Brevet FR2943776A1 — publié le 20101001

RFR0500 Échangeur de chaleur, en particulier condenseur de climatisation L'invention se rapporte aux échangeurs de chaleur, notamment pour véhicules automobiles. Elle concerne plus particulièrement un échangeur de chaleur 10 comprenant un empilement alterné de lames pour la circulation d'un premier fluide et d'un second fluide. De tels échangeurs de chaleur peuvent être utilisés, par exemple, comme condenseurs de climatisation pour des 15 véhicules automobiles. Le premier fluide peut être alors constitué par un fluide frigorigène, avec ou sans changement de phase, et le second fluide par un fluide de refroidissement tel que de l'eau. 20 Les échangeurs de chaleur de ce type sont souvent réalisés par une technologie de plaques empilées présentant des ondulations pour perturber l'écoulement des deux fluides. Ces plaques ont généralement des bords périphériques relevés qui sont assemblés entre eux de manière étanche 25 pour délimiter entre les plaques des premières et des secondes lames de circulation pour les fluides respectifs. L'inconvénient de telles plaques est qu'elles offrent peu de modularité en ce qui concerne l'encombrement et l'adaptation des sections de passage en fonction des 30 propriétés des fluides. Par ailleurs, des problèmes de brasage, donc d'étanchéité et de tenue à la pression, peuvent apparaître au niveau des passages de fluide. On connaît aussi, d'après le brevet US 6 540 015, un 35 condenseur utilisant des tubes pour la circulation d'un fluide frigorigène et d'autres tubes pour la circulation 15 d'un fluide de refroidissement. Ces derniers tubes peuvent être constitués chacun d'au môins deux plaques. Cette solution présente également un certain nombre d'inconvénients, notamment une complexité de construction. En autres, il nécessite une boîte collectrice rapportée pour chaque fluide, à chaque extrémité du faisceau. L'invention a notamment pour but de surmonter les 10 inconvénients précités. Elle propose à cet effet un échangeur de chaleur du type défini en introduction, lequel comprend un faisceau formé par un empilement alterné de tubes plats de profil choisi 15 pour la circulation du premier fluide et de perturbateurs pour la circulation du second fluide entre les tubes ; une boîte collectrice d'entrée et une boîte collectrice de sortie reliées respectivement à deux extrémités du faisceau pour l'admission et l'évacuation du premier fluide, 20 lesdites boîtes collectrices étant formées chacune par un empilement de plaques d'extrémité présentant un fond muni d'un rebord périphérique, notamment à contour sensiblement en U, en sorte que les plaques d'extrémité peuvent être assemblées deux à deux de manière étanche par coopération 25 de leurs rebords périphériques respectifs en délimitant à chaque fois une chambre ayant un profil d'entrée homologue du profil d'un tube pour l'insertion d'une extrémité de tube, le fond de chaque plaque collectrice ayant une ouverture pour la communication des chambres ; et un 30 boîtier enveloppant le faisceau, ce boîtier étant muni d'une entrée et d'une sortie pour la circulation du premier fluide, et d'une entrée et d'une sortie pour la circulation du second fluide. 35 Ainsi, l'échangeur de chaleur de l'invention comprend un faisceau formé par un empilement alterné de tubes et de perturbateurs pour définir respectivement les lames de circulation du premier fluide et du second fluide. Les boîtes collectrices d'entrée et de sortie sont définies chacune par un empilement de plaques d'extrémité, formant des têtes de lames, qui sont emboîtées entre elles grâce à la géométrie de leurs rebords périphériques respectifs, ce qui permet de définir à chaque fois une chambre en communication avec un tube. Chaque chambre délimite une fente d'introduction pour le tube qui présente un profil interne homologue du profil d'un tube, ce qui permet un emboîtement étanche de l'extrémité de tube dans la fente d'introduction correspondante. Les chambres communiquent entre elles, ce qui permet de définir une boîte collectrice d'entrée ou de sortie pour le premier fluide. Le boîtier qui enveloppe le faisceau permet d'assurer la circulation du second fluide qui est en échange thermique avec le premier fluide. Un tel échangeur de chaleur peut être réalisé par une technologie brasée en une seule opération, une fois les différents composants de l'échangeur de chaleur maintenus serrés entre eux. Comme indiqué précédemment, un tel échangeur de chaleur trouve une application particulière dans le domaine des véhicules automobiles, par exemple pour réaliser un condenseur de climatisation. 30 Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'un échangeur de 35 chaleur selon l'invention ; 25 - la figure 2 est une vue en perspective éclatée de l'échangeur de chaleur de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue de dessus de l'échangeur de 5 chaleur des figures 1 et 2 ; - la figure 4 est une vue en coupe suivant la ligne IV-IV de la figure 3 ; 10 - la figure 5 est une vue en coupe suivant la ligne V-V de la figure 3 ; - la figure 6 représente le détail VI de la figure 5 à échelle agrandie ; - la figure 7 est une vue en coupe suivant la ligne VII-VII de la figure 3 ; - la figure 8 est une vue d'extrémité d'un tube ; - la figure 9 représente le détail IX de la figure 8, à échelle agrandie ; - les figures 10 et 11 montrent respectivement deux plaques 25 d'extrémité ; - la figure 12 est une vue de face de l'échangeur de chaleur de la figure 1 ; et 30 - la figure 13 est une vue de côté de l'échangeur de chaleur de la figure 1. Les figures 1, 3, 12 et 13 représentent des vues différentes d'un échangeur de chaleur 10 selon l'invention 35 à l'état assemblé. Il sera fait plus particulièrement référence à la figure 2 qui représente cet échangeur de chaleur 10 en vue en perspective éclatée. 15 20 L'échangeur de chaleur 10 comprend un faisceau 12 formé par un empilement alterné de tubes plats 14 de profil choisi pour la circulation d'un premier fluide F1 et de perturbateurs 16 pour la circulation d'un second fluide Fz entre les tubes. Les perturbateurs 16 sont ici des intercalaires ondulés dont les ondulations respectives viennent au contact des tubes 14. L'échangeur de chaleur 10 comprend en outre une boîte collectrice d'entrée 18 et une boîte collectrice de sortie 20 reliées respectivement à deux extrémités du faisceau 12 pour l'admission et l'évacuation du premier fluide F1. Ces deux boîtes collectrices sont formées de manière analogue, c'est-à-dire par un empilement de plaques d'extrémité 22 dont chacune présente un fond 24 muni d'un rebord périphérique 26 ayant un contour général sensiblement en forme de U. Dans l'exemple, le fond 24 de chaque plaque d'extrémité 22 est généralement plat et le rebord périphérique 26 forme un angle choisi avec le fond plat 24, en sorte que les plaques d'extrémité 22 peuvent être emboîtées et assemblées de manière étanche par coopération de leurs rebords périphériques respectifs. En effet, comme ces rebords périphériques 26 sont inclinés, lorsque deux plaques d'extrémité sont mutuellement emboîtées, elles ménagent entre elles une fente d'introduction dont le profil interne est homologue du profil d'un tube, ce qui permet d'insérer à chaque fois une extrémité de tube de manière étanche. On délimite ainsi à chaque fois une chambre 28 pour le premier fluide, comme on le voit notamment sur la figure 4. Ces chambres 28 peuvent communiquer entre elles grâce à au moins une ouverture 30 aménagée dans le fond de chaque plaque d'extrémité 22 pour assurer une communication de fluide entre les chambres. Dans l'exemple, les ouvertures 30 sont circulaires et alignées entre elles dans la direction de l'empilement du faisceau 12. L'échangeur 10 comprend en outre un boîtier 32 qui enveloppe le faisceau. Ce boîtier 32 comprend un carter 34 à section en U pour loger le faisceau 12 et s'étendant jusqu'aux plaques d'extrémité 22 ainsi qu'un couvercle 36 pour fermer le carter. Le boîtier 32 porte une entrée 38 et une sortie 40 pour le premier fluide F1, ainsi qu'une entrée 42 et une sortie 44 pour le second fluide F2. L'entrée 38 et la sortie 40 pour le premier fluide F1 sont portées par le couvercle 36 et débouchent respectivement dans la boîte collectrice d'entrée 18 et la boîte collectrice de sortie 20. Dans l'exemple, l'entrée 38 et la sortie 40 sont formées par deux brides ayant des alésages respectifs 46 et 48 qui communiquent à chaque fois avec la boîte collectrice correspondante au travers d'une ouverture circulaire 50 ou 52 (figure 2) que comporte le couvercle 36. Ainsi, l'alésage 46 est aligné avec l'ouverture 50 et avec les ouvertures 30 des plaques d'extrémité 22 formant la boîte collectrice 18. De même l'alésage 48 est aligné avec l'ouverture 52 et avec les ouvertures 30 des plaques d'extrémité 22 formant la boîte collectrice 20. On forme ainsi deux conduits de distribution de fluide communiquant avec les tubes 14, ces conduits étant fermés tous les deux par le fond du carter. Dans l'exemple représenté, l'entrée 42 et la sortie 44 pour le second fluide F2 sont portées par le carter 34. Ce carter présente une paroi de fond 54 et deux parois latérales 56 et 58 qui viennent envelopper le faisceau. Dans l'exemple, l'entrée 42 et la sortie 44 sont formées par des tubulures qui sont portées par la paroi latérale 56 du carter 34. La paroi latérale 56 comprend une partie centrale plane 60 reliée à deux parties latérales 62 et 64 sur lesquelles sont montées respectivement les tubulures 42 et 44: La paroi latérale 58 présente une forme homologue. 1l en résulte que le carter est plus large dans sa partie centrale que dans ses parties d'extrémité au voisinage des plaques collectrices. De la sorte, un volume libre 100 est défini entre le carter et le faisceau (figure 7), au niveau des parties latérales 62, 64 du carter pour permettre la distribution du second fluide entre les tubes, au droit de la tubulure d'entrée 42 dudit second fluide, et sa collecte au droit de la tubulure de sortie 44 du faisceau. Le couvercle 36 présente deux bords relevés respectifs 66 et 68 (figures 2 et 3), munies de parties d'extrémité 67, 69 destinés à venir en contact avec les bords d'extrémité respectifs 70, 72 des parties latérales 62, 64 des parois latérales 56 et 58 pour fermer ledit volume libre 100 en partie haute. Plus précisément, selon le mode de réalisation illustré, en se reportant à nouveau à la figure 3, on constate que les parties d'extrémité 67, 69 des bords relevés 66, 68 du couvercle 36 sont décalés par rapport à la partie centrale desdits bords relevés, dans la direction orthogonale à l'axe longitudinale dudit couvercle d'environ une fois l'épaisseur dudit couvercle. Le couvercle 36 peut ainsi coopérer avec le fond de la dernière plaque d'extrémité 22 tout en étant relié, par une courbure choisie des parties d'extrémité 67, 69, aux bords d'extrémité 70, 72 des parties latérales 64 des parois latérales 56 et 58 du carter 34. Les différents composants de l'échangeur de chaleur, tels que mentionnés ci-dessus, sont avantageusement réalisés en aluminium ou alliage à base d'aluminium et munis d'un placage de brasure, aux endroits appropriés, ce qui permet de réaliser un assemblage de ces composants entre eux en une seule opération dans un four de brasage, tout en assurant une étanchéité entre les différents composants. Comme on le voit plus particulièrement sur la coupe de la figure 5 et le détail de la figure 6, le rebord 26 de chaque plaque d'extrémité 22 forme avec le fond 24 un angle A choisi qui est un angle aigu et qui est calculé en fonction de l'épaisseur de la plaque. Chaque plaque d'extrémité 22 est réalisée avantageusement par emboutissage. Lorsque deux plaques d'extrémité sont emboîtées entre elle, elles délimitent une fente qui présente un profil d'entrée homologue du profil d'un tube, c'est-à-dire la forme générale d'un trapèze allongé ayant deux grands côtés opposés reliés à deux petits côtés opposés inclinés. Cette forme est homologue de celle de la section d'un tube comme représenté sur la figure 8. Chaque tube 14 est un tube plat délimité par deux grandes faces opposées 74 et 76 et deux petites faces inclinées opposées 78 et 80 qui forment chacune avec les faces 74 et 76 un angle correspondant sensiblement à l'angle A précité (figure 6). Ainsi, le profil du tube a sensiblement la forme d'un trapèze allongé qui vient épouser la forme de la fente d'introduction délimitée entre deux plaques d'extrémité 22 adjacentes. Les faces 78 et 80 se raccordent aux faces 74 et 76 par des arrondis. Dans l'exemple, chaque tube 14 est réalisé par extrusion et comprend une multiplicité de canaux internes 82 (figures 8 et 9). Comme on peut le voir sur les figures 10 et 11, les plaques d'extrémité 22 ne sont pas rigoureusement identiques entre elles. En réalité, on prévoit deux types de plaques d'extrémité avantageusement une plaque 22a comme représenté sur la figure 10 et une plaque 22b comme représenté sur la figure 11. Les plaques 22a et 22b sont disposées de façon alternée. La plaque 22a représentée sur la figure 10 reçoit ici l'extrémité du couvercle 36. Tandis que la plaque 22b représentée à la figure 11 reçoit une extrémité d'un tube plat 14. La plaque d'extrémité 22a de la figure 10 comprend des ergots en saillie, à savoir deux ergots 84 et deux ergots 86, tous ces ergots faisant saillie du côté du rebord périphérique pour servir de butée à une plaque adjacente. La plaque 22b comporte également des ergots en saillie, à savoir deux ergots 88 et deux ergots 90. Tous ces ergots sont formés par estampage de la plaque collectrice et ils ont une hauteur correspondant sensiblement à la hauteur d'un tube ou d'un perturbateur. Les ergots 84 et 86 de la plaque 22a sont disposés à des endroits différents des ergots 88 et 90 de la plaque 22b du fait qu'ils sont réalisés par estampage pour ne pas venir en correspondance les uns des autres. Lorsque l'échangeur de chaleur est brasé, les ergots précités viennent se braser sur le fond d'une plaque d'extrémité adjacente, ce qui permet de définir une chambre à fluide résistant à la pression, ce qui est particulièrement intéressant dans le cas où le premier fluide est un fluide à haute pression comme le CO2. Comme on peut le voir aussi sur la figure 10, le fond plat 24 de chaque plaque d'extrémité est limité par un bord d'extrémité 92 qui se poursuit respectivement par deux extrémités libres 94 du rebord périphérique 26, ce qui permet de contribuer à définir le profil d'entrée pour une extrémité de tube. Les deux extrémités libres 94 comportent des encoches 96 qui facilitent l'introduction des extrémités libres des tubes et servent de butées d'introduction. Les ergots 84, 86, 88 et 90 précités sont assurés par une découpe fine, non débouchante, et ils permettent aussi le guidage du fluide entre les plaques d'extrémité comme on le voit sur la figure 11. Par ailleurs, l'utilisation de découpes fines pour faire l'espacement entre les plaques d'extrémités permet d'utiliser une hauteur de perturbateur plus étroite que deux fois l'épaisseur de la tôle des plaques d'extrémité, ce qui est plus avantageux que l'utilisation d'agrafes ou d'embouts pour fermer les tubes. Dans le mode de réalisation illustré, le carter 34 est brasé au faisceau et épouse sensiblement sa forme, ce qui permet d'optimiser l'encombrement de l'échangeur. Dans un autre mode de réalisation, non illustré, il pourra s'agir d'une boîte, fermée par un couvercle, par exemple serti sur la boîte, l'étanchéité entre la boite et le couvercle étant assurée, notamment, par un joint. Dans un tel mode, le couvercle pourra être constitué d'une plaque terminale du faisceau telle que, par exemple, la plaque 36, prévue prolongé radialement sur l'ensemble de sa périphérie afin de définir une zone de fixation, notamment de sertissage, à la boîte. Les tubulures pour le second fluide pourront être prévues sur la boîte, notamment en étant issues de matière. Un tel exemple de boîte est décrit, par exemple, dans la demande de brevet DE 19902504. Dans l'exemple représenté, l'échangeur de chaleur peut constituer un condenseur de climatisation de véhicules automobiles. Le fluide F1 est alors constitué par un fluide frigorigène et le fluide F2 par un fluide de refroidissement. Le fluide frigorigène peut être un fluide fluoré à changement de phase, ou bien un fluide fonctionnant en mode supercritique, comme par exemple le CO2. Quant au fluide de refroidissement, il peut s'agir d'eau additionnée d'un antigel. L'échangeur de chaleur représenté sur les figures est particulièrement adapté à l'utilisation comme condenseur fonctionnant avec un fluide frigorigène du type CO,. En effet, cet échangeur de chaleur peut résister à des pressions de fonctionnement élevées telles que l'on rencontre avec un fluide du type CO,. Cependant, cet échangeur de chaleur pourrait être utilisé pour d'autres applications. Revendications1. Échangeur de chaleur comprenant un empilement alterné de lames pour la circulation d'un premier fluide (F1) et 5 d'un second fluide (F2), caractérisé en ce qu'il comprend un faisceau (12) formé par un empilement alterné de tubes plats (14) de profil choisi pour la circulation du premier fluide (F1) et de 10 perturbateurs (16) pour la circulation du second fluide (F2) entre les tubes ; une boîte collectrice d'entrée (18) et une boîte collectrice de sortie (20) reliées respectivement à deux extrémités du faisceau pour l'admission et l'évacuation du premier fluide (F1), 15 lesdites boîtes collectrices (18, 20) étant formées chacune par un empilement de plaques d'extrémité (22) présentant un fond (24) muni d'un rebord périphérique (2 6) , en sorte que les plaques d'extrémité (22) peuvent être assemblées deux à deux de manière étanche par coopération de leurs rebords 20 périphériques respectifs (26) en délimitant à chaque fois une chambre (28) ayant un profil d'entrée homologue du profil d'un tube pour l'insertion d'une extrémité de tube, le fond (24) de chaque plaque d'extrémité (22) ayant une ouverture (30) pour la communication des chambres ; et un 25 boîtier (32) enveloppant le faisceau, ce boîtier étant muni d'une entrée (38) et d'une sortie (40) pour la circulation du premier fluide (F1) et d'une entrée (42) et d'une sortie (44) pour la circulation du second fluide (F2). 30 2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fond (24) de chaque plaque d'extrémité (22) est généralement plat, et en ce que le rebord périphérique (26) forme un angle donné (A) avec le fond (24), en sorte que le profil d'entrée de la chambre 35 (38) délimité entre deux plaques d'extrémité (22) adjacentes a sensiblement la forme d'un trapèze allongé 12ayant deux grandes côtés opposés reliés à deux petits côtés opposés inclinés. 3. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le fond (24) de chaque plaque d'extrémité (22) est limité par un bord d'extrémité (92) qui se poursuit respectivement par deux extrémités libres (94) du rebord périphérique (26) pour contribuer à définir 'le profil d'entrée. 4. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le fond (24) de chaque plaque d'extrémité (22) est surmonté d'au moins un ergot (84, 86, 88, 90) en saillie du côté du rebord périphérique (26) pour servir de butée à une plaque d'extrémité (22) adjacente. 5. Échangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque'ergot (84, 86, 88, 90) en saillie sert de déflecteur pour canaliser le premier fluide (F1) . 6. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque plaque d'extrémité (22) est réalisée par emboutissage. 7. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque tube (14) est délimité par deux grands faces opposées (74, 76) et deux petits faces opposées inclinées {78, 80), en sorte que le profil du tube a sensiblement la forme d'un trapèze allongé. 8. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque tube (14) est réalisé par extrusion et comprend une multiplicité de canaux internes 35 (82). 9. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les perturbateurs (16) sont des intercalaires ondulés. 10. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le boîtier (32) comprend un carter (34) à section en U pour loger le faisceau (12) et s'étendant jusqu'aux plaques d'extrémité (22), ainsi qu'un couvercle (36) pour fermer le carter (34). 11. Échangeur de chaleur selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'entrée (38) et la sortie (40) pour le premier fluide (F1) sont portées par le couvercle (36) et débouchent respectivement dans la boîte collectrice d'entrée (18) et la boîte collectrice de sortie (20). 12. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que l'entrée (42) et la sortie (44) pour le second fluide (F2) sont portées par le carter 20 (34). 13. Échangeur de chaleur selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'entrée (42) et la sortie (44) pour le second fluide (F2) sont portées par une même paroi 25 latérale (56) du carter (34). 14. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que les tubes (14), les perturbateurs (16), les plaques d'extrémité (22) et le 30 boîtier (32) sont réalisés en une matière à base d'aluminium et assemblés entre eux par brasage. 15. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 14, réalisé sous la forme d'un condenseur de 35 climatisation, caractérisé en ce que les tubes sont conçus pour être traversés par un fluide réfrigérant qui constituele premier fluide (F1) et le boîtier () est conçu pour être traversé par un fluide de refroidissement qui constitue le second fluide (F2).