Brevet FR2953916A1 — publié le 20110617

ECHANGEUR THERMIQUE ET SON MODULE D'ENTREE [0001] L'invention porte sur le domaine des échangeurs thermiques, et plus particulièrement des radiateurs prévus pour le refroidissement de fluides de deux circuits fonctionnant à des températures différentes. [0002] Lorsque les besoins en refroidissement de différents organes d'un système sont assez différents au point de devenir incompatibles entre eux, on est amené à employer des circuits de refroidissement séparés avec des températures (et/ou des débits) différentes. Cette solution complexifie l'architecture des systèmes de refroidissement, et augmente le nombre de composants employés. [0003] Sur un véhicule automobile à moteur thermique, il peut être nécessaire de prévoir un premier circuit pour le refroidissement du moteur à combustion qui l'équipe, dit circuit de refroidissement haute température, et un deuxième circuit dit basse température pour le refroidissement à des températures plus basses de certains périphériques du moteur ou d'autres organes mécaniques ou électriques. Par exemple, il est possible dans une application automobile d'employer un circuit de refroidissement basse température pour refroidir l'air à l'admission d'un moteur suralimenté, pour alimenter un échangeur pour les gaz d'échappement recyclés à l'admission (fonction EGR), ou encore, par exemple, dans une application automobile hybride électrique, d'employer un circuit basse température pour le refroidissement des organes électriques de puissance. [0004] Une telle configuration peut également être présente sur un véhicule automobile hybride thermique/électrique, les besoins en refroidissement du moteur thermique et du moteur électrique et son électronique de puissance associée étant nettement différents. On retrouve alors un circuit haute température dédié au moteur thermique et un circuit basse température dédié au moteur électrique et à son électronique de puissance. [0005] On parlera indifféremment dans la suite du présent document, pour désigner les fluides circulant dans les circuits haute et basse température, de liquide de refroidissement ou d'eau (le liquide de refroidissement étant généralement à base d'eau, mais cela n'exclut pas l'emploi éventuel dans l'invention d'un liquide de refroidissement à base d'un autre composé). De même, on considère les termes « radiateur » et « échangeur thermique » comme synonymes. [0006] Le refroidissement de ces deux circuits nécessite l'emploi d'un radiateur, c'est-à-dire d'un échangeur thermique air/liquide qui, dans une application automobile, est préférentiellement installé en face avant afin d'être traversé par un flux d'air lorsque le véhicule roule. Puisque deux circuits coexistent, la solution la plus simple consiste à les refroidir à l'aide de deux radiateurs distincts. Cependant, une telle solution n'est pas optimale, car elle oblige à complexifier la face avant des véhicules pour adapter les deux radiateurs. Il faut en effet prévoir des interfaces spécifiques, et des moyens de maintien de chaque radiateur, ce qui entraine en outre un surcoût important. [0007] Il est par ailleurs connu d'employer un radiateur unique, comportant en fait des boîtes à eaux (boîtiers d'entrée et de sortie du radiateur) séparés pour chacun des circuits, et deux faisceaux de conduits dédiés à l'un ou l'autre des circuits, dans lesquels circulent les liquides à refroidir. [0008] Sur ce type de radiateur, la différence de température à l'interface entre les faisceaux haute température et les faisceaux basse température pose néanmoins d'importants problèmes de fiabilité, dus à la dilatation différentielle et à des situations de chocs thermiques entre les deux de faisceaux de conduits. [0009] De tels chocs thermiques et les différentiels de température constatés peuvent entrainer des fuites sur le radiateur. [0010] Ce problème est connu, et on connait dans l'art antérieur deux types de solutions pour tenter d'y remédier. [0011] D'une part, il est connu de créer une « zone morte » dans le radiateur à l'interface entre le faisceau de conduits correspondant au circuit basse température et le faisceau de conduits correspondant au circuit haute température. En pratique, cette zone morte correspond à un faisceau de conduit dans lequel aucun fluide ne circule, et qui isole en partie les circuits haute et basse pression l'un de l'autre. [0012] Cependant, si petite soit-elle, cette zone morte engendre une perte de performance du radiateur. Par exemple, dans un exemple correspondant à une application automobile classique, 3 tubes morts engendrent pour l'échangeur une perte de surface utile de l'ordre de 1,1 dm2 soit environ 5% de la surface initiale du radiateur. [0013] On connait également au travers de la demande de brevet français FR2727197 un procédé de refroidissement qui met en jeu un échangeur thermique unique pour deux circuits de refroidissement, qui présente deux variantes de circulation interne : la première ou dernière passe du circuit basse température est adjacente au faisceau haute température, ce qui limite le différentiel thermique maximal respectivement lorsque le thermostat ouvert ou fermé. [0014] Bien que toute la surface du radiateur soit utilisée, cette solution n'est pas optimale, car d'une part elle n'est efficace que pour des différentiels de température peu important, et, d'autre part, l'architecture en 3 passes du circuit basse température qu'elle propose pénalise la perte de charge, ce qui conduit à surdimensionner la pompe et à consommer plus d'énergie. [0015] La demanderesse a identifié des situations particulièrement critiques dans une application automobile hybride, où l'un et l'autre des circuits peut être alternativement le plus chaud. [0016] Tout d'abord, sur un point de fonctionnement du moteur fortement chargé à vitesse élevée correspondant par exemple à une situation de remorquage sur autoroute ou de roulage à vitesse maximale, on peut constater, par grand froid, et à l'ouverture du thermostat du circuit haute température, une température du liquide de refroidissement de 80°C dans le circuit haute température, présentant en outre un débit maximum, et une température du liquide de refroidissement de -30°C à débit nul, soit un différentiel de 110°C. [0017] En outre, les ouvertures et fermetures de thermostat, même moins nombreuses par grand froid, génèrent des chocs thermiques violents. Sur un roulage en mode électrique par 0°C, avec un moteur thermique froid, on peut constater un débit nul et une température de liquide de refroidissement de 0°C dans le circuit haute température, et un débit maximal et une température de 50°C dans le circuit basse température. [0018] Dans l'invention, on résout ces problèmes par un dessin particulier des boites à eau en entrée de l'échangeur, de façon à créer une zone de transition thermique, qui permet d'exploiter la totalité de la surface du radiateur. [0019] L'invention porte donc sur un ensemble comportant un échangeur thermique et un module d'entrée dans ledit échangeur, l'échangeur présentant des conduits débouchant dans le module d'entrée en strates parallèles, le module d'entrée comportant une première boîte d'entrée et une seconde boîte d'entrée, lesdites boîtes d'entrée étant séparées par une cloison commune, caractérisé en ce que la cloison commune est disposée de sorte qu'au moins une strate débouche pour partie dans la première boîte d'entrée et pour partie dans la seconde boîte d'entrée. Il est ainsi créé dans l'échangeur une zone de transition thermique progressive par la création de strates communes aux deux boites d'entrée. Dans le cas d'un échangeur sensiblement parallélépipédique présentant des conduits parallèles, au moins un conduit présentera (en entrée) une température comprise entre la température du fluide introduit dans la première boîte d'entrée et celle du fluide introduit dans la seconde boîte d'entrée. L'influence respective de la température et du débit des fluides entrant dans chacune des boîte d'entrée sur la température dans les strates débouchant pour partie dans la première boîte d'entrée et pour partie dans la seconde boîte d'entrée et assurant la transition thermique pourra être ajustée en adaptant la section d'entrée offerte au fluide de chacune des boîtes d'entrée dans ces strates. [0020] Dans la variante la plus simple de l'invention, dans laquelle une strate comporte un seul conduit débouchant, l'invention porte donc sur un ensemble comportant un échangeur thermique et un module d'entrée dans ledit échangeur, l'échangeur présentant des conduits débouchant dans le module d'entrée, le module d'entrée comportant une première boîte d'entrée et une seconde boîte d'entrée, lesdites boîtes d'entrée étant séparées par une cloison commune, caractérisé en ce que la cloison commune est disposée de sorte qu'au moins un conduit débouche pour partie dans la première boîte d'entrée et pour partie dans la seconde boîte d'entrée. [0021] De préférence, deux à quatre strates contigües débouchent pour partie dans la première boîte d'entrée et pour partie dans la seconde boîte d'entrée. La transition thermique est ainsi suffisamment progressive dans l'échangeur. [0022] De préférence, la cloison commune est orthogonale à la face latérale de l'échangeur. Cette configuration est la plus simple à mettre en oeuvre et à industrialiser. [0023] De préférence, la cloison commune est en contact avec la face latérale de l'échangeur sur laquelle débouchent les strates. On évite ainsi que les fluides ne se mélangent significativement dans les boîtes d'entrée, et on peut maitriser l'influence de la température et du débit de chaque fluide sur les zones de transition thermique. [0024] Dans une variante de l'invention, le contact entre la cloison commune et la face latérale de l'échangeur se fait au moins pour partie selon une portion droite s'étendant sur au moins deux strates. Cette configuration est la plus simple à mettre en oeuvre et à industrialiser. [0025] Dans une autre variante de l'invention, le contact se fait au moins pour partie selon une courbe en ogive s'étendant sur au moins deux strates. Une telle configuration assure un meilleur mélange des fluides issus de chacune des boîtes d'entrées dans les strates débouchant pour partie dans la première boîte d'entrée et pour partie dans la seconde boîte d'entrée et assurant la transition thermique. [0026] Dans une variante de l'invention, chaque tube présente une section oblongue et forme une strate en débouchant sur la face latérale de l'échangeur. C'est une solution facilement industrialisable, et compatible d'un mode de réalisation dans lequel le fluide entrant dans la première boîte d'entrée et le fluide entrant dans la seconde boîte d'entrée sont de même nature (seule leur température est potentiellement différente). Ainsi, le mélange d'une petite part de ces fluides dans la zone de transition thermique crée dans l'échangeur est sans conséquence néfaste. [0027] Dans une autre variante de l'invention, chaque strate débouchant pour partie dans la première boîte d'entrée et pour partie dans la seconde boîte d'entrée est formée de plusieurs conduits, chaque conduit débouchant respectivement dans l'une ou l'autre des boîtes d'entrées, de sorte à isoler étanchement au niveau de l'échangeur un fluide acheminé dans la première boîte d'entrée d'un fluide acheminé dans la seconde boîte d'entrée. Cette variante, plus complexe à mettre en oeuvre, permet la création d'une zone de transition thermique progressive dans l'échangeur. [0028] De préférence, l'ensemble comporte en outre un module de sortie comportant deux boîtes de sortie disposées en regard des boîtes d'entrées. Cela offre une certaine indépendance à chacun des circuits liés respectivement à la première boîte d'entrée et à la première boîte de sortie positionnée en regard de la première boîte d'entrée, et à la deuxième boîte d'entrée et à la deuxième boîte de sortie positionnée en regard de la deuxième boîte d'entrée. [0029] L'invention porte également sur un procédé de refroidissement des fluides de deux circuits mettant en jeu un ensemble selon l'invention, caractérisé en ce qu'on achemine des fluides de températures différentes dans chacune des boîtes d'entrée. C'est dans ce procédé que l'invention prend tout son sens, elle ce qu'elle permet le refroidissement de chacun des fluide sans mettre en péril la fiabilité de l'échangeur unique employé pour leur refroidissement. [0030] L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence aux figures représentant schématiquement le système dans son mode de réalisation préférentiel. [0031] La figure 1 présente schématiquement la face latérale d'un échangeur thermique et de son module d'entrée (ou boîte à eau), pour le refroidissement des fluides de deux circuits, présentant une zone morte, tel que connu dans l'art antérieur. [0032] La figure 2 présente schématiquement la face latérale d'un échangeur thermique et de son module d'entrée, pour le refroidissement des fluides de deux circuits, conforme à un premier mode de réalisation de l'invention. [0033] La figure 3 présente schématiquement une répartition thermique typique dans un ensemble selon une variante de l'invention. [0034] La figure 4 présente schématiquement la face latérale d'un échangeur thermique et de son module d'entrée, pour le refroidissement des fluides de deux circuits, conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention. [0035] La figure 5 présente schématiquement la face latérale d'un échangeur thermique et de son module d'entrée, pour le refroidissement des fluides de deux circuits, conforme à un troisième mode de réalisation de l'invention. [0036] Sur la figure 1 est représentée schématiquement une face latérale d'un échangeur thermique pour le refroidissement des fluides de deux circuits. Il s'agit en l'occurrence de la face par laquelle les fluides vont pénétrer dans l'échangeur. Dans une application automobile, cette face latérale est généralement positionnée sur l'un des côtés de l'échangeur, mais peut également être positionnée en partie haute ou en partie basse de celui-ci. L'échangeur ici représenté est conforme à un mode de réalisation connu dans l'art antérieur. Un module d'entrée 1, généralement appelé « boîte à eau » comporte une première boîte d'entrée 2 et une seconde boîte d'entrée 3. [0037] La première boîte d'entrée 2 répartit le fluide d'un circuit dit basse température dans un ensemble de canaux répartis en strates parallèles A,B et débouchant dans la première boîte d'entrée 2. La seconde boîte d'entrée 3 répartit le fluide d'un circuit dit haute température dans un ensemble de canaux répartis en strates parallèles F, G, et débouchant dans la seconde boîte d'entrée 3. Dans l'exemple ici représenté, les canaux présentent une forme oblongue et chaque canal constitue une strate à lui seul. [0038] Entre la première boîte d'entrée et la seconde boîte d'entrée, on crée une zone morte 4, c'est-à-dire une zone dans laquelle aucun fluide ne va circuler. Les conduits débouchant dans cette zone ne sont donc pas alimentés en fluide, et servent de zone d'isolation thermique entre les conduits du radiateur refroidissant le circuit basse température et le circuit haute température. Dans l'exemple ici représenté, la zone morte de l'échangeur comporte 3 conduits non employés pour le refroidissement des fluides, et débouchant en trois strates C,D, et E sur la face latérale de l'échangeur. La zone morte ainsi créée permet une transition thermique progressive dans l'échangeur entre la partie assurant le refroidissement du circuit basse température et la partie assurant le refroidissement du circuit haute température. [0039] La figure 2 présente schématiquement la face latérale d'un échangeur thermique et de son module d'entrée, pour le refroidissement des fluides de deux circuits, conforme à un premier mode de réalisation de l'invention. Comme dans l'art antérieur, une première boîte d'entrée 2 est destinée à l'entrée d'un premier fluide, une seconde boîte d'entrée 3 est destinée à l'entrée d'un second fluide. Dans l'invention, une cloison commune 5, transversale et commune à la première boîte d'entrée 2 et à la seconde boîte d'entrée 3, sépare les deux boîtes d'entrée. La face latérale de l'échangeur présente ici une forme allongée selon un axe principal, et, dans la variante ici représentée, les conduits de l'échangeur débouchent en strates sensiblement perpendiculaire à cet axe principal. Dans l'exemple ici représenté, la cloison commune 5 est orthogonale à la face latérale de l'échangeur, et est inclinée par rapport aux strates, de sorte que 3 strates, en l'occurrence les strates C, D et E, débouchent pour partie dans la première boîte d'entrée 2 et pour partie dans la seconde boîte d'entrée 3. [0040] Cet arrangement permet de créer une zone de transition thermique dans l'échangeur, entre les conduits destinés au refroidissement d'un premier circuit lié à la première boîte d'entrée 2 et les conduits destinés au refroidissement d'un second circuit lié à la première boîte d'entrée 2. La figure 3 présente schématiquement la répartition thermique dans l'échangeur présenté en figure 2, le long d'une section parallèle à la face latérale de l'échangeur, et située à proximité immédiate de cette dernière. En ordonnée du graphe est figurée la température dans l'échangeur, en abscisse la cote considérée le long de la face latérale de l'échangeur, conformément à la représentation de l'échangeur présente sous le graphe. [0041] Dans le cas de figure ici représenté, la première boîte à eau est alimentée par un premier fluide de température Ti la seconde boîte d'entrée 3 est alimentée par un second fluide de température T2. Les conduits débouchant dans la première boîte d'entrée 2 sont alimentés par le premier fluide de température Ti. Dans une première zone Z1 de l'échangeur correspondant aux conduits débouchant en strates dans la première boîte d'entrée 2, l'échangeur présente en entrée de ces conduits une température Ti. Cette première zone Z1 comprend notamment les conduits formant les strates A et B. [0042] Les conduits débouchant dans la seconde boîte d'entrée 3 sont alimentés par le second fluide de température T2. Dans une deuxième zone Z2 de l'échangeur correspondant aux conduits débouchant en strates dans la seconde boîte d'entrée 3, l'échangeur présente en entrée de ces conduits une température T2. Cette deuxième zone Z2 comprend notamment les conduits formant les strates F, G et H. [0043] Dans l'invention, on crée entre la première zone Z1 et la deuxième zone Z2 une zone de transition thermique Z3, sans créer de zone morte inemployée pour le refroidissement des fluides dans l'échangeur. Pour cela, les conduits situés dans cette zone (et formant les strates C, D et E en débouchant dans le module d'entrée 1) débouchent chacun en partie dans la première boîte d'entrée et pour partie dans la seconde boîte d'entrée 2. Dans la variante de l'invention ici représentée, la transition thermique est assurée grâce au mélange d'une part du premier fluide de température Ti à une part du second fluide de température T2, dans les conduits situés dans la zone de transition thermique Z3. On peut ainsi obtenir une transition thermique progressive, voire régulière, entre la première zone Z1 et la deuxième zone Z2. [0044] Dans une application automobile présentant un circuit haute température et un circuit basse température, la forme de la cloison commune 5, ou l'angle qu'elle forme avec les strates de la zone de transition, sera avantageusement adaptée pour régler la part de chaque strate débouchant dans la première et dans la seconde boîte d'entrée pour obtenir une transition thermique régulière en fonction des températures et débits dans le circuit haute température et dans le circuit basse température pour un point de fonctionnement donné jugé le plus critique en terme de différentiel de température dans l'échangeur thermique. [0045] Dans cette variante, le premier fluide et le second fluide doivent préférentiellement être de même nature, la seule différence étant leur température d'introduction dans l'échangeur. Ceci est notamment compatible d'une application automobile qui présente un circuit haute température et un circuit basse température, circuit dans lesquels le même fluide caloporteur est employé. [0046] Cela est d'ailleurs généralement le cas : dans les conceptions classiques, il a été jugé opportun de faire communiquer les mises en charge des circuits haute température et basse température, par une branche de liaison, de façon à ne faire qu'un remplissage en usine de montage et à n'avoir qu'un seul circuit de dégazage. Le fluide de refroidissement des circuits haute température et basse température est alors identique. [0047] En faisant communiquer localement le circuit basse température et le circuit haute température, cette variante de l'invention offre donc en outre l'avantage de pouvoir supprimer la branche de liaison permettant le remplissage commun et l'équilibrage en pression du circuit basse température et du circuit haute température. [0048] Dans la variante de l'invention présentée en figure 4, la cloison commune 5 présente une forme en ogive qui permet un meilleur mélange des fluides en provenance de la première boîte d'entrée 2 et de la seconde boîte d'entrée 3, dans les conduits de la zone de transition thermique Z3. [0049] Dans la variante de l'invention présentée en figure 5, les strates de conduits formant la zone de transition thermique Z3, sont constitués de tubes séparés, débouchant soit dans la première boîte d'entrée 2, soit dans la seconde boîte d'entrée 3. Cette variante, plus onéreuse et complexe à mettre en oeuvre, présente néanmoins l'avantage de séparer de manière étanche les circuits alimentant respectivement la première boîte d'entrée 2 et la seconde boîte d'entrée 3. On évite ainsi tout risque de circulation parasite entre les deux circuits, et en outre, il est possible d'utiliser des fluides de nature différente dans chacun des circuits. [0050] L'invention propose ainsi un dispositif offrant de multiples avantages. Elle permet, dans un échangeur thermique commun à deux circuits dont les fluides présentent des températures différentes, de créer une zone de transition thermique progressive entre deux zones de l'échangeur employées respectivement pour chacun des circuits. La zone de transition thermique progressive permet de résoudre la problématique des contraintes thermiques différentielles qui mettent en cause la fiabilité de l'échangeur. En outre, la zone de transition thermique est créée sans générer de zone « morte » dans le radiateur. Cela permet, à taille de radiateur équivalente, de gagner environ 5% de surface d'échange. [0051] Selon la variante de l'invention employée, il peut être possible de supprimer une branche de liaison entre les deux circuits considérés. [0052] L'invention offre enfin une légère baisse des pertes de charges dans les circuits de fluide caloporteurs, par l'augmentation de la section de passage offerte aux fluides dans l'échangeur thermique. Revendications: 1. Ensemble comportant un échangeur thermique et un module d'entrée (1) dans ledit échangeur, l'échangeur présentant des conduits débouchant dans le module d'entrée en strates parallèles, le module d'entrée (1) comportant une première boîte d'entrée (2) et une seconde boîte d'entrée (3), lesdites boîtes d'entrée étant séparées par une cloison commune (5), caractérisé en ce que la cloison commune (5) est disposée de sorte qu'au moins une strate débouche pour partie dans la première boîte d'entrée (2) et pour partie dans la seconde boîte d'entrée (3). 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que deux à quatre strates contigües débouchent pour partie dans la première boîte d'entrée (2) et pour partie dans la seconde boîte d'entrée (3). 3. Ensemble selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la cloison commune (5) est orthogonale à la face latérale de l'échangeur. 4. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cloison commune (5) est en contact avec la face latérale de l'échangeur sur laquelle débouchent les strates. 5. Ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce que le contact entre la cloison commune (5) et la face latérale de l'échangeur se fait au moins pour partie selon une portion droite s'étendant sur au moins deux strates. 6. Ensemble selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé en ce que le contact se fait au moins pour partie selon une courbe en ogive s'étendant sur au moins deux strates. 7. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque tube présente une section oblongue et forme une strate en débouchant sur la face latérale de l'échangeur. 8. Ensemble selon l'une quelconque des revendication 4 à 6, caractérisé en ce que chaque strate débouchant pour partie dans la première boîte d'entrée (2) et pour partie dans la seconde boîte d'entrée (3) est formée de plusieurs conduits, chaque conduit débouchant respectivement dans l'une ou l'autre des boîtes d'entrées, de sorte à isolerétanchement au niveau de l'échangeur un fluide acheminé dans la première boîte d'entrée d'un fluide acheminé dans la seconde boîte d'entrée. 9. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un module de sortie comportant deux boîtes de sortie 5 disposées en regard des boîtes d'entrées. 10. Procédé de refroidissement des fluides de deux circuits mettant en jeu un ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on achemine des fluides de températures différentes dans chacune des boîtes d'entrée (2,3). 10