Brevet FR2947330A1 — publié le 20101231

.RFR0492 Échangeur de chaleur comprenant un faisceau de tubes avec un tube inactif L'invention se rapporte aux échangeurs de chaleur, notamment pour véhicules automobiles. Elle concerne plus particulièrement un échangeur de chaleur 10 comprenant un faisceau de tubes et d'intercalaires disposé entre une première boîte collectrice et une seconde boîte collectrice, et dans lequel le faisceau comprend au moins un tube inactif qui n'est parcouru par aucun fluide et qui forme une barrière thermique entre deux parties du 15 faisceau. On connaît déjà, d'après FR-A-2 786 259, un échangeur de chaleur de ce type qui est parcouru par deux fluides différents. Le tube inactif, encore appelé "tube mort", 20 débouche par ses deux extrémités dans les deux boîtes collectrices. Une double cloison permet à chaque fois d'isoler l'extrémité correspondante du tube inactif pour former ainsi un cloisonnement et isoler en outre les deux fluides. 25 Toutefois, cette solution convient aux échangeurs à flux multiples. En revanche, lorsqu'il s'agit par exemple de réaliser un condenseur de climatisation fonctionnant avec un fluide frigorigène à changement de phase ou encore un 30 refroidisseur de gaz fonctionnant avec un fluide supercritique, tel que le dioxyde de carbone ou CO2, l'une des deux boîtes collectrices ne doit pas être cloisonnée pour permettre un passage et une circulation du fluide suivant au moins deux passes différentes. 35 Il est connu aussi, d'après WO 2007/014560, de réaliser un tube inactif dans un échangeur de chaleur parcouru par un 15 seul fluide, tel qu'un refroidisseur de gaz parcouru par un fluide frigorigène fonctionnant en mode supercritique comme le CO2. La solution préconisée est de fermer le tube inactif aux deux extrémités, ce qui implique des opérations supplémentaires lors de la fabrication de l'échangeur de chaleur. L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients précités. Elle propose à cet effet un échangeur de chaleur du type défini en introduction, dans lequel la première boîte. collectrice est sectionnée en un premier tronçon et un second tronçon qui sont mutuellement alignés et qui ménagent entre eux un espace libre pour accueillir une première extrémité du tube inactif, ce dernier ayant une seconde extrémité disposée de manière à ne pas déboucher dans la seconde boîte collectrice et à ne pas établir de communication fluidique avec le fluide circulant dans cette seconde boîte collectrice, et dans lequel le tube inactif est identique aux autres tubes du faisceau. Ainsi, la première boîte collectrice est divisée en deux tronçons indépendants, physiquement séparés, qui ménagent 25 entre eux un espace libre. Cet espace libre est conçu pour recevoir une première extrémité du tube inactif, lequel est identique aux autres tubes du faisceau, c'est-à-dire qu'il possède notamment la 30 même longueur que ceux-ci. Cet espace libre permet en outre de découpler complètement le premier tronçon et le second tronçon de la première boîte collectrice en réalisant ainsi une barrière thermique 35 supplémentaire. Ceci présente un intérêt tout particulier lorsque, par exemple, le premier tronçon et le second tronçon sont parcourus par un même fluide mais à des températures très différentes. Ainsi, dans le cas particulier d'un refroidisseur de gaz parcouru par un fluide frigorigène tel que le CO2, le premier et le deuxième tronçon peuvent constituer la boîte d'entrée et la boîte de sortie de ce refroidisseur de gaz. 10 A titre d'exemple, la boîte d'entrée peut accueillir un fluide à une température de l'ordre de 150°C et la boîte de sortie un fluide à une température de l'ordre de 40°C, ce qui donne un écart de température supérieur à 100°C. Le 15 découplage thermique des deux tronçons est alors particulièrement intéressant. La seconde extrémité du tube inactif ne doit pas déboucher dans la seconde boîte collectrice, là où circule le fluide. 20 Différentes solutions sont envisageables à cet effet. Dans une première forme générale de réalisation de l'invention, le tube inactif est décalé dans sa direction axiale par rapport aux autres tubes du faisceau, en sorte 25 que sa seconde extrémité ne traverse pas la seconde boîte collectrice. A titre d'exemple, lorsque la seconde boîte collectrice comprend une plaque collectrice munie de perçages pour 30 recevoir des extrémités des tubes du faisceau, on prévoit que la seconde boîte collectrice est dépourvue de perçages en regard de la seconde extrémité du tube inactif. Dans une deuxième forme générale de réalisation de 35 l'invention, la seconde extrémité du tube inactif traverse la seconde boîte collectrice et débouche dans un5 compartiment isolé, non parcouru par le fluide circulant dans la seconde boîte collectrice. Dans une troisième forme générale de réalisation de l'invention, la première extrémité du tube inactif est maintenue par un prolongement issu de l'un ou l'autre du premier tronçon et du deuxième tronçon de la première boîte collectrice et qui s'étend dans l'espace libre. Cette solution permet de maintenir la première extrémité du tube inactif, sans toutefois créer un pont thermique entre les deux tronçons puisque le prolongement qui assure le maintien du tube ne se poursuit pas jusqu'à l'autre tronçon. Par exemple, ce prolongement peut être constitué par un prolongement de la plaque collectrice du tronçon concerné, qui comprend alors un perçage pour le passage de la première extrémité du tube inactif. Dans cette troisième forme de réalisation de l'invention, le tube inactif peut être décalé dans sa direction axiale de façon analogue à la première forme générale de réalisation précitée. En variante, le tube inactif n'est pas décalé, et sa seconde extrémité traverse la seconde boîte collectrice et débouche dans un compartiment isolé, de façon analogue à la deuxième forme de réalisation précitée. Dans une réalisation préférée de l'invention, le premier tronçon et le deuxième tronçon de la première boîte collectrice constituent respectivement une boîte collectrice d'entrée et une boîte collectrice de sortie pour un fluide, en sorte que ce fluide gagne la seconde boîte collectrice en définissant une première passe de circulation, puis gagne la boîte collectrice de sortie en définissant une seconde passe de circulation. En ce cas, l'échangeur de chaleur constitue avantageusement un refroidisseur de gaz propre à être parcouru par un fluide frigorigène fonctionnant en mode supercritique, comme le CO2. 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 schématique de face d'un échangeur de chaleur selon la première forme de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est un détail à échelle agrandie de 15 la figure 1 - la figure 3 est une vue partielle de dessus de la plaque collectrice de la seconde boîte collectrice de l'échangeur de chaleur de la figure 1, dans la région proche de la 20 seconde extrémité du tube inactif ; - la figure 4 est une vue en coupe longitudinale de la première boîte collectrice dans la région de l'espace libre ; - la figure 5 est une vue partielle en perspective éclatée du premier tronçon de la première boîte collectrice, dans une forme de réalisation où cette boîte collectrice est composée de trois éléments ; - la figure 6 est une vue schématique de face d'un échangeur de chaleur selon la deuxième forme générale de réalisation de l'invention ; 35 - la figure 7 est une vue partielle en coupe de la seconde boîte collectrice de l'échangeur de chaleur de la figure 6 25 30 dans la région où débouche la seconde extrémité du tube inactif ; - la figure 8 est une vue partielle de dessus de l'un des 5 éléments composant la boîte collectrice de la figure 7 ; - la figure 9 est une vue schématique de face d'un échangeur de chaleur selon une première variante de la troisième forme générale de réalisation de l'invention ; - la figure 10 est une vue analogue à la figure 9 dans une deuxième variante de réalisation ; et - la figure 11 est une vue de. dessous du prolongement du 15 premier tronçon de la première boîte collectrice dans le cas des figures 9 et 10. L'échangeur de chaleur représenté à la figure 1 comprend un faisceau 10 composé de tubes 12 et d'intercalaires 14 20 présentant une forme ondulée et faisant office d'ailettes d'échange de chaleur. Le faisceau 10 est disposé entre une première boîte collectrice 16 et une seconde boîte collectrice 18 qui ont des directions générales parallèles entre elles. 25 Dans l'exemple de réalisation, les deux boîtes collectrices 16 et 18 sont horizontales et les tubes 12 sont verticaux, mais une disposition inverse est bien entendu possible. 30 La boîte collectrice 16 est sectionnée en un premier tronçon 16-1 et un deuxième tronçon 16-2 qui sont mutuellement alignés et qui ménagent entre eux un espace libre 20 délimitant un jeu J de dimension choisie. Les tronçons 16-1 et 16-2 comportent respectivement une 35 tubulure d'entrée 22 et une tubulure de sortie 24 pour la circulation d'un fluide F. 10 Dans un exemple de réalisation, cet échangeur de chaleur constitue un refroidisseur de gaz parcouru par un fluide frigorigène tel que le CO2 pouvant être utilisé dans une installation de climatisation de véhicule automobile. Le faisceau 10 comprend un tube particulier appelé "tube inactif" ou � tube mort � et désigné par la référence 12i. Ce tube inactif 12i est identique aux autres tubes 12 du faisceau et en particulier il possède la même longueur. Dans l'exemple il se situe sensiblement au milieu du faisceau. Dans la forme de réalisation de la figure 1, le tube inactif 12i est décalé dans sa direction axiale par rapport aux autres tubes du faisceau. Il possède une première extrémité 12-1 qui débouche dans l'espace libre 20 et une seconde extrémité 12-2 qui ne débouche pas dans la seconde boîte collectrice. Le tube inactif est décalé verticalement vers le haut et l'extrémité 12-2 est espacée d'une faible distance au-dessus de la seconde boîte collectrice 18. Il en résulte que le tube inactif 12i que l'on peut appeler aussi "tube mort" n'est parcouru par aucun fluide et constitue une barrière thermique. Ainsi, le fluide qui pénètre dans le premier tronçon 16-1 parcourt ensuite une première partie du faisceau pour gagner la seconde boîte collectrice 18 puis gagne le second tronçon 16-2 par une autre partie du faisceau selon une deuxième passe de circulation. On obtient ainsi une circulation du fluide en deux passes, sans que le tube 12i ne participe à la circulation du fluide. Il permet de réaliser une barrière thermique, ce qui est particulièrement intéressant dans le cas où le fluide est le CO,, la température d'entrée étant par exemple d'environ 150°C et la température de sortie d'environ 40°C. La figure 2, qui est un détail à échelle agrandie de la figure 1, montre que le premier tronçon 16-1 et le second tronçon 16-2 ont des parois d'extrémités respectives 26 et 28 qui délimitent entre elles l'espace libre 20. Le jeu J ainsi délimité, doit être optimisé pour permettre le passage de la première extrémité 12-1 du tube inactif 12i. Le jeu J doit être suffisant pour permettre à l'extrémité 12-1 de venir déboucher, lors de l'assemblage, entre les parois 26 et 28 sans venir en contact avec elles ou, à la limite, en ne venant en contact qu'avec l'une d'elles. En général, le jeu J correspondra à au moins deux fois la dimension e du tube inactif dans la même direction. Dans cette forme de réalisation, les tubes sont des tubes plats, c'est-à-dire qu'ils possèdent une section transversale de forme rectangulaire aplatie et la dimension correspond à l'épaisseur du tube. Dans l'application particulière à un refroidisseur de gaz fonctionnant au CO2, ces tubes sont de préférence des tubes multicanaux pour offrir une meilleure résistance à la pression. La seconde boîte collectrice 18 comprend une plaque collectrice 30 (figures 1 et 3) dans laquelle débouchent les tubes du faisceau, à l'exception du tube inactif 12i. Comme on le voit sur la figure 3, la plaque collectrice 30 comprend une série de perçages 32, encore appelés trous, qui sont réalisés sous la forme de fentes allongées destinées à recevoir les extrémités des tubes du faisceau. Toutefois, cette plaque collectrice comprend une région intermédiaire 34 qui est dépourvue de perçages 32 en regard de la seconde extrémité 12-2 du tube inactif. Ainsi, cette seconde extrémité ne peut déboucher à l'intérieur de la boîte collectrice 18 et établir une communication fluidique avec celle-ci. Les figures 4 et 5 se réfèrent à une forme de réalisation particulière qui est commune aux deux tronçons de la première boîte collectrice et à la seconde boîte collectrice. Dans cet exemple, chacune des boîtes collectrices est composée de trois éléments selon une réalisation en elle-même connue décrite dans la publication FR-A-2 911 394 au nom de la Demanderesse. La figure 5 montre en particulier la réalisation du premier tronçon. Dans la suite, les mêmes références numériques selon utilisées pour désigner les trois éléments de ces boîtes collectrices, étant donné qu'il s'agit d'éléments analogues. Ainsi, le premier tronçon 16-1 de la figure 5 comprend une plaque collectrice 30 avec un fond plat 36 dans lequel sont aménagés des perçages 32 analogues à ceux montrés sur la figure 3. Ce fond plat se prolonge des deux côtés par deux parois latérales 38 dont les extrémités sont recourbées pour former des pinces de sertissage. La boîte collectrice comprend en outre un couvercle 40 réalisé sous la forme d'un profilé extrudé dont le profil comprend deux arches 42 et présente deux bords d'appui 44 pour les extrémités des parois latérales 38 de la plaque collectrice. Le couvercle délimite ainsi deux compartiments longitudinaux de circulation pour le fluide. Sur le dessus du couvercle est prévu un usinage 46 pour recevoir un bloc d'entrée 48 comportant un alésage axial 50 pour l'entrée du fluide frigorigène. Une plaque intermédiaire 52 est disposée entre la plaque collectrice et le couvercle et elle comporte des passages traversants 54, de forme oblongue, disposés en regard des perçages 32 de la plaque collectrice. Une paroi d'extrémité 56 permet de fermer l'extrémité du premier tronçon 16-1 à proximité du bloc d'entrée 48. La plaque collectrice 30, le couvercle 40 et la plaque intermédiaire 52 sont au moins partiellement brasés ensemble et avec les autres éléments de l'échangeur. Cette paroi d'extrémité 56 est réalisée de manière analogue aux parois d'extrémités 26 et 28 de la figure 4. On retrouve sur la figure 4 les éléments de la figure 2, ainsi que le détail des éléments composants chacun des tronçons. Ces tronçons sont réalisés de manière analogue à la figure 5 et ne sont donc pas décrits en détail. Il est fait référence maintenant à la figure 6 qui montre une deuxième forme de réalisation. Les éléments communs avec ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes références numériques. Dans cette forme de réalisation, le tube inactif 12i n'est pas décalé par rapport aux autres tubes du faisceau comme dans le cas de la figure 1. La première extrémité 12-1 et la deuxième extrémité 12-2 sont donc alignées avec les extrémités correspondantes des autres tubes. 1l en résulte que l'extrémité 12-1 ne pénètre pas autant dans l'espace libre 20 que dans le cas de la figure 1. En revanche, la seconde extrémité 12-2 du tube inactif traverse la seconde boîte collectrice 18, mais seulement partiellement et débouche dans un compartiment isolé 58 qui est représenté schématiquement sur la figure 6 et qui n'est pas en communication fluidique avec le fluide qui circule dans la boîte collectrice 18. La figure 7 montre un exemple de réalisation d'un tel compartiment 56. La structure de base de la boîte collectrice 18 est ici analogue à celle montrée sur la figure 5, à savoir : plaque collectrice 30, couvercle 40 et plaque intermédiaire 52. Ces éléments ne seront donc pas décrits ici en détail. La seconde boîte collectrice 18 comprend une plaque additionnelle 60 disposée entre la plaque intermédiaire 52 et le couvercle 40 et est munie d'ouvertures 62 en regard des passages 54 de la plaque intermédiaire 52. La figure 7 montre les canaux du tube inactif 12i. Comme on le voit sur les figures 7 et 8, la plaque intermédiaire 60 comprend des paires d'ouvertures 62 qui débouchent dans les deux compartiments que délimite le couvercle 40. Les deux ouvertures d'une même paire débouchant en regard d'un passage 54. Toutefois, comme on le voit sur la figure 8, la plaque intermédiaire 60 présente une région intermédiaire 64 qui est dépourvue d'ouvertures en face du passage particulier 54i (figure 7) dans lequel débouche la seconde extrémité 12-2 du tube inactif. Il en résulte que cette seconde extrémité débouche dans un passage qui est fermé par la plaque additionnelle 60, au lieu de déboucher en regard d'une paire d'ouvertures 62 comme pour les autres tubes du faisceau. Ceci permet de réaliser un compartiment isolé 58 comme décrit schématiquement sur la figure 6. Ainsi, la plaque additionnelle 60 permet d'obstruer le passage de l'extrémité du tube inactif. Il est fait référence maintenant à la figure 9 qui montre une première variante d'une troisième forme de réalisation de l'invention. Cette variante s'apparente ici à la forme de réalisation de la figure 1, en ce sens que le tube inactif 12i est également décalé verticalement vers le haut. Toutefois, ce tube est maintenu par un prolongement 66 issu de l'un des deux tronçons, ici le tronçon 16-1 de la première boîte collectrice. Cette solution a l'avantage de procurer un meilleur maintien de l'extrémité 12-1 du tube inactif, sans établir de pont thermique avec le second tronçon 16-2, étant donné que ce prolongement ne s'étend pas jusqu'à ce dernier. La figure 10 montre une réalisation analogue à la figure 9, c'est-à-dire que la première extrémité du tube inactif est également maintenue par un prolongement 56. Ici, le tube inactif 12i n'est pas décalé et sa seconde extrémité 12-2 débouche dans un compartiment isolé 58 analogue à celui de la figure 6. La figure 11 montre une réalisation pratique du prolongement 56. Une manière commode est de prolonger uniquement la plaque collectrice 30 correspondante au-delà de la paroi d'extrémité 26. Le prolongement comprend une ouverture 32i, située en extrémité, qui est destinée à être traversée par l'extrémité 12-1 du tube inactif. L'échangeur de chaleur de l'invention est avantageusement formés de composants à base d'aluminium qui sont brasés 15 ensemble en une seule opération. L'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation. Bien que l'invention ait été décrite en référence particulière à un refroidisseur de gaz 20 fonctionnant avec un fluide tel que le co2, elle peut s'appliquer à d'autres types d'échangeurs de chaleur, en particulier à des échangeurs parcourus par deux fluides différents. Revendications1. Échangeur de chaleur comprenant un faisceau (10) de tubes (12) et d'intercalaires (14) disposé entre une première boîte collectrice (16) et une seconde boîte collectrice (18), et dans lequel le faisceau comprend au moins un tube inactif (12i) qui n'est parcouru par aucun fluide et qui forme une barrière thermique entre deux parties du faisceau, caractérisé en ce que la première boîte collectrice (16) est sectionnée en un premier tronçon (16-1) et un second tronçon (16-2) qui sont mutuellement alignés et qui ménagent entre eux un espace libre (20) pour accueillir une première extrémité (12-1) du tube inactif (12i), ce dernier ayant une seconde extrémité (12-2) disposée de manière à ne pas déboucher dans la seconde boîte collectrice (18) et à ne pas établir de communication fluidique avec le fluide circulant dans cette seconde boîte collectrice, et en ce que le tube inactif (12i) est identique aux autres tubes (12) du faisceau (10). 2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier tronçon (16-1) et le second tronçon (16-2) de la première boîte collectrice (16) ont des parois d'extrémité (26, 28) respectives qui délimitent entre elles l'espace libre (20). 3. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'espace libre (20) délimite entre le premier tronçon (16-1) et le second tronçon (16-2) de la première boîte collectrice (16) un jeu (J) correspondant à au moins 2 fois la dimension (e) du tube inactif (12i) dans la même direction. 4. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le tube inactif (12i) est décalé 13dans sa direction axiale par rapport aux autres tubes (12) du faisceau (10), en sorte que sa seconde extrémité (12-2) ne traverse pas la seconde boîte collectrice (18). 5. Échangeur de chaleur selon la revendication 4, dans lequel la seconde boîte collectrice (18) comprend une plaque collectrice (30) munie de perçages (32) pour recevoir des extrémités des tubes (12) du faisceau, caractérisé en ce que la seconde boîte collectrice (18) est dépourvue d'ouverture en regard de la seconde extrémité (12-2) du tube inactif (12i). 6. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la seconde extrémité (12-2) du tube inactif (12i) traverse la seconde boîte collectrice (18) et débouche dans un compartiment isolé (58) non parcouru par le fluide circulant dans la seconde boîte collectrice (18). 7. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première extrémité (12-1) du tube inactif (12i) est maintenue par un prolongement (66) issu de l'un ou l'autre du premier tronçon (16-1) et du second tronçon (16-2) de la première boîte collectrice (16) et qui s'étend dans l'espace libre (20). 8. Échangeur de chaleur selon la revendication 7, dans lequel le premier tronçon (16-1) et le second tronçon (16-2) de la première boîte collectrice (16) comprennent une plaque collectrice (30) munie de perçages (32) pour recevoir des extrémités des tubes (12) du faisceau (10), caractérisé en ce que le prolongement (66) est un prolongement de la plaque collectrice (30) qui comprend un perçage (32) pour le passage de la première extrémité (12- 1) du tube inactif (12i). 9. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le tube inactif (12i) est décalé dans sa direction axiale par rapport aux autres tubes (12) du faisceau (10), en sorte que sa seconde extrémité (12-2) ne traverse pas la seconde boîte collectrice (18). 10. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que la seconde extrémité (12-2) du tube inactif (12i) traverse la seconde boîte collectrice (18) et débouche dans un compartiment isolé (58) non parcouru par le fluide circulant dans la seconde boîte collectrice (18). 11. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 6 et 10, dans lequel la seconde boîte collectrice (18) comprend une plaque collectrice (30) munie de perçages (32) pour recevoir des extrémités des tubes (12) du faisceau (10), un couvercle (40) pour définir avec la plaque collectrice (30) au moins une chambre de fluide, ainsi qu'une plaque intermédiaire (52) disposée entre la plaque collectrice (30) et le couvercle (40) et comportant des passages (54) en regard des perçages (32) de la plaque collectrice (30), caractérisé en ce que la seconde boîte collectrice (18) comprend une plaque additionnelle (60) disposée entre la plaque intermédiaire (52) et le couvercle (40) et munie d'ouvertures (62) en regard des passages (54) de la plaque intermédiaire (52), sauf en regard du passage (54i) de la seconde extrémité (12-2) du tube inactif (12i) pour constituer le compartiment isolé (58). 12. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le premier tronçon (16-1) et le second tronçon (16-2) de la première boîte collectrice (16), ainsi que la seconde boîte collectrice (18) comprennent chacun une plaque collectrice (30) munie de perçages (32) pour recevoir des extrémités des tubes dufaisceau, un couvercle (40) pour définir avec la plaque collectrice (30) au moins une chambre de fluide, ainsi qu'une plaque intermédiaire (52) disposée entre la plaque collectrice (30) et le couvercle (40) et comportant des passages (54) en regard des perçages (32) de la plaque collectrice (30), cette plaque collectrice (30), le couvercle (40) et la plaque intermédiaire (52) étant au moins partiellement brasés ensemble. 13. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le premier tronçon (16-1) et le second tronçon (16-2) de la première boîte collectrice (16) constituent respectivement une boîte collectrice d'entrée et une boîte collectrice de sortie pour un fluide, en sorte que ce fluide gagne la seconde boîte collectrice (18) en définissant une première passe de circulation puis gagne la boîte collectrice de sortie en définissant une seconde passe de circulation. 14. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il constitue un refroidisseur de gaz propre à être parcouru par un fluide frigorigène fonctionnant en mode supercritique, comme le CO,.