Brevet FR2933770A1 — publié le 20100115

Échangeur de chaleur de type dit interne amélioré L'invention a trait à un échangeur de chaleur. Un échangeur de chaleur a pour fonction d'assurer un échange thermique entre deux fluides. Un premier type d'échangeur de chaleur est conçu pour permettre cet échange entre un fluide en circulation à l'intérieur de tubes, généralement disposés en faisceau, et un fluide, le plus souvent de l'air, traversant l'échangeur, extérieurement aux tubes. Dans un second type d'échangeur de chaleur, les deux fluides destinés à l'échange thermique sont en circulation à l'intérieur de tubes de l'échangeur. En général, chaque tube de l'échangeur en question comprend des canaux destinés au premier fluide et des canaux destinés au second. L'invention s'intéresse plus particulièrement aux échangeurs du second type. Avec ce type d'échangeurs, on cherche toujours à améliorer la compacité de l'échangeur tout en conservant des performances d'échange de chaleur optimale. Comme ces échangeurs sont., entre autres choses, destinés à être montés sur des véhicules automobiles, il est important que leur encombrement soit aussi réduit que possible. Pour autant, les performances thermiques elles, ne doivent pas être diminuées, celles-ci étant le plus souvent à la base des calculs de dimensionnement de l'échangeur. Pour gagner en performance et en compacité, il est connu d'agencer l'échangeur de chaleur de manière à pouvoir le loger à l'intérieur d'un accumulateur. Cet accumulateur, qui fait parti du circuit de circulation de l'un au moins des fluides, se présente alors le plus souvent sous la forme d'une enveloppe de révolution, en général cylindrique. L'échangeur peut se présenter sous la forme d'un ou 10 plusieurs tubes enroulés qui sont logés à l'intérieur de l'accumulateur. Par exemple, US 6,523,365 B2 divulgue un échangeur de chaleur de ce type. Cet échangeur est formé d'un tube d'échange de chaleur comprenant des canaux de circulation de fluide ménagés au travers de celui-ci. Le tube d'échange de chaleur est conformé en une succession d'enroulements sur lui-même. 20 Une difficulté importante avec ce type de configuration est de réaliser la collecte de chacun des fluides en entrée et en sortie. Quatre dispositifs de collecte sont souvent nécessaires, car évidemment les fluides ne peuvent être 25 mélangés. Et il convient en outre de faire en sorte que les canaux ménagés dans l'unique tube de l'échangeur débouchent convenablement dans chacun des dispositifs de collecte. À cet égard, la configuration proposée par US 6,523,365 B2 30 n'est que très partiellement satisfaisante. 15 D'abord, un nombre important d'éléments mécaniques est nécessaire à la mise en oeuvre de cette configuration, rendant cette dernière assez complexe. Ensuite, la mise en oeuvre de cette configuraticn nécessite que les canaux de circulation de fluide soient disposés les uns par rapport aux autres d'une manière tout à fait particulière. Les canaux destinés au premier fluide et les canaux destinés au second fluide sont disposés alignés suivant deux rangs respectifs. Ces deux rangs sont superposés suivant la hauteur de la section transversale du tube. Enfin, l'agencement relatif de ces canaux, suivant deux lignes superposées, n'est pas optimal. L'échange thermique devant se dérouler entre les canaux destinés au premier fluide et les canaux destinés au second fluide, il est nécessaire que ces canaux se trouvent dans la plus proximité mutuelle possible pour améliorer les performances de cet échange. L'invention se propose d'améliorer la situation. L'invention vise un échangeur de chaleur du type mentionnée en introduction dans lequel deux enroulements successifs mettant à chaque fois en contact mutuel deux faces opposées du tube, ledit échangeur comprenant des moyens permettant de définir au moins deux circuits indépendants de circulation de fluide à travers lesdits canaux. L'échangeur ainsi formé présente une meilleure compacité que les échangeurs connus. Pour cela, le tube d'échange de chaleur est, par exemple, conformé de manière à présenter au moins une portion d'écartement entre des portions en regard l'une de l'autre des -faces opposées de deux enroulements successifs, dans lequel certains au moins des canaux de circulation de fluide débouchent au voisinage de l'une de ces portions en regard l'une de l'autre, et dans lequel l'écartement entre ces faces opposées délimite au moins partiellement une chambre collectrice pour ledit fluide, les portions de faces opposées formant deux parois de cette chambre collectrice. Cet échangeur nécessite un nombre moins important d'éléments mécaniques pour la réalisation de collecte des différents fluides. En particulier, cet échangeur présente un nombre moins important de connexions entre éléments mécaniques pour la collecte des fluides. Or ces connexions se doivent d'être étanches. Une limitation de leur nombre permet statistiquement de réduire le risque de fuite. L'échangeur selon l'invention permet en outre une connexion plus simple au reste des circuits de circulation de fluides, en particulier en comparaison d'un échangeur selon US 6,523,365 B2. L'échangeur permet encore de multiples dispositions relatives différentes des canaux destinés au premier fluide et des canaux destinés au second fluide. En particulier, cette disposition peut dès lors être dictée uniquement par des considérations de performance d'échange de chaleur et non plus par les difficultés liées à la collecte de ces fluides. Il en résulte un échangeur de chaleur présentant des performances améliorées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et des dessins sur lesquels : - la figure 1 représente un tube d'échange de chaleur pour un échangeur de chaleur selon l'invention, vu en perspective cavalière, et 10 - la figure 2 représente en détail l'extrémité du tube de la figure 1, vue en perspective cavalière. Les dessins annexés pourront non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa 15 définition, le cas échéant. La figure 1 représente un tube d'échange de chaleur 1 à usage dans un échangeur de chaleur selon l'invention. 20 Le tube d'échange de chaleur 1 se présente sous la forme d'un tube allongé plat, conformé en une succession d'enroulements sur lui-même. Chaque enroulement met en contact mutuel une première face 3 du tube 1, dite face extérieure, et une seconde face 5 du tube 1, dite face 25 intérieure, de l'enroulement suivant. Le contact entre les faces intérieure 5 et extérieure 3 est au moins partiellement surfacique. Ici, ce contact survient sur pratiquement l'ensemble de la surface des faces intérieure 5 et extérieure 3. 30 Par � tube plat �, on désigne ici un tube dont la section transversale présente une dimension en longueur assez largement supérieure à une dimension en largeur.5 6 Ici, le tube 1 présente une section transversale rectangulaire. Le tube 1 est conformé de manière à presenter un premier enroulement 7, ou enroulement intérieur, un dernier enroulement 9, ou enroulement extérieur, et une pluralité d'enroulements intermédiaires 11, intercalés entre les enroulements intérieurs 7 et extérieurs 9. Dans l'enroulement intérieur 7, la face intérieure 5 du tube 1 est libre de tout contact surfacique avec la face extérieure 3 de ce tube. Dans l'enroulement extérieur 9, la face extérieure 3 du tube 1 est libre de tout contact avec ce tube. Dans l'enroulement intérieur 7, la face extérieure 3 du tube 1 est en contact surfacique avec la face intérieure 5 20 de ce tube sur un enroulement intermédiaire 11 adjacent. Dans l'enroulement extérieur 9, la face intérieure 5 du tube 1 est en contact surfacique sur la plus grande partie de sa surface avec la face extérieure 3 du tube 1, sur un 25 enroulement intermédiaire 11. Le tube 1 est en outre conformé de manière à ménager un espace libre 13 dans ladite succession d'enroulements. 30 L'espace libre 13 est au moins en partie délimité par une portion de la face extérieure 3 du tube 1 et par une portion en vis-à-vis de la face intérieure 5 d'un enroulement adjacent. Ici, l'espace libre 13 est ménagé entre une portion de la surface intérieure 5 correspondant à l'enroulement extérieur 9 et par une portion de la face extérieure 3 de 5 l'enroulement intermédiaire 11 qui le précède. En particulier, l'espace libre 13 est ici ménagé vers la fin de l'enroulement extérieur 9, c'est-à-dire au voisinage de l'extrémité du tube 1 située en périphérie de ladite 10 succession d'enroulements. Le tube 1 est traversé d'une pluralité de premiers canaux de circulation de fluide 15 et d'une pluralité de seconds canaux de circulation de fluide 17, définissant chacun un 15 circuit de circulation de fluide. Ils pourront présenter des profils et/ou sections différents. Les premiers 15 et seconds 17 canaux sont ménagés de manière à s'étendre généralement suivant la longueur du 20 tube 1. Par longueur, on entend ici la plus grande dimension du tube 1 lorsque celui-ci n'est pas enroulé. Autrement dit, le tube 1 est ici enroulé suivant sa longueur. Ici, les premiers canaux 15 sont intercalés dans les seconds canaux 17. En particulier, entre deux seconds canaux 17 se trouve à chaque fois un premier canal ._5. 30 En variante, les premiers canaux 15 et les seconds canaux de 17 peuvent être disposés différemment les uns par rapport aux autres. Plusieurs premiers canaux 15 pourraient être intercalés entre deux seconds canaux 17. Plusieurs 25 seconds canaux 17 pourraient également être intercalés entre deux premiers canaux 15. Tout ou partie des seconds canaux 17 pourrait encore être agencé à côté des premiers canaux 15. Les transferts thermiques entre un fluide circulant dans les premiers canaux 15 et un fluide circulant les seconds canaux de circulation de fluide 17 se trouvent favorisés par des tels agencements des canaux dans le tube 1. De ce point de vue, des transferts optimaux sont obtenus lorsqu'un premier canal 15 se trouve intercalé chaque fois entre deux seconds canaux 17. Ici, les premiers canaux 15 et seconds canaux 17 sont 15 disposés de manière sensiblement alignée dans une section transversale du tube 1. D'autres agencements peuvent être envisagés. Les premiers canaux 15 et les seconds canaux 17 pourraient être 20 respectivement disposés suivant des rangées respectives, ou encore en quinconce. Les premiers canaux 15 et les seconds canaux 17 s'étendent ici de manière généralement rectiligne. Ces premiers 15 et 25 seconds 17 canaux pourraient également décrire des ondulations, par exemple pour en augmenter la longueur sans augmenter la longueur du tube 1, et donc l'encombrement de ladite succession d'enroulements. 30 Les premiers canaux 15 sont agencés de manière à déboucher au voisinage de l'espace libre 13, de façon à permettre une communication fluidique entre les premiers canaux 15 et l'espace libre 13. Les seconds canaux 17 sont agencés de manière à déboucher dans un premier collecteur 19, disposé ici à l'extrémité périphérique du tube 1. Une première portion d'extrémité 21 du tube 1, voisine de la périphérie de ladite succession d'enroulements de ce tube 1, présente une allure dentée. La première portion d'extrémité 21 présente ainsi une pluralité de dents 23 s'étendant suivant la longueur du tube 1, et terminant celui-ci. Les seconds canaux 17 sont partiellement ménagés au travers de ces dents. Chacune des dents 23 est reçue dans le collecteur :19 grâce à une ouverture de forme correspondante, ménagée dans ce collecteur. Deux dents 23 délimitent à chaque fois un créneau 25. Au 20 fond de chaque créneau 25 débouche l'un des premiers canaux 15. Les créneaux 25 sont ouverts sur la portion de la face intérieure 5 qui délimite au moins partiellement l'espace 25 intérieur 13. Une communication fluidique entre les premiers canaux 15 et cet espace 13 est ainsi assuré. L'espace 13 forme une première boîte collectrice pour le fluide circulant dans les premiers canaux 15. Le collecteur 19 est ici conformé en une pièce généralement tubulaire, s'étendant en longueur transversalement à la longueur du tube 1. 30 10 En option, chacune des dents 23 peut présenter une zone longitudinalement incurvée. Les zones incurvées peuvent être appuyées contre la portion de la face extérieure 3 délimitant au moins partiellement l'espace libre 13 de manière à fermer ce dernier. En variante ou en complément, le collecteur 19 peut s'appuyer contre la portion de la face extérieure 3 qui délimite en partie l'espace libre 13 afin de fermer ce dernier. Le tube 1 présente en outre une seconde portion d'extrémité 27, disposée à l'intérieur de ladite succession 15 d'enroulements. Cette seconde portion d'extrémité 27 est conformée de manière analogue à la première portion d'extrémité 21. 20 Autrement dit, cette seconde portion d'extrémité 27 présente une allure dentée. Les dents de cette seconde portion d'extrémité 27 sont reçues dans un second collecteur 29, analogue au premier collecteur 19. Les créneaux à chaque fois délimités par deux dents de la 25 seconde portion d'extrémité 27 sont ouverts sur un espace intérieur 31, délimité par une portion de la face intérieure 5 du tube 1 sur le premier enroulement: 7. Le second collecteur 29 est disposé dans cet espace 30 intérieur 31. Sur sa partie correspondant aux dents de la seconde portion d'extrémité 27, le tube 1 peut présenter un rayon de courbure plus important que le rayon de courbure de ladite succession d'enroulements. Ceci permet de loger le collecteur 29 à l'intérieur de l'espace central 31. En option, un noyau d'obturation 33 peut être logé à l'intérieur de l'espace central 31 de manière à combler en partie au moins cet espace. Le noyau d'obturation 33 est ici conformé de manière à s'appuyer sur sensiblement l'ensemble de la portion de la face intérieur 5 du premier enroulement 1, à l'exception d'une partie proche de la seconde section d'extrémité 27. En particulier, le noyau d'obturation 33 est agencé de manière à s'appuyer également sur une partie du pourtour du collecteur 29, à l'exception de la partie en regard de la portion qu'il laisse libre au voisinage de la seconde portion d'extrémité 27. Le noyau d'obturation 33 ferme les créneaux disposés dans la seconde portion d'extrémité 27 sur la portion de la face extérieure 3 correspondant aux dents. L'ensemble du fluide circulant dans les canaux débouchant dans ces créneaux se retrouve dans la portion 31, délimitée par une section angulaire du collecteur 29, le noyau d'obturation 33, et la face intérieure 5 du tube 1 au voisinage de la seconde portion d'extrémité 27. Ici, les seconds canaux 17 débouchent dans les dents de la seconde section d'extrémité 27, tandis que les premiers canaux 15 débouchent dans les créneaux de cette seconde section 27. Le tube 1 ainsi. conformé peut être logé dans un boîtier de réception, non représenté. Par exemple, la partie supérieure d'un boîtier accumulateur peut ainsi recevoir le tube 1. Le boîtier peut servir de collecteur d'entrée, en sa partie centrale, et de collecteur de sortie, en sa partie périphérique, pour le fluide circulant dans les premiers canaux 15. Ce boîtier peut former tout ou partie d'un dispositif accumulateur pour le fluide circulant dans les premiers canaux 15. Ledit boîtier peut en outre être muni de tubulures d'entrée de fluide, par exemple dans le prolongement du premier collecteur 19, et de tubulures de sortie de fluide, par exemple dans le prolongement du second collecteur 29, pour relier l'échangeur de chaleur ainsi formé au reste d'un circuit de fluide. Ledit boîtier peut encore présenter des tubulures d'entrées et de sortie de fluide supplémentaire, en communication fluidique avec respectivement les parties centrale et périphérique du boîtier, pour le fluide circulant dans les premiers canaux 15. La configuration particulière de l'échangeur de chaleur ainsi formé lui confère un intérêt particulier pour un fonctionnement en tant qu'échangeur de chaleur interne. Dans une telle application, le même fluide circule dans les premiers 15 et seconds 17 canaux, dans des états de températures et de pressions cependant différents. Ces 13 états différents correspondent en fait à des points différents d'un même circuit de fluide. Par exemple, ce fluide peut pénétrer dans un état de haute pression dans le premier collecteur 19, circuler ensuite à travers les seconds canaux 17, être collecté dans i.e second collecteur 29 et enfin sortir de l'échangeur dans un état de haute pression. Ce même fluide peut pénétrer dans un état de basse pression dans l'espace __ntérieur 31, de là emprunter les premiers canaux 15, déboucher ensuite dans l'espace libre 13, et finalement qui':ter l'échangeur dans un état de basse pression et de température différente. Un échange de chaleur entre ce même fluide dans des états de pression et de température différents a ainsi été permis. Dans une telle application, il pourra être intéressant de prévoir des canaux de petite section pour la circulation du fluide dans son état haute pression et des canaux de plus grande section pour le fluide dans son état basse pression. En option, une pièce d'obturation périphérique, non représentée, peut être prévue pour combler l'espace entre la paroi intérieure du boîtier et la face extérieure 3 du tube 1 au niveau des créneaux 25. Ces créneaux se trouvent ainsi obturés et l'ensemble du fluide y débouchant se retrouve à l'intérieur de l'espace libre 13. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrit ci-dessus, à titre d'exemple uniquement, mais englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art dans le cadre des revendications annexées. Revendications1. Échangeur de chaleur du type comprenant un tube d'échange de chaleur (1) et des canaux de circulation de fluide (15, 17) ménagés au travers de celui-ci, le tube d'échange de chaleur (1) étant conformé en une succession d'enroulements (7, 9, 11) sur lui-même, caractérisé en ce que deux enroulements successifs (7, 9, 11) mettent à chaque fois en contact mutuel deux faces opposées (3, 5) du tube (1) et en ce que ledit échangeur comprend des moyens permettant de définir au moins deux circuits indépendants de circulation de fluide à travers lesdits canaux. 2. Échangeur selon la revendication 1 dans lequel : - le tube d'échange de chaleur (1) est conformé de manière à présenter au moins une portion d'écartement entre des portions en regard l'une de l'autre des faces opposées (3, 5) de deux enroulements successifs (7, 9, 11), - certains au moins des canaux de circulation de fluide 20 (15, 17) débouchent au voisinage de l'une de ces portions en regard l'une de l'autre, - l'écartement entre ces faces opposées (3, 5) délimite au moins partiellement une chambre collectrice (13) pour ledit fluide, les portions de faces opposées (3, 5) formant deux 25 parois de cette chambre collectrice (13). 5. Échangeur selon la revendication 2, dans lequel les canaux de circulation de fluide (15) débouchant dans la chambre collectrice (13) se terminent à distance de 30 l'extrémité proximale dudit tube d'échange de chaleur (1). 6. Échangeur selon la revendication 3, dans lequel une portion d'extrémité (21) dudit tube d'échange de chaleur 15correspondant à ladite extrémité proximale est conformée en créneaux (25), les canaux de circulation de fluide (15) débouchant dans la chambre collectrice (13) se terminant au fond de ces créneaux (25). 5. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel l'une desdites portions de faces opposées (3, 5) formant deux parois de la chambre collectrice (13) comprend une portion du tube d'échange de chaleur (1) voisine d'une extrémité proximale de ce tube (1). 6. Échangeur selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre un premier collecteur (19) dans lequel débouchent certains canaux de circulation de fluide (17), ledit premier collecteur (19) recevant l'extrémité proximale dudit tube d'échange de chaleur (1). 7. Échangeur selon la revendication 6, dans lequel certains canaux de circulation de fluide (17) débouchent à 20 l'extrémité proximale dudit tube d'échange de chaleur (1). 8. Échangeur selon l'une des revendications 6 et 7, dans lequel ledit tube d'échange de chaleur (1) présente une portion d'extrémité (21), comprenant ladite extrémité 25 proximale, dentée, certains canaux de circulation de fluide (17) débouchant dans les dents (23). 9. Échangeur selon la revendication 8, dans lequel d'autres canaux de circulation de fluide (15) débouchent entre les 30 dents (23). 10. Échangeur selon l'une des revendications 6 à 9, dans lequel le premier collecteur (19) est en appui sur l'unedes portions de faces opposées (3) formant deux parois de la chambre collectrice (13) et délimite en partie cette chambre collectrice (13). 11. Échangeur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit tube d'échange de chaleur (1) est conformé de manière qu'un premier enroulement (7) délimite un espace central (31) libre, dans lequel certains des canaux de circulation de fluide (15) débouchent dans cet espace central (31) libre lequel forme une seconde chambre collectrice. 12. Échangeur selon la revendication 11, dans lequel un noyau central {33) est logé dans ledit espace central (31) 15 libre pour délimiter la seconde chambre collectrice. 13. Échangeur selon l'une des revendications 11 et 12, comprenant un collecteur (29) dans lequel est reçu le tube d'échange de chaleur (1) à son extrémité proche du premier 20 enroulement (7), et dans lequel débouchent certains des canaux de circulation de fluide (17). 14. Échangeur selon la revendication 13, dans lequel ledit tube d'échange de chaleur (1) présente une portion 25 d'extrémité 27, comprenant l'extrémité proche du premier enroulement 7, dentée, certains des canaux de circulation de fluide (17) débouchant dans les dents tandis que d'autres canaux de circulation de fluide (15) débouchent entre ces dents. 30 15. Échangeur selon l'une des revendications précédentes comprenant un conteneur logeant ledit tube d'échange de chaleur (1) sous forme enroulé.16. Échangeur selon la revendication 15, dans lequel ledit conteneur comprend des tubulures de connexion pour liaison à des circuits de circulation de fluide.