Brevet FR2927988A1 — publié le 20090828

Couvercle pour boîtier de distribution d'un échangeur de chaleur à tubes, boîtier de distribution comprenant un tel couvercle et échangeur de chaleur comprenant un tel boîtier de distribution. La présente invention concerne un couvercle pour un boîtier de distribution d'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 0001/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 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 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 25 différents types d'éléments d'échange de chaleur. Lorsque l'assemblage est mécanique, les éléments d'échange de 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 30 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. 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 des ondulations. La présente invention s'applique aussi bien aux échangeurs à assemblage mécanique qu'aux échangeurs à assemblage par brasage. En référence à la figure 6, le fluide caloporteur F est introduit dans les tubes 330 de circulation par l'intermédiaire d'un boîtier de distribution 310 placé à l'entrée du faisceau de tubes de l'échangeur de chaleur 300, ici de type mécanique, et muni d'une tubulure 311 d'arrivée du fluide. Un boîtier de distribution 320 du même type est installé à la sortie de l'échangeur 300 pour recueillir le fluide ayant traversé les tubes et l'évacuer à l'extérieur à travers une tubulure de sortie 321. De manière habituelle, le boîtier de distribution 310, 320 de fluide est constitué de deux parties, à savoir un couvercle 315 et un élément collecteur 317. L'élément collecteur 317 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 le couvercle et le faisceau de tubes est disposé sur l'élément collecteur. Des trous sont prévus dans le joint pour le passage étanche des tubes. Les extrémités des tubes dépassent à l'intérieur du boîtier de distribution. 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. Dans la majorité des échangeurs 300, le couvercle se présente sous la forme 30 d'une goulotte en forme de U, c'est-à-dire d'un parallélépipède ayant une face 3 ouverte, l'élément collecteur venant fermer le U soit par sertissage, soit par soudage dans le cas où le collecteur est en matière plastique, comme le couvercle lui-même. Ainsi, le couvercle définit avec l'élément collecteur un volume de fluide en circulation à l'entrée comme à la sortie de l'échangeur 300. C'est à travers une paroi du couvercle que la tubulure d'arrivée ou de sortie de fluide débouche dans ledit volume de fluide en circulation pour s'écouler dans deux voies en sens inverses, c'est-à-dire de part et d'autre du débouché de la tubulure. 10 Pour de forts débits d'entrée, le flux de fluide à l'intérieur du boîtier de distribution présente généralement des vitesses d'écoulement qui, au moins localement, peuvent atteindre des pics très élevés, plus de 8 m/s par exemple. Il en résulte que l'écoulement dans le boîtier de distribution, tel qu'il s'effectue 15 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 se trouvent dans une zone centrale située au voisinage du débouché de la tubulure dans le 20 couvercle présentent des dégradations constituées principalement par des trous apparaissant par érosion de la paroi des tubes environ 10 mm au-dessous du couvercle, ce qui engendre un risque de fuites dans l'échangeur. La formation de ces trous est due à un pic de vitesse d'écoulement du fluide vers 25 l'intérieur des tubes lié à la réflexion du flux sortant de la tubulure sur la paroi du couvercle opposée à la tubulure. 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 du couvercle.5 4 Dans les zones latérales du couvercle, l'écoulement devient tourbillonnaire avec de fortes composantes de vitesse parallèles à l'axe de la goulotte. 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. En outre, il est souvent nécessaire de décaler la tubulure par rapport au centre du couvercle pour des questions d'encombrement sous le capot du véhicule. Ces couvercles à tubulure décalée entraînent une usure importante de la zone de l'échangeur au voisinage de la tubulure alors que les zones de la goulotte les plus éloignées reçoivent un débit de fluide moins important, l'échangeur de chaleur n'étant alors pas alimenté de manière homogène. En outre, l'écoulement dans chacune des voies est tourbillonnaire ce qui perturbe l'alimentation en fluide de l'échangeur de chaleur. Un but de l'invention est de proposer un couvercle permettant d'améliorer les conditions d'écoulement de manière à limiter, voire éliminer, les risques de fuites liées aux dégradations hydrodynamiques subies par les tubes ainsi que d'éviter un écoulement tourbillonnaire dans l'échangeur quand la tubulure est décalée par rapport au centre du couvercle. Ainsi, l'invention concerne un couvercle pour boîtier de distribution d'un échangeur de chaleur à tubes, le boîtier définissant un volume dans lequel les 25 tubes sont destinés à déboucher, ledit couvercle comprenant : a. une tubulure qui débouche dans ledit volume dans lequel le fluide s'écoule dans deux voies en sens inverses, et b. un déflecteur principal bidirectionnel disposé dans le volume dans lequel la tubulure débouche et agencé pour assurer un écoulement 30 du fluide en aval du déflecteur principal bidirectionnel. Le déflecteur permet avantageusement d'utiliser le couvercle de boîtier de distribution à l'entrée comme à la sortie d'un échangeur de chaleur. 5 De préférence, le couvercle se présente sous la forme d'une goulotte en forme de U comportant une base et deux ailes. De préférence, la tubulure est rapportée sur une aile de la goulotte. De préférence, le déflecteur principal est ménagé sur l'autre aile de la goulotte, opposée à celle sur laquelle est rapportée la tubulure, sensiblement dans l'axe de la tubulure. Le déflecteur permet avantageusement de scinder un flux de fluide ou d'en réunir 15 deux sans créer de turbulences. De préférence, le déflecteur principal bidirectionnel comprend deux faces d'orientation du flux adjacentes par une arrête de séparation du flux. 20 De préférence, au moins deux déflecteurs auxiliaires sont disposés respectivement de part et d'autre du débouché de la tubulure sur ladite aile de la goulotte. Les déflecteurs auxiliaires permettent avantageusement de guider l'écoulement du 25 fluide dans les deux voies de manière laminaire après réflexion du fluide sur l'aile de la goulotte faisant face à la tubulure. De préférence, le déflecteur auxiliaire comprend une face de guidage du flux curviligne adjacente avec une face de guidage du flux inclinée par rapport à 30 ladite autre aile de la goulotte sur laquelle est disposé le déflecteur auxiliaire. De préférence, le déflecteur principal bidirectionnel est décalé par rapport à l'axe de la tubulure. De préférence, la goulotte s'étend sur la longueur du couvercle, l'axe de la tubulure est décalé par rapport au plan médian de la goulotte et le décalage entre le déflecteur principal bidirectionnel et l'axe de la tubulure est fonction du décalage de la tubulure par rapport audit plan médian de la goulotte. De préférence, les faces d'orientation du flux du déflecteur principal bidirectionnel sont inclinées sur ladite aile de la goulotte, leur inclinaison étant fonction du décalage de la tubulure par rapport au plan médian de la goulotte. L'invention concerne également un boîtier de distribution comportant un couvercle tel que présenté précédemment et: une plaque collectrice destinée à recevoir lesdits tubes dudit échangeur de chaleur. L'invention concerne également un échangeur de chaleur comprenant au moins un tel boîtier de distribution. L'invention sera mieux comprise à l'aide du dessin annexé dans lequel: -la figure 1 représente une première vue en perspective du couvercle selon l'invention; la figure 2 représente une deuxième vue en perspective du couvercle selon l'invention; la figure 3 représente le couvercle des figures 2 et 3, vu dans la direction de sa tubulure; la figure 4 représente une vue schématique de dessus d'une seconde forme de réalisation d'un couvercle selon l'invention dans lequel la tubulure d'entrée est décalée par rapport à l'axe médian du couvercle; 7 - la figure 5 représente une vue schématique de dessus d'une troisième forme de réalisation d'un couvercle selon l'invention dans lequel la tubulure d'entrée est décalée et oblique par rapport à l'axe médian du couvercle et - la figure 6 représente une vu en perspective d'un échangeur de chaleur avec deux boîtiers de distribution montés respectivement en entrée et en sortie de l'échangeur. Un couvercle 1, représenté en perspective sur les figures 1 et 2, comporte une goulotte longitudinale 200 s'étendant dans sa longueur selon l'axe Y, la goulotte 200 possède une forme sensiblement en U et comporte une base 203 et deux ailes 201, 202, la goulotte 200 étant fermée dans la direction Y par deux faces transversales 204, 205. En référence à la figure 4, on peut également définir la goulotte 200 comme se présentant sous la forme d'un parallélépipède, ayant une face ouverte, qui comporte une face de fond 203 et quatre faces latérales (deux faces longitudinales 201, 202 et deux faces transversales 204, 205). La goulotte 200 est ouverte par sa face supérieure d'ouverture destinée à communiquer avec une section d'entrée/sortie d'un faisceau d'échange de chaleur non représenté. Le couvercle 1 comprend, en outre, une tubulure 100 d'entrée et/ou de sortie de fluide rapportée sur l'aile 201 de la goulotte :200, la tubulure 100 s'étendant selon un axe X. A titre d'exemple, pour un couvercle 1 monté à l'entrée d'un échangeur de chaleur, un flux de fluide caloporteur d'entrée (Fe) est entraîné, selon l'axe orienté X, dans le couvercle 1 par sa tubulure d'entrée 100. Il s'écoule ensuite selon deux voies en sens inverses, de part et d'autre du débouché, représentées par des flèches sur les figures 1 et 2, dans la direction de l'axe Y pour ensuite former un flux de sortie de fluide caloporteur (Fs) sortant uniformément réparti 8 par la face ouverte de sortie de la goulotte 200 selon l'axe orienté Z. Le couvercle 1 permet ainsi de dévier le flux de fluide de 90°. Des déflecteurs de répartition 25, 26 sont ménagés dans la goulotte 200 du couvercle 1 pour assurer un écoulement laminaire dans chacune des voies. Un déflecteur principal bidirectionnel 25 est ménagé sur l'aile 202 de la goulotte 200, en face de la tubulure 100. Le déflecteur principal 25 comprend deux faces d'orientation du flux 251, 252 adjacentes par une arrête de séparation du flux 253, s'étendant orthogonalement au flux d'entrée (Fe) et parallèlement à l'axe Z, pour diviser le flux d'entrée en deux voies s'écoulant en sens inverses de manière laminaire. Les faces d'orientation du flux 251, 252 sont curvilignes et s'étendent respectivement de l'aile 202 jusqu'à l'arrête de séparation du flux 253, les faces d'orientation du flux 251, 252 étant symétriques par rapport à un plan orthogonal à l'aile 202 passant par l'arrête de séparation du flux 253. Les déflecteurs de répartition 25, 26 sont ici réalisés en plastique et sont venus de matière du couvercle 1. En référence à la figure 4, on définit, pour la goulotte 200, un axe médian Xm 20 formant une médiatrice de la longueur de ladite goulotte 200. On définit, pour la tubulure 100, un axe de tubulure Xt correspondant à l'axe de révolution de la tubulure 100. On définit une première distance dite de décalage A, en valeur absolue, entre l'axe de tubulure XT et l'axe médian X,,, de la goulotte 25 200, cette distance étant mesurée le long de l'aile 201 de la goulotte 200. On définit, pour le déflecteur principal 25, un axe de séparation Xs parallèle à l'axe de la tubulure Xt et ayant une intersection avec l'arrête de séparation du flux 253 du déflecteur 25. On définit une seconde distance dite de répartition D, en 30 valeur absolue, entre l'axe de tubulure XT et l'axe de séparation Xs. 9 En référence aux figures 1 et 2, comme la tubulure droite 100 et le déflecteur 25 sont respectivement disposés au milieu des ailes 201, 202 de la goulotte 200, tous les axes Xt, Xm, Xs sont coaxiaux, les distances de répartition D et de décalage A étant toutes nulles. En référence à la figure 4, selon une deuxième forme de réalisation de l'invention un couvercle 1 possède une tubulure droite 100 décalée d'une distance de décalage A avec l'axe médian Xm de la goulotte 200. Pour assurer un écoulement laminaire dans la goulotte 200, le déflecteur principal 25 est décalé d'une distance de répartition D avec l'axe de tubulure Xt, la distance de répartition D étant proportionnelle à la distance de décalage A. Ainsi, plus la tubulure 100 est excentrée par rapport à l'axe médian Xm de la goulotte 200, plus le déflecteur principal 25 est décalé par rapport à l'axe Xt de la tubulure 100 afin de répartir le flux d'entrée de manière proportionnelle entre les deux voies. Le déflecteur principal 25 est ici disposé entre l'axe de la tubulure Xt et la face latérale de la goulotte 200 la plus proche dudit axe Xt, dans cet exemple, la face 205. Cette configuration du couvercle d'entrée 1 permet de dévier une fraction plus importante du flux de fluide dans la voie la plus longue s'étendant entre l'axe de la tubulure Xt et la face latérale de la goulotte 200 la plus éloignée dudit axe Xt, dans cet exemple, la face 204. Ainsi, l'écoulement du fluide dans chacune des voies est laminaire ce qui permet un meilleur refroidissement. Toujours en référence à la figure 4, le déflecteur principal bidirectionnel 25 est disposé de manière à ce que le rapport de la distance de décalage A sur la longueur de la goulotte L soit sensiblement égal au rapport de la distance de répartition D sur le diamètre de la tubulure T (A/L=D/T).30 10 Dans une autre forme de réalisation, toujours en référence à la figure 4, les faces d'orientation du flux 251b, 252b du déflecteur principal 25 ne sont pas symétriques par rapport à un plan orthogonal à la face longitudinale 202 passant par l'arrête de séparation du flux 253. Comme représenté en pointillés sur la figure 4, la face d'orientation du flux 252b est plus longue que la face 251b dans de manière à guider le flux dans les zones du couvercle 1 les plus éloignées de l'axe Xt sans créer de turbulences. Les inclinaisons des faces d'orientation du flux 252a, 252b du déflecteur principal 25 sont proportionnelles à la distance de décalage A, plus la tubulure 100 est décalée plus la pente de la face d'orientation 252b avec la face 202 de la goulotte 200 sera douce. L'inclinaison de la face d'orientation du flux 252a du déflecteur principal 25 est, quant à elle, plus raide. En ce qui concerne un couvercle dont la tubulure 100 est oblique par rapport à la face longitudinale 201 de la goulotte 200 comme représenté sur la figure 5, on peut disposer le déflecteur principal 25 en respectant les règles précédemment énoncées. La distance de décalage 0, mesurée le long de la face longitudinale 201 de la goulotte 200, est calculée de manière identique pour un couvercle ayant une tubulure oblique ou droite comme représenté sur les figures 4 et 5. La distance de répartition D, en valeur absolue, correspond à la distance entre l'axe oblique de tubulure XT et l'axe de séparation du déflecteur Xs parallèle à l'axe Xt et ayant une intersection avec l'arrête de séparation 253 du déflecteur principal 25. Le déflecteur principal 25 est ménagé en face de la section de la tubulure 100. Selon une première forme de réalisation, le déflecteur 25, représenté en trait continu, est symétrique. Selon une deuxième forme de réalisation, le déflecteur 25 représenté en pointillés sur la figure 5 est asymétrique, l'inclinaison des faces 11 d'orientation 252a, 252b du déflecteur 25 étant fonction de la distance de décalage A. En référence aux figures 1, 2 et 3, des déflecteurs auxiliaires 26 sont disposés de part et d'autre du débouché de la tubulure 100 sur la paroi longitudinale 201. Chaque déflecteur auxiliaire 26 comprend une face de guidage du flux curviligne 261 adjacente avec une face de guidage du flux 262 rectiligne et inclinée par rapport à la paroi longitudinale de la goulotte 200 sur laquelle est disposée le déflecteur auxiliaire 26. Les déflecteurs auxiliaires 26 permettent de dévier le flux de fluide réfléchi par l'aile 201 pour diminuer sa vitesse et éviter d'user de manière excessive les tubes de l'échangeur à proximité de la tubulure 100. De manière similaire au déflecteur principal 25, la longueur de la face de guidage du flux 262 des déflecteurs auxiliaires 26 est proportionnelle à la distance de décalage A comme représenté sur les figures 4 et 5. Ainsi, le fluide s'écoule de manière laminaire le long du couvercle 1, les déflecteurs auxiliaires empêchant le création de turbulences à proximité de l'aile 202 de la goulotte 200. En particulier, les déflecteurs auxiliaires 26 limitent la vitesse du flux circulant parallèlement à l'aile 202 de la goulotte 200. L'invention a été ici décrite pour un couvercle de boîtier de distribution monté à l'entrée d'un échangeur de chaleur. En référence à la figure 6, il va de soi que ledit couvercle peut également appartenir à un boîtier de distribution placé en sortie de l'échangeur, le flux de fluide entrant par la face ouverte et sortant par la tubulure de manière laminaire grâce au déflecteur principal bidirectionnel 25. Revendications 1. Couvercle pour boîtier de distribution d'un échangeur de chaleur à tubes, le boîtier définissant un volume dans lequel les tubes sont destinés à 5 déboucher, ledit couvercle (1) comprenant: : une tubulure (100) qui débouche dans ledit volume dans lequel le fluide s'écoule dans deux voies en sens inverses, et un déflecteur principal bidirectionnel (25) disposé dans le volume dans lequel la tubulure (100) débouche et agencé pour assurer un 10 écoulement du fluide en aval du déflecteur principal bidirectionnel (25). 2. Couvercle selon la revendication 1 se présentant sous la forme d'une goulotte (200) en forme de U comportant une base (203) et deux ailes (201, 15 202). 3. Couvercle selon la revendication 2, dans lequel la tubulure (100) est rapportée sur une aile de la goulotte (201). 20 4. Couvercle selon la revendication 3, dans lequel le déflecteur principal (25) est ménagé sur l'autre aile (202) de la goulotte (200), opposée à celle sur laquelle est rapportée la tubulure (100), sensiblement dans l'axe de la tubulure (100). 25 5. Couvercle selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le déflecteur principal bidirectionnel (25) comprend deux faces d'orientation du flux (251, 252) adjacentes par une arrête de séparation du flux (253). 6. Couvercle selon l'une des revendications 2 à 5, dans lequel au moins deux 30 déflecteurs auxiliaires (26) sont disposés respectivement de part et d'autre du débouché de la tubulure (100) sur ladite aile (201) de la goulotte (1). 7. Couvercle selon la revendication 6, dans lequel le déflecteur auxiliaire (26) comprend une face de guidage du flux curviligne (261) adjacente avec 35 une face de guidage du flux (262) inclinée par rapport à ladite autre aile (202) de la goulotte (200) sur laquelle est disposé le déflecteur auxiliaire (26). 15 20 8. Couvercle selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le déflecteur principal bidirectionnel (25) est décalé par rapport à l'axe de la tubulure (100). 9. Couvercle selon la revendication 8, dans lequel la goulotte (200) s'étend sur la longueur du couvercle (1), l'axe (le la tubulure (100) est décalé par rapport au plan médian de la goulotte (200) et le décalage entre le déflecteur principal bidirectionnel (25) et l'axe de la tubulure (100) est fonction du décalage de la tubulure (100) par rapport audit plan médian de la goulotte (200). 10. Couvercle selon la revendication 9, dans lequel les faces d'orientation du flux (251, 252) du déflecteur principal bidirectionnel (25) sont inclinées sur ladite aile (201) de la goulotte (200), leur inclinaison étant fonction du décalage de la tubulure (100) par rapport au plan médian de la goulotte (200). 11. Boîtier de distribution comportant : ù un couvercle selon l'une des revendications 1 à 10 et ù une plaque collectrice destinée à recevoir lesdits tubes dudit échangeur de chaleur. 12. Echangeur de chaleur comprenant au moins un boîtier de distribution selon la revendication 11. 25