Brevet FR2924792A1 — publié le 20090612

ECHANGEUR DE CHALEUR A FAISCEAU DE CANAUX EN U AVEC TUBULURE D'INJECTION La présente invention concerne un échangeur de chaleur. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la climatisation de l'habitacle des véhicules automobiles où de tels échangeurs de chaleur peuvent être utilisés en tant qu'évaporateurs. On connaît de la demande de brevet européen n° 0 911 595 et de la demande de brevet français n° 2 826 439 un échangeur de chaleur pour évaporateur de dispositif de climatisation, constitué d'une pluralité de canaux en U parallèles formant un faisceau dans lequel circule un fluide réfrigérant chargé de refroidir en amont l'air destiné à être introduit dans l'habitacle d'un io véhicule. L'échange de chaleur entre le fluide réfrigérant, généralement un composé fluoré comme celui connu sous l'appellation F1134a, et l'air à refroidir est réalisé au moyen d'éléments métalliques, appelés � intercalaires �, disposés entre les canaux. Les éléments intercalaires sont reliés thermiquement aux canaux par brasage sur les parois extérieures des canaux. 15 L'air mis en rnouvement par un pulseur circule à travers les éléments intercalaires et se refroidit à leur contact. Dans les échangeurs de chaleur connus des demandes de brevet précitées, la circulation du fluide réfrigérant dans les canaux en U est obtenue grâce à deux boîtes collectrices parallèles dans lesquelles débouchent 20 respectivement les extrémités des canaux en U. Schématiquement, le fluide réfrigérant entre dans l'échangeur par une boîte collectrice, alors appelée boîte d'entrée, et ressort par l'une ou l'autre des boîtes après avoir circulé dans l'ensemble des canaux. Plus précisément, la boîte collectrice d'entrée est divisée en au moins 25 deux compartiments étanches tandis que la deuxième boîte collectrice comporte au moins un compartiment, les compartiments de l'ensemble des deux boîtes étant disposés en quinconce. D'autre part, pour introduire le fluide réfrigérant dans la boîte collectrice d'entrée, on utilise une tubulure d'injection, appelée aussi pipette �, qui traverse l'ensemble des compartiments de la 30 boîte d'entrée pour déboucher dans le compartiment distal, c'est-à-dire le compartiment le plus éloigné par rapport à l'orifice d'entrée de la tubulure d'injection dans la boîte d'entrée. D'une manière générale, la tubulure d'injection se trouve dans le plan médian commun aux boîtes collectrices. Le fluide réfrigérant progresse alors dans l'échangeur, en sens inverse du sens d'injection, en passant alternativement d'un compartiment d'une boîte à un compartiment de l'autre boîte par l'intermédiaire des canaux en U et du fait de la disposition relative en quinconce des compartiments. Le dernier compartiment traversé est muni d'un orifice de sortie du fluide réfrigérant. Selon la parité du nombre total de compartiments, le compartiment de sortie appartient à l'une ou l'autre des boîtes collectrices. Pour un nombre impair, le ro compartiment de sortie est le compartiment proximal cie la boîte d'entrée qui se trouve alors être également la boîte de sortie. Pour un nombre pair, la boîte de sortie est la deuxième boîte collectrice. Cependant, ce type d'échangeur connu présente l'inconvénient que le fluide réfrigérant provenant du premier compartiment traversé de la deuxième 15 boîte collectrice débouche dans un compartiment de la boîte de sortie dans lequel se trouve au moins une partie de la tubulure d'injection, ou � pipette �. La présence de la tubulure d'injection sur le trajet du fluide réfrigérant issu des canaux � sortants � provoque une réduction de la section efficace d'écoulement du fluide qui entraîne une modification locale de la pression et 20 de la vitesse du fluide. De fait, le fluide réfrigérant est accéléré et, compte tenu de la vitesse acquise, ne peut remplir correctement les canaux � entrants � du même compartiment, immédiatement adjacents aux canaux � sortants � par lesquels le fluide a été introduit dans le compartiment. Il en résulte qu'une partie des canaux en U ne sont pas alimentés en 25 fluide réfrigérant et créent ainsi une zone � chaude � dans l'échangeur dont l'efficacité se trouve alors diminuée. De plus, il apparaît un défaut dans l'équilibre de température à la surface de l'évaporateur. Un but de l'invention est donc d'améliorer les performances de l'échangeur de chaleur connu de l'état de la technique en évitant la formation 30 d'une zone chaude liée à la présence de la tubulure d'injection, ou � pipette �, dans la boîte collectrice d'entrée. Ce but est atteint, conformément à l'invention, grâce à un échangeur de chaleur, comprenant un faisceau d'une pluralité de canaux en U débouchant à une première extrémité dans une première boîte collectrice de fluide réfrigérant et à une deuxième extrémité dans une deuxième boîte collectrice de fluide réfrigérant, la première boîte collectrice, dite boîte collectrice d'entrée, étant divisée en au moins deux compartiments, une tubulure d'injection de fluide réfrigérant s'étendant à travers lesdits compartiments jusqu'à déboucher dans le compartiment distal, remarquable en ce ladite tubulure d'injection de fluide réfrigérant est disposée dans une partie de la boîte collectrice d'entrée située à l'opposé du débouché des canaux en U par rapport à un axe longitudinal de ladite boîte collectrice d'entrée. io Ainsi, on comprend que la tubulure d'injection de l'échangeur selon l'invention est déportée à l'intérieur la boîte collectrice d'entrée dans une portion éloignée du débouché des canaux � sortants �, avec l'avantage de ne pas perturber la circulation du fluide réfrigérant clans le compartiment considéré par un obstacle ayant pour effet de limiter la section efficace 15 d'écoulement avec toutes les conséquences néfastes sur les performances de l'échangeur qui ont été mentionnées plus haut. Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention prévoit que ladite tubulure d'injection est déportée vers la paroi 23a extérieure de la boîte 20a collectrice d'entrée. II a été vérifié en effet que le rendement global de 20 l'échangeur de chaleur et l'homogénéité de la température en sortie de l'échangeur n'étaient pas affectés lorsque la tubulure d'injection se trouve dans cette position excentrée car, dans ce cas, seule la section de fluide s'écoulant dans les canaux � sortants � du côté de l'extérieur de l'échangeur, c'est-à-dire celle dont le trajet est le plus long dans les canaux, peut être 25 perturbée du fait qu'elle débouche dans la boîte collectrice d'entrée directement sur la tubulure d'injection. Or, cette section représente la portion de fluide dont l'énergie cinétique d'écoulement est la plus faible et donc sur laquelle l'effet de la perturbation due à la présence de la tubulure d'injection est le moins sensible. 30 La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 est une vue de dessus d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention. La figure 2 est une vue de face de l'échangeur de chaleur de la figure 1. La figure 3 est vue de côté de l'échangeur de chaleur des figures 1 et 2. La figure 4 est une vue de côté d'une variante de réalisation de l'échangeur de chaleur des figures 1 à 3. Sur les figures 1 à 3 est représenté un échangeur de chaleur, notamment un évaporateur destiné à un dispositif de climatisation de l'habitacle d'un véhicule. io La manière dont peut être réalisé un tel échangeur de chaleur ne constitue pas l'objet de la présente invention. A cet égard, on se rapportera avec intérêt à la description très détaillée qui est donnée dans la demande de brevet européen n° 0 911 595 et dans la demande de brevet français n° 2 826 439. 15 Comme l'indique la figure 2, l'échangeur de chaleur conforme à l'invention est principalement constitué d'un ensemble de canaux 10 en U disposés sensiblement parallèlement entre eux de manière à former un faisceau de canaux. On peut voir également sur cette figure que les canaux 10 en U sont séparés par des éléments intercalaires 11 qui se présentent 20 sous la forme de bandes métalliques pliées en accordéon et brasées aux extrémités de chaque ondulation à deux canaux consécutifs. Lorsque les canaux 10 en U sont parcourus par un fluide réfrigérant, les éléments intercalaires 11 sont refroidis par conduction thermique avec les parois des canaux. Le fluide à refroidir, de l'air dans l'exemple d'un évaporateur de 25 climatisation, circule dans la direction indiquée par la flèche F1 de la figure 1, c'est-à-dire perpendiculairement au plan de la figure 2. Au cours de la traversée du faisceau de canaux, l'air échange de la chaleur avec les éléments intercalaires 11 et, de ce fait, se refroidit à leur contact. Le fluide réfrigérant, généralement un composé fluoré (R134a par 30 exemple), est distribué dans les canaux 10 en U par l'intermédiaire de deux boîtes collectrices référencées 20a et 20b. Les canaux 10 débouchent à une première extrémité 10a dans la boîte collectrice 20a et à une deuxième extrémité 10b dans la boîte collectrice 20b. Une des boîtes collectrices, ici la boîte référencée 20a sur la figure 1, est celle par laquelle est introduit le fluide réfrigérant à l'intérieur de l'échangeur. A ce titre, cette boîte collectrice 20a sera appelée � boîte collectrice d'entrée �. La figure 1 montre plus particulièrement que les boîtes collectrices 20a, 20b sont divisées en compartiments, à savoir, dans l'exemple particulier de la figure 1, deux compartiments 21a, 22a, séparés par une cloison 12a, dans la boîte collectrice 20a d'entrée et deux compartiments 21b, 22b, séparés par une cloison 12b, dans la deuxième boîte collectrice 20b. Les compartiments io sont étanches entre eux et sont, dans leur ensemble, disposés en quinconce. Le fluide réfrigérant est introduit dans la boîte collectrice 20a au moyen d'une tubulure, ou pipette, 40 d'injection qui, à partir d'un orifice 30a d'entrée, traverse de manière étanche le compartiment 22a, proximal par rapport à l'orifice d'entrée, pour déboucher dans le compartiment distal 21a. 15 Afin de ne pas surcharger la figure 1, on constate que la première extrémité 10a et la deuxième extrémité 10b ne sont représentées qu'une seule fois. II est cependant clair que chacun des canaux 10 présente les mêmes dispositions en ce qui concernent leurs extrémités. Le fluide réfrigérant circule alors dans l'échangeur de chaleur de la 20 façon suivante. Le fluide réfrigérant introduit dans le compartiment distal 21a par la pipette 40 pénètre (zone 1 de la figure 1) dans les canaux 10 en U présents dans ce compartiment par leur première extrémité 10a et ressort (zone 2) de ces mêmes canaux dans le compartiment 21b de la deuxième boîte collectrice 25 20b par leur deuxième extrémité 10b. Puis, à l'intérieur du compartiment 21b, le fluide circule le long de la deuxième boîte 20b jusqu'à pénétrer (zone 3), par leur deuxième extrémité 10b, dans les autres canaux 10 présents dans le compartiment 20b pour ressortir (zone 4) dans le compartiment 22a de la boîte 20a d'entrée par la première extrémité 10a des canaux. Le fluide 30 poursuit de la même manière son processus de circulation en pénétrant (zone 5) dans les autres canaux présents dans le compartiment 22a et en ressortant (zone 6) dans le compartiment 22b de la deuxième boîte collectrice 20b. Enfin, le fluide réfrigérant est évacué de l'échangeur à travers l'orifice 30b de sortie du compartiment 22b. Dans cet exemple de réalisation, la deuxième boîte collectrice 20b est la boîte collectrice de sortie de l'échangeur. Ceci est dù au fait que le nombre total de compartiments est pair, ici égal à 4. Pour un nombre de compartiments impair, la sortie du fluide réfrigérant se ferait par la boîte 20a d'entrée qui serait alors également la boîte de sortie. On peut constater sur la figure 1 qu'au débouché (zone 4) dans le compartiment 22a le flux de fluide réfrigérant se heurte à la pipette 40 Io d'injection présente dans ce compartiment. Il en résulte des modifications des paramètres d'écoulement du fluide pouvant conduire, comme on l'a vu plus haut, à une augmentation de la vitesse du fluide telle que les canaux � entrants �, situés dans la zone Z de l'échangeur immédiatement contigus aux canaux � sortants � du même compartiment, ne peuvent être 15 correctement remplis de fluide. La zone Z devient alors une zone � chaude � de l'échangeur n'apportant pratiquement aucune contribution au refroidissement de l'air de climatisation. L'efficacité de I"échangeur de chaleur peut être ainsi diminuée de 10 à 20%. Comme on l'a déjà mentionné, un autre inconvénient est de créer à la surface de l'évaporateur un déséquilibre de 20 température qui se traduira par un inconfort dans l'habitacle du véhicule. C'est pour remédier à cet inconvénient qu'il est prévu, comme le montre la figure 3, de disposer la pipette 40 d'injection dans une partie de la boîte collectrice 20a d'entrée située à l'opposé du débouché des canaux 10 en U par rapport à l'axe longitudinal A de ladite boîte collectrice 20a d'entrée. Sur la 25 figure 3, on peut voir que, par cet effet d'excentrement, la pipette 40 d'injection est située substantiellement dans la portion supérieure de la boîte collectrice 20a d'entrée par rapport au plan médian P des boîtes collectrices 20a, 20b. La pipette 40 d'injection se trouvant ainsi éloignée du débouché des canaux 10 dans la boîte 20a d'entrée, le flux de fluide réfrigérant n'est que peu 30 affecté par la présence de la pipette. Les canaux dits � entrants � dans la zone Z peuvent être mieux remplis de fluide et apporter leur contribution au rendement de l'échangeur. Dans le mode de réalisation de la figure 3, la section de la pipette 40 est sensiblement oblongue, notamment elliptique. La figure 4 montre une variante dans laquelle la pipette 40' présente une section circulaire. Enfin, on peut observer sur les figures 3 et 4 que les pipettes 40, 40' d'injection sont déportées vers la paroi extérieure 23a de la boîte collectrice 20a d'entrée. On entend par � paroi extérieure � la paroi de la boîte collectrice d'entrée située vers l'extérieur de l'échangeur. Cette disposition a pour but de limiter l'effet perturbateur lié à la présence des pipettes à la section de fluide représentée par la flèche F2 sur les figures 3 et 4, située du côté extérieur de Io l'échangeur. En effet, cette section de fluide est celle dont le trajet dans le canal est le plus long et donc celle qui, par conséquent, présente une énergie d'écoulement relativement faible. Comme cela a été indiqué plus haut, on a pu constater que, dans ces conditions, le rendement de l'échangeur et l'homogénéité de la température en sortie de l'échangeur ne sont pas 15 sensiblement affectés par la présence de la tubulure d'injection dans la boîte collectrice d'entrée, la perturbation dans l'écoulement du fluide réfrigérant étant limitée à cette section extérieure de faible énergie d'écoulement. Les zones référencées 11 sur les figures 3 et 4 sont des perturbateurs disposés à l'intérieur des canaux 10. 20 La technologie utilisée pour mettre en oeuvre les canaux 10 est par exemple une technologie à plaques, c'est-à-dire deux plaques face à face entre lesquelles est défini le canal 10. C'est cette technologie qui est utilisée pour les représentations des figures 1 à 4. Une autre technologie avec tube monobloc extrudé peut être aussi utilisée. 25 20 REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur, comprenant un faisceau d'une pluralité de canaux (10) en U débouchant à une première extrémité (10a) dans une première boîte collectrice (20a) de fluide et à une deuxième extrémité (10b) dans une deuxième boîte collectrice (20b) de fluide, la première boîte collectrice, dite boîte collectrice (20a) d'entrée, étant divisée en au rnoins deux (21a, 22a) compartiments, une tubulure (40 ; 40') d'injection de fluide s'étendant à travers lesdits compartiments jusqu'à déboucher dans le compartiment distal (21a), caractérisé en ce que ladite tubulure (40) d'injection de fluide est disposée dans une partie de la boîte collectrice (20a) d'entrée située à l'opposé du débouché des canaux (10) en U par rapport à un axe longitudinal (A) de ladite boîte collectrice (20a) d'entrée. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, dans lequel ladite tubulure 15 (40 ; 40') d'injection est déportée vers la paroi extérieure (23a) de la boîte collectrice (20a) d'entrée. 3. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel ladite tubulure (40) d'injection a une section oblongue. 4. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel ladiite tubulure (40') d'injection a une section circulaire.