fabrication et pour faciliter l'intégration 25 dans le véhicule, il est préférable de réaliser les fonctions de refroidissement des deux fluides dans un échangeur multi circuits plutôt que dans deux échangeurs séparés. Par contre il est impératif d'isoler thermiquement le plus possible les deux circuits en supprimant le plus possible les contraintes thermiques dues aux différences de température entre les deux circuits. En 30 effet les fluides circulant dans les deux circuits séparés n'ont pas nécessairement les mêmes besoins en énergie de refroidissement et n'ont pas 1 non plus nécessairement les mêmes températures d'entrée et de sortie. Afin d'optimiser le fonctionnement et la longévité de l'échangeur, il est donc important de minimiser les contraintes thermiques. Classiquement les échangeurs comprennent une série de tubes cylindriques minces en alliage légers, souvent de forme aplatie débouchant dans deux collecteurs. L'étanchéité entre ces tubes et le collecteur étant assurée par interposition de joints élastiques ou par brasage. Des feuillards d'alliage léger très minces pliés en forme d'accordéon sont intercalés entre les tubes pour augmenter la surface de contact entre l'échangeur et l'air ambiant circulant entre les tubes ; ces feuillards étant classiquement dénommés des intercalaires. Classiquement les échangeurs multi circuits comprennent une cloison de séparation dans les deux collecteurs de façon à séparer les deux circuits. Malheureusement les éléments de structure proches de cette cloison (principalement les tubes minces) ne résistent aux contraintes mécaniques (notamment en fatigue) dues à la différence de température (notamment en raison des cycles de différence de température) existant entre les deux circuits. Les structures les plus minces comme les tubes sont les plus susceptibles de se rompre et de générer des fuites. Cet état de fait est accentué dans le cas de tubes en alliage léger brasés dans la mesure où les traitements thermiques nécessaires au brasage rendent l'alliage léger moins raide et plus vulnérable à la création de criques provenant de contraintes thermiques surtout pour ce qui concerne les contraintes de flexion ou de traction. Pour tenter de supprimer ces inconvénients on a proposé d'augmenter la section de la cloison ou même de la doubler mais le problème subsiste car les dilations différentielles entre les tubes chauds et ceux relativement plus froids existent toujours et créent des contraintes internes de fatigue trop importantes. D'autre part il est à remarquer que les contraintes thermiques au niveau de la frontière entre les deux circuits sont importantes lorsque le gradient thermique existant à cet endroit entre les deux circuits est grand. Afin de remédier à ces inconvénients majeurs, l'invention s'écarte des architectures précédemment évoquées et propose un échangeur comportant au moins deux circuits, cet échangeur comprenant : - une série de tubes pour la circulation de fluide de l'un ou l'autre des deux circuits, - au moins deux collecteurs, chacun reliés aux extrémités opposées des tubes, lesdits tubes débouchant respectivement dans lesdits collecteurs, - une cloison prévue dans chacun desdits collecteurs définissant au moins une séparation afin d'isoler le premier circuit du second circuit de fluide. Selon l'invention cet échangeur est caractérisé en ce qu'un moyen de liaison mécanique reliant la structure de la chambre d'admission à la chambre de collecte est destiné à réduire de façon significative les contraintes mécaniques structurales existant au niveau de la séparation entre les deux circuits. Les susdites contraintes mécaniques proviennent des dilatations différentielles des tubes d'échange thermique engendrées par des écarts de températures entre les deux circuits. Le terme séparation s'entend d'une ligne fictive reliant les deux cloisons présentes respectivement dans chacun des collecteurs et marquant la frontière ou limite entre chacun des deux circuits. De façon classique, cette séparation consiste en une droite ou un plan s'étendant dans le plan d'extension ou dans l'axe des tubes et/ou des cloisons. Dans des modes de réalisation non limitatifs, l'échangeur multi circuits selon l'invention pourra présenter les éléments et/ou les caractéristiques supplémentaires décrits ci-après pris isolément ou en combinaison : - l'élément de liaison mécanique consiste en une entretoise. - l'entretoise, ou moyen mécanique, se trouve à proximité immédiate d'un tube de circulation de fluide le plus proche de la séparation. - l'élément de liaison mécanique reliant mécaniquement les deux collecteurs est placé entre deux tubes adjacents des deux circuits. -l'élément de liaison mécanique ou entretoise reliant mécaniquement les deux collecteurs est disposé dans une région de l'échangeur dans laquelle la température et donc la dilatation est à un niveau intermédiaire entre celles des deux circuits. - l'élément de liaison mécanique reliant mécaniquement les deux collecteurs est composé d'au moins deux barres ou entretoises pleines ou creuses disposées de chaque coté de la cloison de séparation existant entre les chambres de distributions. - l'élément de liaison mécanique ou entretoise consiste en un prolongement des cloisons de séparation desdites chambres. - l'élément de liaison mécanique ou entretoise est constitué par un tube identique aux autres tubes d'échange thermique mais où ne circule pas de fluide. - l'élément de liaison mécanique ou entretoise est constitué par au moins un tube d'échange thermique identique aux autres tubes d'échange thermique mais ayant un orifice d'entrée et/ou de sortie de fluide restreint afin de limiter le débit de fluide. - l'élément de liaison mécanique ou entretoise est constitué par au moins un tube d'échange thermique identique aux autres tubes d'échange thermique mais ayant une épaisseur de paroi plus importante au moins dans une zone située près de l'orifice d'entrée et/ou de sortie de fluide afin de limiter le débit de fluide et de renforcer mécaniquement au moins localement l'élément de liaison. - l'élément de liaison mécanique ou entretoise est constitué par plusieurs tubes identiques aux autres tubes d'échange thermique mais où ne circule pas de fluide, ces tubes étant disposés de part et d'autre de la paroi de séparation des deux circuits. - l'échangeur est complètement assemblé mécaniquement par sertissage sans brasage. - la cloison de séparation séparant les deux circuits, comporte un petit orifice laissant circuler le fluide d'un circuit à l'autre. - l'échangeur multi circuits est constitué principalement en alliage d'aluminium et assemblé par brasage. -l'échangeur multi circuits pourra comprendre des boîtes réalisées 10 par injection de matériaux plastiques, ces boîtes étant assemblées aux collecteurs par sertissage. Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ci-après à titre d'exemple non limitatif, en faisant référence aux dessins annexés dans 15 lesquels: La figure 1 est une coupe transversale schématique d'un échangeur multi circuits à deux circuits indépendants suivant l'art antérieur. La figure 2 montre schématiquement un exemple de réalisation 20 d'un échangeur à deux circuits indépendants selon l'invention. Les figures 3 à 12 sont des variantes d'exécution d'un échangeur à deux circuits indépendants selon l'invention également en coupe transversale schématique. 25 Dans la suite, on utilisera l'expression moyen mécanique pour définir de façon générale l'objet de l'invention. Néanmoins, il est clair que cette expression pourra se traduire également par le terme entretoise , en particulier pour marquer le fait que ce moyen mécanique relie des deux boîtes collectrices. 30 La figure 1 présente un échangeur 1 à deux circuits indépendants tel qu'il est classiquement réalisé selon l'art antérieur. II comprend un premier circuit A à l'intérieur duquel circule un premier fluide et un circuit B à l'intérieur duquel circule un deuxième fluide. Cet échangeur comprend deux collecteurs C 1 et C2 chargés de collecter le fluide. Ces collecteurs sont séparés chacun en deux parties par une paroi Pl et P2. Un ensemble de tubes (ici au nombre de 7) tl à t7 relient les deux collecteurs. Des feuillards fins en alliage d'aluminium pliés en forme d'accordéon sont intercalés entre les tubes pour augmenter la surface de contact entre les tubes et l'air ambiant. Chaque circuit comprend une entrée et une sortie. Le fluide du circuit A pénètre dans le circuit par l'entrée Ea et ressort par la sortie Sa après avoir circulé dans les tubes tl, t2, t3 et t4. Le fluide du circuit B pénètre dans le circuit par l'entrée Eb et ressort par la sortie Sb après avoir circulé dans les tubes t5, t6, et t7. Dans le cas où la température moyenne du premier fluide dans le circuit A est supérieure à la température moyenne du deuxième fluide du circuit B alors les tubes tl à t4 sont plus chauds que les tubes t5 à t7. Dans ce cas les tubes tl à t5 ont tendance à se dilater plus que les tubes t5 à t7. Il s'en suit des contraintes de compression et de flexion dans les tubes tl à t4 et des contraintes de traction et de flexion dans les tubes t5 à t7. Compte tenu de l'aspect très hyperstatique de l'attache mécanique tube/collecteurs, c'est le tube t5 et la structure proche de l'extrémité de ce tube t5 qui la plus soumise au risque de voir se développer une crique par effet de fatigue de contrainte alternée en traction/flexion. Dans les exemples de réalisation non limitatifs illustrés dans la figure 2 à 11, l'échangeur comprend principalement - deux circuits indépendants A et B, un collecteur C 1 qui est séparés en deux parties indépendantes par une paroi P1, - un deuxième collecteur C2 qui est séparé également en deux parties indépendantes par une paroi P2, - trois tubes tl, t2, et t3 qui relient de façon étanche le collecteur Cl 30 au collecteur C2 et qui permettent au premier fluide du circuit A de circuler depuis une entrée Ea à une sortie Sa, - trois tubes t5, t6, et t7 qui relient de façon étanche le collecteur C 1 au collecteur C2 et qui permettent au deuxième fluide du circuit B de circuler depuis une entrée Eb à une sortie Sb, - des lamelles fines en alliage léger pliées en forme d'accordéon qui sont intercalées entre les tubes pour augmenter la surface de contact entre les tubes et l'air ambiant. - une liaison mécanique S qui relie mécaniquement les deux collecteurs. Dans un premier exemple de réalisation selon l'invention illustré dans la figure 2, la liaison mécanique S est constituée par une barre métallique en alliage d'aluminium. Cette barre est liée mécaniquement par ses deux extrémités aux deux collecteurs, le premier collecteur étant constitué par les deux chambres de distribution des deux circuits et le deuxième collecteur étant constitué par les deux chambres de collecte des deux circuits. Chaque circuit est séparé par une cloison P 1 et P2. Cette barre est placée entre les tubes des deux circuits à un endroit proche de la cloison de séparation des deux circuits. Cette barre n'est ni réchauffée par le premier fluide du premier circuit, ni par le fluide du deuxième circuit mais par rayonnement des tubes adjacents et par contact des fines lames pliées en accordéon. De ce fait la valeur de la température de la barre centrale a une valeur intermédiaire entre les températures des tubes des circuits A et B. Cette barre va donc prendre une partie des efforts de traction appliqués sur les tubes t5 à t7 et donc va mieux contribuer à établir une meilleure répartition des contraintes le long des collecteurs et donc permettre une amélioration de la résistance en fatigue des tubes de l'échangeurs et l'amélioration de la résistance en fatigue de la structure environnante lorsqu'il existe un cycle différentiel de température entre les deux circuits de l'échangeur. Dans un deuxième exemple de mode de réalisation suivant l'invention illustré dans la figure 3, la liaison mécanique S est constituée par deux barres métalliques S1 et S2 liées mécaniquement par leurs deux extrémités aux deux collecteurs C 1 et C2. Ces barres sont situées de part et d'autre des parois étanches Pl et P2. Comme dans l'exemple précédemment décrit ces barres vont prendre une partie des efforts de traction appliqués sur les tubes t6 et t7 et donc vont mieux répartir les contraintes le long des collecteurs et donc permettre une amélioration de la résistance en fatigue des tubes de l'échangeurs et l'amélioration de la résistance en fatigue de la structure environnante lorsqu'il existe un cycle différentiel de température entre les deux circuits de l'échangeur. Dans un troisième exemple de mode de réalisation suivant l'invention illustré dans la figure 4, la liaison mécanique S est constituée par un tube t4 en alliage léger. Par mesure d'homogénéité, et afin de réduire le coût de fabrication ce type de tube est similaire aux tubes utilisés pour la circulation de fluide. Par contre dans le tube t4 utilisé comme structure additionnelle il ne circule pas de fluide. Pour éviter toute circulation de fluide dans ce tube, un ou deux bouchon(s) 3 obture(nt) une ou les deux extrémité(s) du tube t4. La encore le tube t4 n'étant pas alimenté par un fluide se trouve à une température intermédiaire ce qui réduit quelque peu les contraintes dues aux écarts de température existant entre les deux circuits. Dans un quatrième exemple de mode de réalisation suivant l'invention illustré dans la figure 5, la liaison mécanique S, ou entretoise, est constituée par deux tubes t3 et t4 en alliage léger. Ces deux tubes sont obturés à une ou deux de leurs extrémités et donc comme dans l'exemple précédent ne sont pas traversés par les fluides. La encore les tubes t3 et t4 n'étant pas alimentés par un fluide se trouvent à une température intermédiaire ce qui réduit quelque peu les contraintes dues aux écarts de température existant entre les deux circuits. Dans un cinquième exemple de mode de réalisation suivant l'invention illustré dans la figure 6, la liaison mécanique S est constituée par deux tubes t4 et t5 en alliage léger. Ces deux tubes sont obturés à une ou deux de leurs extrémités et donc comme dans l'exemple précédent ne sont pas traversés par les fluides. La encore les tubes t4 et t5 n'étant pas alimentés par un fluide se trouvent à une température intermédiaire ce qui réduit quelque peu les contraintes dues aux écarts de température existant entre les deux circuits. Dans un sixième exemple de mode de réalisation suivant l'invention illustré dans la figure 7, la liaison mécanique S est constituée par quatre tubes t3, t4, t5 et t6 en alliage léger. Ces quatre tubes sont obturés à une ou deux de leurs extrémités et donc comme dans l'exemple précédent ne sont pas traversés par les fluides. La encore les tubes t4, t5, t6, et t7 n'étant pas alimentés par un fluide se trouvent à une température intermédiaire ce qui réduit quelque peu les contraintes dues aux écarts de température existant entre les deux circuits. Dans un septième exemple de mode de réalisation suivant l'invention illustré dans la figure 8, la liaison mécanique S est constituée par un tube t4 en alliage léger. Ce tube est partiellement obturé et est traversé par le fluide mais avec un débit plus faible. L'influence d'un tel tube sur les contraintes structurales est donc plus faible que s'il s'agissait d'un tube complètement obturé mais permet tout de même de réduire quelque peu les contraintes dues aux écarts de température existant entre les deux circuits. Dans un huitième exemple de mode de réalisation suivant l'invention illustré dans la figure 9, la liaison mécanique S est constituée par deux tubes t3 et t4 en alliage léger. Ces tubes sont partiellement obturés et sont traversés par le fluide mais avec un débit plus faible. L'influence de tels tubes sur les contraintes structurales est donc plus faible que s'il s'agissait de tubes complètement obturés mais permet tout de même de réduire quelque peu les contraintes dues aux écarts de température existant entre les deux circuits. Dans un neuvième exemple de mode de réalisation suivant l'invention illustré dans la figure 10, la liaison mécanique S est constituée par trois tubes t3, t4 et t5 en alliage léger. Ces tubes sont partiellement obturés et sont traversés par le fluide mais avec un débit plus faible. L'influence de tels tubes sur les contraintes structurales est donc plus faible que s'il s'agissait de tubes complètement obturés mais permet tout de même de réduire quelque peu les contraintes dues aux écarts de température existant entre les deux circuits. Dans un dixième exemple de mode de réalisation suivant l'invention illustré dans la figure Il, la liaison mécanique S est constituée par une plaque métallique P, ici en alliage léger, qui traverse de part en part l'échangeur 1. Cette plaque P est brasée sur le pourtour de chaque collecteur afin d'assurer l'étanchéité entre les deux circuits, et constitue donc un lien rigide entre les deux collecteurs. Ainsi cette plaque P se trouve à une température intermédiaire ce qui réduit les contraintes dues aux écarts de température existant entre les deux circuits. Cette plaque peut avantageusement être remplacée par une plaque creuse (figure 12). L'homme de l'art pourra appliquer ce concept à de nombreux autres systèmes similaires sans sortir du cadre de l'invention défini dans les revendications jointes. REVENDICATIONS 1. Echangeur (1) comportant au moins deux circuits (A) et (B), cet échangeur comprenant : - une série de tubes pour la circulation de fluide de l'un ou l'autre des deux circuits (A) ou (B), - au moins deux collecteurs, chacun reliés aux extrémités opposées des tubes, lesdits tubes débouchant respectivement dans lesdits collecteurs, - une cloison (P 1 et P2) prévue dans chacun desdits collecteurs définissant au moins une séparation afin d'isoler le premier circuit (A) du second circuit de fluide (B), caractérisé en ce qu'un moyen de liaison mécanique (S) reliant la structure de la chambre d'admission à la chambre de collecte est destiné à réduire de façon significative les contraintes mécaniques structurales existant au niveau de la séparation entre les deux circuits. 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de liaison mécanique (S) consiste en une entretoise. 3. Echangeur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'entretoise, ou moyen mécanique (S), se trouve à proximité immédiate d'un tube de circulation de fluide le plus proche de la séparation. 4. Echangeur selon la revendication 1 caractérisé en ce que 25 l'élément de liaison mécanique (S) reliant mécaniquement les deux collecteurs est placé entre deux tubes adjacents des deux circuits. 5. Echangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'élément de liaison mécanique (S) ou 30 entretoise reliant mécaniquement les deux collecteurs est disposé dans une 11région de l'échangeur dans laquelle la température et donc la dilatation est à un niveau intermédiaire entre celles des deux circuits. 6. Echangeur selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'élément de liaison mécanique (S) reliant mécaniquement les deux collecteurs est composé d'au moins deux barres ou entretoises pleines ou creuses disposées de chaque coté de la cloison de séparation existant entre les chambres de distributions. 7. Echangeur selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'élément de liaison mécanique (S) ou entretoise consiste en un prolongement des cloisons de séparation desdites chambres. 8. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément de liaison mécanique (S) ou entretoise est constitué par un tube identique aux autres tubes d'échange thermique mais où ne circule pas de fluide. 9. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément de liaison mécanique (S) ou entretoise est constitué par au moins un tube d'échange thermique identique aux autres tubes d'échange thermique mais ayant un orifice d'entrée et/ou de sortie de fluide restreint afin de limiter le débit de fluide. 10. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément de liaison mécanique (S) ou entretoise est constitué par au moins un tube d'échange thermique identique aux autres tubes d'échange thermique mais ayant une épaisseur de paroi plus importante au moins dans une zone située près de l'orifice d'entrée et/ou de sortie de fluide afin de limiter le débit de fluide et de renforcer mécaniquement au moins localement l'élément de liaison. 11. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'élément de liaison mécanique (S) ou entretoise est constitué par plusieurs tubes identiques aux autres tubes d'échange thermique mais où ne circule pas de fluide, ces tubes étant disposés de part et d'autre de la paroi de séparation des deux circuits. 12. Echangeur selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'échangeur est complètement assemblé mécaniquement 10 pàr sertissage sans brasage. 13. Echangeur selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la cloison de séparation séparant les deux circuits, comporte un petit orifice laissant circuler le fluide d'un circuit à l'autre. 15