Brevet FR2928448A1 — publié le 20090911

Refroidisseur de gaz amélioré L'invention concerne un refroidisseur de gaz pour circuit de climatisation automobile. Dans les circuits de climatisation automobile moderne, les développements récents ont proposé des fluides réfrigérants qui sont connus sous le nom de fluides supercritiques. Un exemple de tels fluides est le fluide R744. Dans les circuits de climatisation de véhicule automobile, le fluide réfrigérant chaud est 10 mis en mouvement par un compresseur et est envoyé en phase gazeuse chauffée dans un refroidisseur dans lequel sa température est abaissée. Dans de tels circuits, le fluide réfrigérant supercritique circule à une pression extrêmement importante, de l'ordre de 150 bars, et un refroidisseur de gaz est 15 caractérisée les pertes de charge qui lui sont associées. Il faut donc trouver le meilleur compromis efficacité thermique/pertes de charge. Pour cela, les solutions qui ont été développées à ce jour contiennent en général deux passes qui sont réparties sur deux faisceaux de tubes d'échanges de chaleur qui sont 20 disposés parallèlement l'un à l'autre. Ce type d'architecture est qualifié de "cross counter flow". Ce type de solution est extrêmement volumineux et compliqué à assembler. 25 L'invention vient à améliorer la situation. A cet effet, l'invention propose un refroidisseur de gaz pour circuits de climatisation automobile comportant un faisceau de tubes pour la circulation d'un fluide réfrigérant à l'état supercritique, les tubes étant reçus dans une boîte collectrice. 30 Ce refroidisseur comporte un élément de séparation qui définit dans la boîte collectrice au moins deux chambres, chacune associée à une passe dans le faisceau de tubes, ledit élément de séparation étant agencé de sorte que la passe associée à la chambre qui reçoit le fluide réfrigérant en entrée du refroidisseur présente un nombre de tubes compris entre 50 % et 68 % du nombre de tubes dans ledit faisceau. Par ses études, la Demanderesse a démontré qu'un refroidisseur de gaz à plusieurs passes est réalisable avec un seul faisceau de tubes, moyennant une répartition précise du nombre de tubes. Cela est surprenant par rapport à ce qui a été développé à ce jour. En effet, la technologie "cross counter flow" a été développée pour éviter tout pont thermique entre les passes. Avec un seul faisceau de tubes, un tel refroidisseur est donc plus simple à concevoir, à 15 assembler et également beaucoup moins volumineux que l'existant. Le refroidisseur de l'invention est donc particulièrement adapté aux problématiques modernes de l'industrie automobile. De manière optionnelle et dans des modes de réalisation particuliers, le refroidisseur 20 décrit ci-dessus peut présenter les caractéristiques suivantes : - l'élément de séparation est agencé de sorte que la passe associée à la chambre et qui reçoit le fluide réfrigérant en entrée du refroidisseur présente un nombre de tubes compris entre 55 % et 65 % du nombre de tubes dans ledit faisceau ; 25 - le pas entre les tubes dans le faisceau de tubes est compris entre 5 et 8 mm ; - le pas entre les tubes dans le faisceau de tubes est compris entre 6 et 8 mm ; 30 - le diamètre hydraulique des tubes est compris entre 0,3 et 0,9 mm ; - le diamètre hydraulique des tubes est compris entre 0,3 et 0,7 mm ; - la hauteur des tubes est comprise entre 0,8 et 2 mm ;10 - la hauteur des tubes est comprise entre 1 et 1, 7 mm ; - des intercalaires sont disposés entre les tubes dans le faisceau des tubes ; 5 - le pas des intercalaires est compris entre 0,8 et 1, 3 mm ; - le pas des intercalaires est compris entre 1 et 1, 3 mm ; 10 - le nombre de tubes dans ledit faisceau est compris entre 10 et 30 ; - l'élément de séparation est une cloison disposée dans la boîte collectrice ; et - l'élément de séparation est un tube mort. 15 D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, donnée à titre illustratif et non limitatif, d'exemples tirés des dessins sur lesquels : 20 - la figure 1 représente une vue schématique d'un refroidisseur de gaz selon l'invention ; - la figure 2 représente un diagramme de performance du refroidisseur de la figure 1 en fonction de la répartition du nombre de tubes entre les passes, pour divers diamètres hydrauliques et pas entre les tubes ; - la figure 3 représente un diagramme des pertes de charge du refroidisseur de la figure 1 en fonction de la répartition du nombre de tubes entre les passes, pour divers diamètres hydrauliques et pas entre les tubes ; 30 - la figure 4 représente une vue schématique de côté du placement du refroidisseur de la figure 1 dans un module de climatisation pour véhicule automobile par rapport aux entrées d'air de la face avant d'un véhicule automobile ; et 25 - la figure 5 représente un diagramme de la température de sortie du fluide et de pertes de charge en fonction de la répartition du nombre de tubes entre les passes lorsque le refroidisseur est dans une situation conforme à celle représentée sur la figure 4. Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition le cas échéant. La figure 1 représente un schéma d'un refroidisseur de gaz 2 selon l'invention. Le refroidisseur de gaz 2 comporte un faisceau 4 de tubes 6 qui sont reçus à leurs extrémités dans deux boîtes collectrices respectivement 8 et 10. Des intercalaires 12 sont disposés entre les tubes 6 pour favoriser l'échange de chaleur, et la boîte collectrice 8 comporte une entrée 14 et une sortie 16 de fluide réfrigérant supercritique. Dans l'exemple ici décrit, le fluide réfrigérant à l'état supercritique utilisé est appelé R744. Ce fluide est à base de CO2, et a une masse molaire de 44 g/mol. Ce fluide a un point d'ébullition à -78,5°C, et un point critique caractérisé par une température à 31,1°C, une pression à 73,82 bars, et une densité de 468 kg/m3. Le refroidisseur de gaz 2 comporte également un élément de séparation 18 qui sépare la boîte collectrice 8 en deux chambres respectivement Cl et C2, la chambre Cl recevant l'entrée de fluide réfrigérant 14 et la chambre C2 recevant la sortie de fluide réfrigérant 16. L'élément de séparation 18 délimite le faisceau 4 en deux passes de tubes 6 respectivement Pl et P2, la passe Pl étant associée à la chambre Cl et la passe P2 étant associée à la chambre C2. Dans l'exemple schématique représenté ici, l'élément de séparation 18 est une cloison et disposé dans la boîte collectrice 8. Comme on le voit sur la figure 1, la cloison 18 est placée en regard d'un tube 6, ce qui en fait un tube mort à travers lequel aucun fluide réfrigérant ne circule.30 En variante, la boîte collectrice qui reçoit l'élément de séparation peut être réalisée sous la forme de deux boîtes distinctes. La cohésion mécanique entre ces boîtes est alors assurée par les tubes d'échange de chaleur qui sont reçus dans l'autre boîte collectrice. Les passes P1 et P2 sont utilisées pour abaisser la température du fluide réfrigérant reçue dans l'entrée 14 grâce à la circulation d'un flux d'air sensiblement perpendiculairement au plan du faisceau 4. 10 Dans un circuit classique, le fluide réfrigérant entre à une température de 150°C et une pression de 125 bars, et sort à une température de 50°C et une pression de 125 bars. A ces états d'entrée et de sortie, le tableau 1 résume les caractéristiques d'échange de chaleur principal du fluide réfrigérant. TABLEAU 1 Entrée (150°C, 125 bars) Sortie (50°C, 125 bars) Densité 189 kg/m3 616,6 kg/m3 Capacité Thermique 833 J.K"'.kg' 1023,3 J.K-1.kg-1 Viscosité 2,3 10-5 Pa.s-' 4,6 10-5 Pa.s-' Comme cela apparaît au vu de ce tableau, il n'est pas évident de déterminer de manière 20 directe un nombre optimal de tubes pour chaque passe, pour optimiser l'efficacité thermique du refroidisseur de gaz 2 et les pertes de charge qui lui sont associées. Par conséquent, la Demanderesse a procédé à de nombreuses expériences pour des faisceaux de tubes entre lesquels les intercalaires sont introduits. Les caractéristiques des 25 faisceaux qui ont été testés sont résumés dans le tableau 2 ci-après. TABLEAU 2 15 Diamètre Hydraulique 5-8mm Hauteur des tubes 0,8-2mm Pas entre les tubes 5-8mm Nombre de tubes 10-30 Pas entre les intercalaires 0,8-1,3mm Par diamètre hydraulique, on entend le diamètre qu'aurait un cylindre de débit hydraulique équivalent à ces tubes. Par hauteur des tubes, on entend la dimension du tube dans la direction parallèle à l'écoulement du flux d'air qui balaye le faisceau lorsque celui-ci est en place, c'est-à-dire orthogonale au plan définit par le faisceau. La figure 2 est un diagramme qui représente l'efficacité thermique du refroidisseur de gaz 2 en fonction de diverses répartitions des tubes entre les passes Pl et P2, et ce, pour des faisceaux présentant des tubes de diamètre hydraulique et disposés à un pas choisi. La figure 3 est un diagramme similaire à la figure 2 sauf que ce sont les pertes de charge associées au refroidisseur de gaz 2 qui sont représentées. Comme il ressort de ces figures, la répartition des tubes entre les passes qui favorise le plus le compromis efficacité/pertes de charge est la plage dans laquelle la première passe comprend entre 55% et 65% des tubes. 20 Une plage particulièrement efficace est celle dans laquelle la première passe comprend entre 58% et 60% du nombre total de tubes. D'autre part, la Demanderesse a remarqué que contrairement à ce qui est communément admis, la conception d'un refroidisseur de gaz à plusieurs passes dans un seul faisceau de 25 tubes peut être aussi efficace que la conception "cross counter flow" dans des conditions d'utilisation réelle. De telles conditions sont représentées sur la figure 4.15 Sur cette figure, on a représenté le refroidisseur de la figure 1 face à un flux d'air composite qui modélise le flux d'air reçu par un circuit de climatisation dans la face avant d'un véhicule automobile. Dans un tel circuit, la température de l'air traversant le refroidisseur de gaz 2 n'est pas uniforme. D'une manière générale, on peut considérer que cet air est réparti en deux flux d'air séparés à peu près à mi-hauteur du refroidisseur de gaz 2. Sur la base de cette répartition de flux d'air, la Demanderesse a établi le diagramme de la figure 5 qui est un diagramme similaire au diagramme 2 des figures 2 et 3. Le diagramme de la figure 5 exprime la température de sortie et les pertes de charge qui sont associées au refroidisseur de gaz 2 dans la configuration de la figure 4, en fonction de la répartition des tubes entre les passes dans le faisceau 4. Ce diagramme a été établi avec des faisceaux de tubes de caractéristiques similaires à celles de ceux qui ont été utilisés pour les diagrammes des figures 2 et 3. Comme il ressort de la figure 5, il est optimal d'utiliser le refroidisseur de gaz 2 en le 20 positionnant de sorte que la première passe comprend entre entre 55% et 65% des tubes, et que cette passe fait face au flux d'air le plus chaud. Une plage particulièrement efficace est celle dans laquelle la première passe comprend entre 58% et 60% du nombre total de tubes. 25 La description qui précède ne doit pas être interprétée de manière limitative, et elle englobe l'ensemble des variantes qui ont été décrites, ainsi que leur combinaison le cas échéant, dans le cadre général définit par les revendications qui suivent.15 Revendications 1. Refroidisseur de gaz pour circuit de climatisation automobile, comportant un faisceau (4) de tubes (6) pour la circulation d'un fluide réfrigérant à l'état supercritique, les tubes (6) étant reçus dans une boîte collectrice (8), caractérisé en ce qu'il comporte un élément de séparation (18) qui définit dans la boîte collectrice (8) au moins deux chambres (Cl, C2), chacune associée à une passe (P1, P2) dans le faisceau (4) de tubes (6), ledit élément de séparation (18) étant agencé de sorte que la passe (Pl) associée à la chambre (Cl) qui reçoit le fluide réfrigérant en entrée du refroidisseur (2) présente un nombre de tubes compris entre 50% et 68% du nombre de tubes (6) dans ledit faisceau (4). 8 20 3. 4. 25 5. 30 Refroidisseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le pas entre les tubes dans le faisceau de tubes est compris entre 5 et 8 mm. Refroidisseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le pas entre les tubes dans le faisceau de tubes est compris entre 6 et 8 mm. Refroidisseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre hydraulique des tubes est compris entre 0,3 et 0,9 mm. 2. Refroidisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément de séparation (18) est en outre agencé de sorte que la passe (Pl) associée à la chambre (Cl) qui reçoit le fluide réfrigérant en entrée du refroidisseur (2) présente un nombre de tubes compris entre 55% et 65% du nombre de tubes (6) dans ledit faisceau (4). 6. Refroidisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le diamètre hydraulique des tubes est compris entre 0,3 et 0,7 mm.7. Refroidisseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la hauteur des tubes est comprise entre 0,8 et 2 mm. 8. Refroidisseur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la hauteur des 5 tubes est comprise entre 1 et 1,7 mm. 9. Refroidisseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des intercalaires sont disposés entre les tubes dans le faisceau de tubes. 10. Refroidisseur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le pas des intercalaires est compris entre 0,8 et 1,3 mm. 15 11. Refroidisseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre de tubes (6) dans ledit faisceau (4) est compris entre 10 et 30. 12. Refroidisseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit élément de séparation (18) comprend une cloison disposée dans la boîte 20 collectrice (8). 13. Refroidisseur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que ledit élément de séparation (18) comprend un tube mort. 25 14. Module de climatisation pour véhicule automobile, comprenant un refroidisseur de gaz (2) selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le refroidisseur (2) est agencé de sorte que la passe (P1) associée à la chambre (Cl) qui reçoit le fluide réfrigérant en entrée du refroidisseur (2) est 30 disposée en regard du flux d'air d'entrée le plus chaud. 10