Brevet FR2972523A1 — publié le 20120914

ECHANGEUR THERMIQUE OPTIMISE ET PROCEDE D'OBTENTION D'UN TEL ECHANGEUR [0001] L'invention porte sur le domaine technique des échangeurs thermiques du type air/air. Elle trouve son application préférentielle dans le domaine des systèmes de refroidissement de la boucle d'air de suralimentation d'un moteur thermique. [0002] L'optimisation du remplissage en air d'un moteur thermique, tant dans le cadre d'un moteur de type diesel que d'un moteur à allumage commandé, pour améliorer sa performance est réalisée majoritairement par un système de suralimentation de ce fluide au moyen d'un turbo-compresseur, qui a pour effet d'augmenter sa densité par accroissement de la pression (ce qui est l'effet physique recherché), mais avec comme effet corollaire une élévation de sa température (ce qui constitue un effet physique indésirable). [0003] Afin d'abaisser la température de l'air suralimenté à l'admission du moteur, il est connu d'employer un échangeur thermique généralement désigné par l'expression « Refroidisseur d'Air de Suralimentation » ou plus simplement par l'acronyme RAS. On vise l'obtention de la densité du fluide maximale pour un air à haute pression et faible température. La perte de charge d'un tel échangeur doit en outre être la plus faible possible, afin de conserver l'effet désiré d'une grande pression tout en garantissant une réduction de l'effet indésiré d'une haute température. [0004] Le RAS peut donc être placé dans le circuit d'admission d'air du moteur, entre la sortie du système de suralimentation et la vanne de dosage d'entrée d'air dans le plénum du collecteur d'admission moteur. [0005] La construction interne de cet échangeur ou RAS est réalisée à partir de trois constituants principaux :un faisceau de refroidissement en matériau conducteur thermique, une boîte d'entrée d'air, et une boîte de sortie d'air. [0006] Le faisceau est généralement réalisé en alliage conducteur, typiquement en aluminium. Ce faisceau assure la fonction principale de service du composant, c'est-à-dire de transfert thermique des calories de l'air de suralimentation moteur vers l'air ambiant externe. Ce faisceau se décompose en tubes à l'intérieur desquels circule l'air de suralimentation pour le moteur, et dans lesquels peuvent être insérés des dispositifs d'amélioration de l'échange thermique par création de turbulence du fluide (phénomène favorable à un transfert par convection forcée amélioré); ces dispositifs sont appelés turbulateurs ou ailettes internes. [0007] De façon complémentaire le faisceau est doté d'ailettes externes qui assurent la continuité du transport thermique vers l'air externe ambiant, circulant autour du RAS par la dynamique du véhicule équipé du RAS et/ou sous l'effet d'un ventilateur additionnel. [0008] Ces trois éléments (tube, turbulateurs et ailettes externes) sont assemblés avec le maximum de cohésion généralement par brasage. [0009] La qualité du transfert thermique est intimement liée aux paramètres suivants : - Les surfaces d'échange (internes comme externes au faisceau), maximisées par l'emploi de géométries présentant des formes ondulées et optimisées. - Les coefficients d'échanges convectifs, essentiellement améliorés par la création d'un écoulement turbulent (transfert thermique maximisé), celui-ci étant favorisé à la fois par la réduction des diamètres hydrauliques des ensembles tubes /ailettes / turbulateurs et par la création d'éléments perturbants l'écoulement. - Les débits massiques des fluides chauds et froids, mis en ceuvre dans le transfert thermique, qui peuvent être augmentés par une amélioration de la perméabilité aérauliques des constituants diminuant les forces de trainées et favorisant les vitesses d'écoulement. [0010] Dans un tel échangeur, une boîte à air d'entrée assure la collecte et la distribution de l'air de suralimentation dans le faisceau amené à l'entrée du RAS par une durit par exemple emmanchée sur une tubulure d'admission de cette boîte. Elle assure de façon additionnelle des fonctions d'intégration du RAS dans l'environnement véhicule par des pions et pattes de fixations adéquats. [0011] La boîte à air de sortie assure une fonction symétrique de celle de la boite d'entrée, par la collecte de l'air de suralimentation du faisceau et sa distribution vers la tubulure de sortie en communication étanche avec une durit d'admission vers le moteur. [0012] L'optimisation d'un refroidisseur d'air de suralimentation passe donc à la fois par la maximisation de la surface d'échange offerte aux deux fluides, la maximisation de la qualité de l'échange thermique par la favorisation de la turbulence, tout en garantissant la perméabilité aéraulique la plus grande possible, afin de réduire la composante de perte de charge inutile, c'est-à-dire la perte de charge générée sans grand bénéfice sur les échanges thermique. [0013] En effet, lors de la conception d'un échangeur, on définit une allocation de perte de charge aéraulique aussi bien interne qu'externe propre à chaque application visée, et il convient pour le concepteur de privilégier la consommation maximale de cette perte de charge en composante utile c'est-dire-directement impliquée dans l'échange thermique, en limitant sa composante « inutile », c'est-à-dire non directement affectée à l'efficacité du transfert de calorie (car la maximisation de l'échange thermique est nécessairement associé à une création de perte de charge). [0014] L'invention vise à proposer un échangeur optimisé vis-à-vis de ces différentes contraintes, ainsi que son procédé de fabrication. [0015] Appliqué en tant que refroidisseur d'air de suralimentation d'un moteur à combustion, on tend à améliorer sa performance aussi bien pour les situations d'utilisation correspondant aux faibles charges moteur/ faibles vitesses véhicules, que pour les situations de vie pleine charge/ hautes vitesses caractéristiques d'un usage à puissance maximale du moteur. [0016] L'invention porte donc sur un échangeur thermique du type air/air comportant un faisceau de tubes pour la circulation d'un gaz, caractérisé en ce que chaque tube présente un profil creux divisé en trois conduits longitudinaux contigus, à savoir un premier conduit d'extrémité, un conduit central, et un second conduit d'extrémité. [0017] De préférence, le premier et le second conduit d'extrémité présentent la même section de passage. [0018] De préférence, le conduit central présente une section de passage supérieure à celle des premier et second conduits d'extrémité. [0019] De préférence, Ile profil creux est oblong. [0020] Ces caractéristiques offrent, individuellement ou en combinaison, de nombreux avantages. Une section oblongue permet, par la réduction de la hauteur des tubes, de limiter la surface frontale des tubes et d'en réduire ainsi la trainée aérodynamique. En effet, la réduction de la hauteur de tube permet d'offrir une surface frontale moindre, ce qui réduit la résistance aérodynamique offerte à l'air externe. [0021] On emploie de préférence des hauteurs de tube comprises entre 4 et 5,5 mm, pour des applications automobiles de l'échangeur en tant que refroidisseur d'air de suralimentation. Par ailleurs, on assure la séparation de la section de passage interne de l'échangeur en plusieurs conduits, en l'occurrence trois conduits. Les conduits d'extrémité présentent chacun un diamètre hydraulique plus petit que le conduit central. Ces caractéristiques permettent l'obtention de tubes à section de passage et diamètres hydrauliques réduits pour favoriser la turbulence dès les bas débits et garantir dans ces plages de fonctionnement un échange thermique maximal. [0022] Le scindage du mono-canal interne classiquement employé dans les tubes des échangeurs en trois conduits offre également une meilleure fiabilité à l'échangeur, les conduits d'extrémité constituant une barrière supplémentaire de protection du canal principal, lieux de circulation majoritaire du fluide interne. [0023] Les inconvénients de l'emploi de diamètres hydrauliques réduits sont compensés par la multiplication du nombre de tubes, grâce à une réduction du pas inter-tube de 4 à 6 mm pour un échangeur de refroidissement d'air de suralimentation d'un moteur à combustion automobile. Ceci permet de conserver une surface d'échange globale des tubes importante, tout en réduisant la perte de charge interne de l'échangeur (qui serait consécutive à la seule diminution de la section de passage unitaire de chaque tube sans compensation par l'augmentation de leur nombre). [0024] De préférence, les conduits d'extrémité sont sensiblement semi-cylindriques. [0025] Cette caractéristique a pour effet de réduire le coefficient de traînée donc la perte de charge aéraulique externe par rapport à un échangeur à tubes à profil prismatique. Cela favorise la captation d'air externe et l'arrosage de l'échangeur, avec pour corollaire visé une augmentation de l'échange thermique pour toutes les vitesses de flux d'air arrosant extérieurement l'échangeur. Dans une application automobile de l'invention, cela augmente l'efficacité de l'échangeur tant à hautes vitesses qu'à basses vitesses. [0026] D'autres profils aérodynamiques peuvent être employés pour garantir cette fonction de limitation de la trainée aérodynamique. En effet, les connaissances théoriques sur les efforts de traînée aérodynamiques pour un corps plongé dans un écoulement d'air, montrent un gain conséquent entre un profil prismatique, appliqué majoritairement sur les échangeurs thermiques, et un profil aux bords d'attaques et fuites semi-cylindriques. [0027] L'adoption d'un profil semi-cylindrique permet de diviser par 2 environ l'effort de trainée généré par un tube de l'échangeur. [0028] De préférence, le canal central est de section rectangulaire et contient des moyens turbulateurs. [0029] De préférence, la paroi externe d'un canal d'extrémité présente des déformations aptes à faire passer un flux gazeux laminaire circulant dans le canal considéré en régime turbulent à proximité de ladite déformation. [0030] Un flux gazeux turbulent dans les conduits augmente les échanges thermiques avec les parois les conduits. [0031] De préférence, les déformations présentent un profil fractal, dans un plan de coupe orthogonal au canal d'extrémité. Ce type de profil est optimal pour générer des turbulences importante, même lorsque le flux circulant dans l'échangeur est faible. [0032] En outre et de préférence, les déformations sont réparties le long de la paroi du canal selon une loi de répartition chaotique. Une telle répartition permet la génération d'un flux turbulent particulièrement efficace pour ce qui est de favoriser les échanges thermiques. [0033] De préférence, les déformations sont symétriques selon un plan médian transversal de chaque tube. Une telle forme et/ou une telle répartition symétrique permet de ne pas excessivement augmenter la trainée aéraulique externe des tubes de l'échangeur, et donc de l'échangeur. [0034] De préférence, chaque tube de l'échangeur est constitué d'une unique feuille métallique mise en forme de sorte à former les trois canaux longitudinaux contigus. L'emploi d'une feuille unique mise en forme de manière à constituer un tube pour la constitution d'un échangeur selon l'invention permet l'obtention d'un tel échangeur pour un coût faible. [0035] L'ivention porte également sur un procédé d'obtention d'un échangeur selon l'invention, dans lequel chaque tube est obtenu par pliage et/ou emboutissage de la feuille métallique unique. L'emploi de tels modes de réalisation est peu onéreux, et fait appel à des processus industriels maitrisés et adaptés à la production en grande série. [0036] Dans une autre variante de procédé selon l'invention, chaque tube est obtenu par extrusion. [0037] Dans une variante de l'invention, on réalise une étape de moletage des parois des conduits d'extrémité pour l'obtention de déformations aptes à faire passer un flux gazeux laminaire circulant dans le canal considéré en régime turbulent à proximité de ladite déformation. [0038] L'ivention porte enfin sur un moteur à combustion suralimenté comportant un échangeur selon l'invention en tant que refroidisseur d'air de suralimentation. [0039] L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence aux figures représentant schématiquement le système dans son mode de réalisation préférentiel. [0040] La figure 1 présente une vue de détail d'un faisceau d'un échangeur thermique tel que connu dans l'état de la technique. [0041] La figure 2 présente une vue schématique en 3 dimensions d'une courte portion longitudinale d'un tube entrant dans la composition d'un échangeur conforme à une variante préférentielle de l'invention. [0042] La figure 3 présente une vue schématique en 3 dimensions d'une portion longitudinale d'un tube entrant dans la composition d'un échangeur conforme à une variante préférentielle de l'invention. [0043] La figure 4 présente un exemple de motif fractal pouvant être employé pour générer des turbulences dans les conduits d'extrémité des tubes d'un échangeur selon une variante préférentielle de l'invention. [0044] La figure 5 présente schématiquement la répartition symétrique de moyen de génération de turbulence dans un échangeur conforme à une variante préférentielle de l'invention. [0045] La figure 6 présente schématiquement en coupe le profil d'un tube d'un échangeur conforme à une variante préférentielle de l'invention, tel qu'il peut être obtenu par pliage d'une feuille unique. [0046] Tel que présenté en figure 1, un échangeur de type air/air présente un faisceau, comportant une succession de tubes 1. Les tubes 1 sont séparés par des ailettes 2 favorisant les turbulences du flux gazeux entre les tubes. Chaque tube 1 comporte également des ailettes ou autres moyens turbulateurs 3 internes, afin de générer un flux turbulent dans le tube 1. [0047] La figure 2 présente schématiquement une vue en 3 dimensions schématique d'une courte portion longitudinale d'un tube 1 entrant dans la composition d'un échangeur conforme à une variante préférentielle de l'invention. Dans l'invention, le tube 1 présente un profil creux divisé en trois conduits longitudinaux contigus, à savoir un premier conduit d'extrémité 41, un conduit central 5, et un second conduit d'extrémité 42. [0048] Dans la variante préférentielle de l'invention ici représentée, le tube 1 présente une section oblongue. Sa section peut notamment présenter une hauteur de 4 à 7mm et une longueur de 50 à 80mm, pour une application dans le cadre d'un refroidisseur d'air de suralimentation du moteur d'un véhicule automobile. [0049] Le conduit central 5 présente une section rectangulaire, et, en outre, est doté de moyens turbulateurs 3. Il peut s'agir d'une série d'ailette, selon des arrangements connus dans l'art antérieur, et classiquement employés et commercialisée. [0050] Les conduits d'extrémité 41, 42 présentent une section sensiblement semicylindrique. Les parois externes des conduits d'extrémité (c'est-à-dire les parois en contact avec l'extérieur du tube 1 et non les parois séparant les conduits d'extrémité du conduit central 5) présentent également dans cette variante de l'invention des déformations 6 aptes à générer un flux turbulent dans les conduits d'extrémité. [0051] Tel que présenté en figure 3, les déformations 6 sont réparties le long de la paroi extérieure d'un ou des conduits d'extrémité. [0052] La répartition des déformations peut suivre une loi chaotique (dans variante non représentée) de sorte à augmenter l'efficacité des turbulences quant aux échanges thermiques. [0053] Les déformations 6 peuvent présenter une section fractale, notamment du type présenté en figure 4. [0054] Les déformations 6 peuvent par exemple être obtenues par une opération de moletage des parois des conduits d'extrémité. [0055] Dans la variante préférentielle de l'invention, et tel que présenté en figure 5, les déformations 6 sont réparties de manière symétrique selon un plan médian longitudinal du tube 1. Cela permet de limiter la perte de charge aéraulique externe du tube 1. [0056] De même, dans un échangeur selon l'invention, afin de limiter la trainée aéraulique de l'échangeur, on peut optimiser les ailettes positionnées entre les tubes. On peut notamment adopter un enchainement des ailettes en persiennes qui garantit une alternance équilibrée des séquences de circulations du flux. [0057] La figure 6 présente schématiquement en coupe le profil d'un tube d'un échangeur conforme à une variante préférentielle de l'invention, tel qu'il peut être obtenu par pliage d'une feuille unique. Bien évidemment, la vue est uniquement schématique et vise à expliquer le pliage mis en jeu. Les différents plis permettent l'obtention de feuilles jointives. [0058] L'invention propose ainsi un dispositif offrant de multiples avantages. [0059] L'invention offre une performance intrinsèque accrue de l'échangeur par augmentation de la qualité de l'échange thermique. Ceci est permis par la réduction du diamètre hydraulique qui permet de favoriser les turbulences dès les bas débits, combinée à une augmentation de la perméabilité aérodynamique privilégiant un arrosage augmenté du faisceau de l'échangeur par l'air externe. [0060] L'invention permet également d'augmenter la fiabilité d'un échangeur vis-à-vis des pertes d'étanchéité consécutives aux agressions externes inévitables des tubes (choc gravillons, lavage répétés en hautes pressions) dans le cadre d'un utilisation automobile de l'échangeur. [0061] L'invention offre également des avantages économiques par le biais d'une performance intrinsèque accrue de l'échangeur à volume d'encombrement donné, permettant d'éviter de recourir à une classe de dimensionnement supérieure. L'invention offre aussi des avantages économiques grâce à une architecture des tubes compatible d'un procédé de fabrication classique de pliage (évitant le surcoût d'un procédé de filage/ extrusion). [0062] L'invention offre aussi un potentiel de gain de masse, par un dimensionnement moindre de l'échangeur pour un niveau de performance donné. REVENDICATIONS: 1. Echangeur thermique du type air/air comportant un faisceau de tubes (1) pour la circulation d'un gaz, caractérisé en ce que chaque tube (1) présente un profil creux divisé en trois conduits longitudinaux contigus, à savoir un premier conduit d'extrémité (41) , un conduit central (5), et un second conduit d'extrémité (42). 2. Echangeur selon la revendication 1, dans lequel le premier conduit d'extrémité (41) et le second conduit d'extrémité (42) présentent la même section de passage. 3. Echangeur selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le conduit central (5) présente une section de passage supérieure à celle des premier et second conduits d'extrémité (41, 42). 4. Echangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le profil creux est oblong. 5. Echangeur selon la revendication 4, dans lequel les conduits d'extrémités (41, 42) sont sensiblement semi-cylindriques. 6. Echangeur selon la revendication 4 ou la revendication 5, dans lequel le conduit central (5) est de section rectangulaire et contient des moyens turbulateurs (3). 7. Echangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la paroi externe d'un conduit d'extrémité présente des déformations (6) aptes à faire passer un flux gazeux laminaire circulant dans le conduit considéré en régime turbulent à proximité de ladite déformation (6). 8. Echangeur selon la revendication 7, dans lequel les déformations (6) présentent un profil fractal, dans un plan de coupe orthogonal au conduit d'extrémité. 9. Echangeur selon la revendication 7 ou la revendication 8, dans lequel les déformations (6) sont réparties le long de la paroi du conduit selon une loi de répartition chaotique. 10. Echangeur selon l'une des revendications 7 à 9, dans lequel les déformations sont symétriques selon un plan médian transversal de chaque tube. 11. Echangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque tube (1) est constitué d'une unique feuille métallique mise en forme de sorte à former les trois canaux (41, 5, 42) longitudinaux contigus. 12. Procédé d'obtention d'un échangeur selon la revendication 11, caractérisé en ce que chaque tube (1) est obtenu par pliage et/ou emboutissage d'une feuille métallique unique. 13. Procédé d'obtention d'un échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que chaque tube (1) est obtenu par extrusion. 14. Procédé selon la revendication 12 ou la revendication 13 caractérisé par une étape de moletage des parois des conduits d'extrémité (41, 42) pour l'obtention de déformations (6) aptes à faire passer un flux gazeux laminaire circulant dans le canal considéré en régime turbulent à proximité de ladite déformation (6). 15. Moteur à combustion suralimenté comportant un échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 en tant que refroidisseur d'air de suralimentation.15