Brevet FR2924795A1 — publié le 20090612

RDE0416 Boîte collectrice pour échangeurs thermiques L'invention se rapporte au domaine des échangeurs de chaleur et notamment aux échangeurs de chaleur destinés à être parcourus par au moins deux fluides à des températures différentes. L'invention se rapporte plus particulièrement, mais non exclusivement, aux échangeurs de type HT/BT, c'est-à-dire aptes à faire circuler un même fluide dans deux parties distinctes de l'échangeur, chaque partie accueillant le fluide à Haute Température (HT) ou le fluide à Basse Température (BT). Tous autres types d'échangeurs de chaleur dans lesquels circulent des fluides à des températures différentes sont susceptibles d'intéresser ou d'être intéressés par la présente invention car ils présentent des phénomènes de dilatations thermiques aptes à les endommager mécaniquement, engendrant en particulier des fuites. On connaît à l'heure actuelle sur le marché des boîtes collectrices d'échangeur de chaleur qui comportent une cloison de séparation étanche. Cette simple cloison de séparation, juste destinée à séparer les deux fluides plus ou moins correctement sur le plan thermique, ne permet pas de minimiser les phénomènes de dilatation thermique. On connaît également par le document EP 0789213 qui prévoit une double cloison de séparation, avec au moins un tube mort situé entre ces deux cloisons, pour la séparation du faisceau d'échange de chaleur. Ces types de boîtes 1 collectrices permettent effectivement une meilleure tenue aux dilatations et contraintes thermiques de l'échangeur mais diminuent significativement sa capacité d'échange en ce qu'ils prévoient de condamner au moins un tube et une partie plus ou moins importante de la boîte collectrice. On connaît également par les documents US 6883600, FR 2753783 ou US4917180, d'autres boîtes collectrices améliorant la structure de celle divulguée dans le document EP 0789213 mais ces structures, si elles parviennent parfois à éviter tous risques mécaniques liés au gradient thermique au niveau de la zone de séparation entre les deux fluides, n'en prive pas moins substantiellement l'échangeur de sa pleine capacité d'échange thermique. Ainsi, il existe dans l'art antérieur deux catégories de boîtes collectrices, chacune présentant leurs inconvénients. La première catégorie de boîtes collectrices comprend des échangeurs de chaleur présentant une faible, voire très faible, résistance au stress thermique tandis que la seconde catégorie de boîtes collectrices comprend des échangeurs de chaleur présentant une meilleure résistance au stress thermique mais avec une réduction corrélative de leurs capacités d'échanges thermiques. L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients de ces deux types de boîtes collectrices/échangeurs de chaleur en proposant un système apte à contenir efficacement les phénomènes de dilatations thermiques sans dégrader ses performances thermiques. Elle propose à cet effet une boîte collectrice d'échangeur de chaleur présentant un faisceau de tubes ou analogues, comportant au moins une cloison de séparation de sorte qu'elle divise ladite boîte en deux portions destinées à deux fluides, l'un dit à haute température et l'autre dit à basse température, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'arrêt pour arrêter au moins partiellement la circulation de fluide dans le faisceau de tubes débouchant à proximité de la susdite cloison de séparation, en fonction d'une température de seuil d'un fluide ou d'une partie de ladite boîte formant une première condition de fonctionnement ; l'ensemble des tubes du faisceau étant aptes sans restriction à la circulation de fluide dans une seconde condition de fonctionnement. On entend par l'expression � température de seuil � une température atteinte par l'un et/ou l'autre des fluides ou par une partie de la boîte collectrice mais également une différence de température atteinte entre deux températures, chacune des temperatures mesurant par exemple la température de chacun des deux fluides ou l'une des température représentant la température d'une partie de la boîte collectrice tandis que l'autre température étant celle de l'un des deux fluides. On entend par l'expression � faisceau de tubes ou analogues � le fait que le faisceau d'échange de chaleur de l'échangeur pourra comporter tous autres moyens autorisant la circulation d'un fluide, tels que par exemple des plaques, l'invention n'entend ainsi pas être limitée aux échangeurs comportant un faisceau de tubes. On entend par l'expression � à proximité de la susdite cloison de séparation � le fait que les moyens d'arrêt agissent uniquement sur les tubes ou analogues dont les extrémités fixées à la boîte collectrice sont situées proches de la cloison de séparation de sorte qu'au plus 4 à 5 tubes, parfois uniquement 1 ou 2 tubes, éventuellement de part et d'autre de la cloison de séparation sont susceptibles d'être impactés, ou concernés, par ces moyens d'arrêt. On entend par � première condition de fonctionnement � le fait que les moyens d'arrêt entrent en action à compter d'une température de seuil, que la température diminue ou augmente. Ainsi, parfois, les moyens d'arrêt fonctionneront (première condition de fonctionnement) lorsque la température de seuil est atteinte, la température ou la différence de température diminuant ensuite ou bien les moyens d'arrêt fonctionneront (première condition de fonctionnement) lorsque la température de seuil est atteinte, la température ou la différence de température allant en augmentant ; dans ces deux cas, la seconde condition de fonctionnement correspondra à l'inaction des moyens d'arrêt. Avantageusement, les moyens d'arrêt seront des moyens d'arrêt automatiques. On entend par l'expression � moyens d'arrêt automatique � le fait que le déclenchement, ou le déploiement, de ces moyens d'arrêt (pour leurs fonctionnements en tant que moyens d'arrêt de la circulation de fluide), qu'ils soient passifs ou actifs, a lieu automatiquement, en fonction d'au moins une température de seuil de l'un des fluides ou d'un composant ou partie de la boîte collectrice ou de l'échangeur de chaleur. Dans les exemples choisis pour illustrer l'invention, on a choisi des moyens d'arrêt, passifs ou actifs, qui se déploient en partie (petit à petit) ou en totalité, à compter d'une température de seuil, plus exactement à compter de l'instant où cette température de seuil est atteinte. Néanmoins, un des exemples de réalisation de ces moyens d'arrêt consistent en un orifice calibré, qui ne se déploie pas ni même ne change de forme/structure avec un changement de température, mais à compter d'une température de seuil, la circulation du fluide dans la boîte collectrice où est située ledit orifice, du fait de sa calibration particulière, est modifié par l'orifice calibré car sa viscosité, sa consistance, change significativement à compter de cette température de seuil, diminuant consécutivement le débit de fluide par cet orifice. Cet orifice calibré présentera un diamètre compris entre 10% et 90% de la largeur de la section du collecteur, de préférence compris entre 30% et 60% de la largeur de la section du collecteur. Ainsi, la chambre intermédiaire, constituée entre la paroi de séparation et l'orifice calibré, verra sa contenance en fluide diminuée d'autant de sorte que le résultat consistant en une diminution significative, voire un arrêt (au-delà/en-dessous d'une certaine température), de la circulation de fluide dans les tubes ou analogues situés à proximité de la paroi de séparation se produit effectivement avec ce mode de réalisation des moyens d'arrêt. D'autres caractéristiques de la boîte collectrice de l'échangeur de chaleur sont indiquées ci-après. - les moyens d'arrêt consistent en une cloison à matériau déformable en fonction de la température (ou chaleur) ; - les moyens d'arrêt sont des moyens actifs, c'est-à-dire commandés électriquement/électroniquement/pneumatiquement/ hydrauliquement ; - la boîte pourra comprendre une chambre intermédiaire, ladite chambre présentant un orifice d'entrée muni desdits moyens d'arrêt ; les moyens d'arrêt consistent en une valve 5 thermostatique ; - dans le cas où la boîte collectrice comprend une chambre intermédiaire, les moyens d'arrêt pourront consister en un orifice calibré ; - la boîte collectrice est au moins partiellement en 10 plastique. Enfin, la présente invention se rapporte également à un échangeur de chaleur, destiné à l'échange de chaleur pour au moins deux fluides, l'un dit à basse température et 15 l'autre à haute température, comportant un faisceau de tubes ou analogues pour la circulation et l'échange thermique de ces deux fluides, caractérisé en ce qu'il comprend une boîte collectrice telle que définie précédemment. 20 Selon un aspect avantageux de l'invention, les deux susdits fluides circulant dans l'échangeur de chaleur selon l'invention seront de même nature ou identique, par exemple un même liquide de refroidissement formé d'un mélange d'eau 25 et de glycol. Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels : 30 - la figure 1 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation d'une boîte collectrice selon l'invention, comportant une chambre intermédiaire disposant d'un orifice d'entrée de fluide obturable au moins partiellement grâce à une cloison actionnée par des moyens de commande constituant les moyens d'arrêt ; - les figures 2 à 4 sont une représentation schématique d'un autre exemple de réalisation d'une boîte collectrice selon l'invention dans lequel les moyens d'arrêt consistent en une paroi secondaire en matériau déformable en fonction de la température/chaleur apte à se courber, en fonction de sa température, pour fermer partiellement ou totalement les extrémités de tubes ; ces figures illustrant le déploiement de cette paroi secondaire. Dans les deux exemples choisis pour illustrer l'invention, la boîte collectrice 1 peut être indifféremment monobloc ou constituée d'une plaque collectrice 2 pour la réception et la fixation des extrémités des tubes 3 et d'un couvercle 4 destiné à former le volume intérieur de la boîte collectrice 1. La constitution de la boîte collectrice 1, quelle que soit sa structure ou sa conception, ne présente pas de caractéristiques modifiant l'objet de la présente invention qui s'adaptera aux différentes conceptions et formes de boîtes collectrices 1. Par ailleurs, la boîte collectrice 1 représentée pour illustrer l'invention comprend toujours une cloison de séparation 5 de deux fluides circulant dans la boîte collectrice 1. La nature, la forme et les caractéristiques de cette cloison de séparation 5 n'ont pas non plus d'importance relativement à la présente invention même si il est nécessaire que cette cloison de séparation 5 soit étanche aux fluides qui entrent à son contact. Enfin, on a choisi d'illustrer l'invention avec des tubes 3, classiquement des tubes plats, qui autorisent la circulation d'un fluide et qui sont fixés par exemple par brasage à la plaque collectrice 2 de la boîte collectrice 1. Bien entendu, l'invention ne se limite pas à l'utilisation de tubes 3 et pourra fonctionner sensiblement à l'identique avec tous autres moyens aptes à autoriser la circulation du ou des fluides circulant dans l'échangeur de chaleur, tels que par exemple des plaques empilées formant éventuellement des canaux de circulation de fluide. Le but de l'invention réside dans la possibilité pour la boîte collectrice 1 associée de réduire, voire de stopper, la circulation de fluide dans les tubes 3, ou conduits, contigus à la cloison de séparation 5 de sorte que les phénomènes de dilatations thermiques seront particulièrement réduits, jusqu'à être pratiquement inexistants, du fait d'une zone de séparation thermique 6, ou zone � tampon �, ajustable et active lors de la survenue d'une température, ou d'une différence de température, préconvenue/préétablie (température ou différence de température de seuil). Ainsi, grâce à l'invention, il est possible de réduire plus ou moins, ou de stopper, la circulation de fluide dans les tubes ou conduits 6 proches de la cloison de séparation 5 ; étant entendu que les tubes ou conduits 6 considérés comme proche de la cloison de séparation 5 sont au plus les cinq tubes/conduits contigus à ladite cloison de par et d'autre dans les configurations ou structures actuelles d'échangeur de chaleur. Dans les exemples choisis pour illustrer l'invention, seuls trois tubes 6 sont bouchés, partiellement ou totalement, et seulement d'un côté de la cloison de séparation 5. Bien entendu, toutes les variantes sont envisageables, de sorte qu'il sera possible de boucher, partiellement ou totalement, les tubes/conduits 6 de chaque côté de la paroi de séparation 5 ; le nombre de tubes/conduits bouchés 6 étant susceptible de varier de chaque côté de ladite cloison, ce nombre de tubes/conduits bouchés 6 pouvant être différent de chaque côté de la cloison de séparation 5. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, une cloison partielle 7 est ajoutée à proximité de la cloison de séparation 5 pour définir une chambre intermédiaire 6 dans laquelle, en l'occurrence trois tubes/conduits 6 débouchent ou sont présents entre la cloison de séparation 5 et la cloison partielle 7. La cloison partielle 7 est une cloison présentant un orifice 8, par exemple situé de façon centrale sensiblement à équidistance du couvercle 4 et de la plaque collectrice 2 de la boîte collectrice 1. Cet orifice 8 est donc obturable, en partie ou en totalité, par des moyens d'arrêt 9 qui consistent ici en une paroi amovible 9 commandée par un actionneur, non représenté sur les figures annexées, relié à un capteur thermique, également non représenté sur les figures annexées. Ainsi, lorsque la température du fluide dans la boîte collectrice 1, ou la température d'un des éléments ou du fluide présent dans l'espace compris entre la cloison de séparation 5 et la cloison partielle 7 (définissant la chambre intermédiaire 6), devient supérieure (peut également être inférieure) à une certaine valeur seuil, la paroi 9 commence à refermer l'orifice d'entrée 8 de l'espace 6 entre les deux cloisons 5 et 7. On pourra prévoir que la paroi 9 ferme totalement, et de façon étanche, l'orifice 8 de la paroi partielle 7 lorsque le capteur thermique détecte ce seuil de température ou bien la paroi 9 pourra être ramenée proche, ou plus ou moins proche, de cet orifice 8 de manière à stopper graduellement la circulation du fluide dans l'espace 6 (c'est-à-dire boucher son entrée dans l'espace compris entre les deux cloisons 5 et 7) en fonction de l'évolution de la température relevée par le capteur. Dans ce premier mode de réalisation, les moyens d'arrêt 9 sont donc des moyens automatiques actifs 9, c'est-à-dire qu'ils nécessitent un moyen de contrôle et de commande externe/extérieur apte à déclencher leurs activations, en l'occurrence un moyen électrique/électronique/pneumatique/hydraulique. Le second mode de réalisation choisi pour illustrer l'invention divulgue des moyens d'arrêt passifs 9, c'est-à- dire dont le déclenchement, ou le déploiement, s'opère sans action extérieure/externe. Sur les figures 2 à 4, on a choisi d'illustrer ces moyens d'arrêt 9 avec une paroi partiellement ou en totalité constituée avec un matériau ou alliage déformable en fonction de la température, par exemple à mémoire de forme, c'est-à-dire tout matériau ou alliage présentant la capacité de "garder en mémoire" une forme initiale et d'y retourner même après une déformation, ainsi que la possibilité d'alterner entre deux formes préalablement mémorisées lorsque sa température varie autour d'une température critique ou de seuil, tels que le laiton, le titane-nickel, certains alliages cuivre-aluminium ou une bi-lame ou un alliage à différentes couches de matériaux à coefficient de dilatation thermique différents. La figure 2 présente la paroi 9 s'étendant perpendiculairement aux parois du couvercle 4 et de la plaque collectrice 2 de la boîte collectrice 1, ou autrement dit parallèlement à la cloison de séparation 5. Cette position des moyens d'arrêt 9 sera dite de repos, c'est-à-dire une position dans laquelle les moyens d'arrêt 9 n'empêchent ou n'obstruent en rien la circulation du fluide dans les tubes/conduits 6 situés à proximité de la cloison de séparation 5. Ainsi, dans cet exemple, les moyens d'arrêt 9, constitués par la paroi située parallèlement à la cloison de séparation 5, s'étendent verticalement à proximité immédiate de la cloison de séparation 5 mais on pourra envisager toute autre position dite de repos pour ces moyens d'arrêt 9 dans la mesure où ces derniers 9 n'empêchent pas, ou même ne réduisent pas, la circulation du fluide en particulier au niveau des tubes/conduits 6 destinés à être bouchés, partiellement ou en totalité, par lesdits moyens d'arrêt 9. Ainsi, sur la figure 3 les moyens d'arrêt 9 présentent une courbure proche de trois tubes/conduits 6 de sorte que l'écoulement ou la circulation de fluide dans ces tubes/conduits 6 est réduite sensiblement ou très sensiblement. Enfin, sur la figure 4 on a représenté les moyens d'arrêt 9 qui s'étendent cette fois de manière à couvrir l'entrée des tubes/conduits 6 de sorte qu'aucun fluide, ou quasiment aucun fluide, ne peut plus pénétrer dans lesdits tubes/conduits 6. Bien entendu, dans le cas de la figure 4, les moyens d'arrêt 9 ont atteint une température qui est supérieure à celle de sa température dans le cas de la figure 3 qui est elle-même supérieure à celle du cas de la figure 1 lorsque les moyens d'arrêt passifs 9 sont au repos. La présente invention ne se limite aux modes d'exécution décrits ici quant aux moyens d'arrêt 9 qu'ils soient passifs ou actifs et tous autres moyens de ces deux types (dits actifs ou passifs) pourront être envisagés dès lors qu'il sont activés à compter d'une température seuil et se déploient alors soit totalement ou graduellement, c'est-à- dire en fonction de l'augmentation, parfois la baisse, de la température. Revendications 1. Boîte collectrice (1) d'échangeur de chaleur présentant un faisceau de tubes (3) ou analogues, comportant au moins une cloison de séparation (5) de sorte qu'elle divise ladite boîte (1) en deux portions destinées à deux fluides, l'un dit à haute température et l'autre dit à basse température, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'arrêt (9) pour arrêter au moins partiellement la circulation de fluide dans le faisceau de tubes (6) débouchant à proximité de la susdite cloison de séparation (5), en fonction d'une température de seuil d'un fluide ou d'une partie de ladite boîte formant une première condition de fonctionnement ; l'ensemble des tubes (6) du faisceau étant aptes sans restriction à la circulation de fluide dans une seconde condition de fonctionnement. 2. Boîte collectrice (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens d'arrêt (9) sont des 20 moyens automatiques. 3. Boîte collectrice (1) selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens d'arrêt (9) consistent en une cloison déformable en fonction de la température. 4. Boîte collectrice (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'arrêt (9) sont des moyens actifs, c'est-à-dire qu'ils nécessitent un moyen de contrôle/commande apte à déclencher leurs activations. 5. Boîte collectrice (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend une chambre intermédiaire (6) ; ladite chambre (6) 13 25 30présentant un orifice d'entrée (8) muni desdits moyens d'arrêt (9). 6. Boîte collectrice (1) selon l'une quelconque des 5 revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens d'arrêt (9) consistent en une valve thermostatique. 7. Boîte collectrice (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les moyens d'arrêt (9) consistent en 10 un orifice calibré. 8. Boîte collectrice (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est au moins partiellement en plastique. 15 9. Echangeur de chaleur, destiné à l'échange de chaleur pour au moins deux fluides, l'un dit à basse température et l'autre à haute température, comportant un faisceau de tubes (3) ou analogues pour la circulation et l'échange 20 thermique de ces deux fluides, caractérisé en ce qu'il comprend une boîte collectrice (1) telle que définie dans les revendications 1 à 8. 10. Echangeur de chaleur selon la revendication 9, 25 caractérisé en ce que les deux susdits fluides sont de même nature ou identique.