Brevet FR2980260A1 — publié le 20130322

La présente invention concerne un évaporateur, notamment pour un circuit de climatisation de véhicule automobile. En particulier, l'invention se rapporte aux évaporateurs formés de plusieurs nappes disposées selon des plans parallèles. Par la demande de brevet FR-2920045 (dont la Demanderesse est titu- laire), on connaît déjà un tel évaporateur multi-nappes qui comprend : trois nappes deux à deux adjacentes - respectivement désignées nappes amont, intermédiaire et aval du fait de leur agencement par rapport au sens d'écoulement du flux d'air - qui s'étendent selon des plans parallèles, cha- que nappe étant formée d'une pluralité de canaux parallèles parcourus par un fluide réfrigérant à évaporer, de manière à refroidir un flux d'air traversant successivement lesdites nappes amont, intermédiaire et aval selon une direction incidente dirigée sensiblement orthogonalement aux plans des nappes. Les nappes intermédiaire et aval forment un coeur d'évaporateur. La nappe amont est quant à elle apte à assurer une sur- chauffe du fluide réfrigérant après sa traversée du coeur d'évaporateur ; et des moyens répartiteurs de fluide disposés au deux extrémités des nappes pour assurer la distribution et la collecte du fluide réfrigérant dans les différents canaux de chacune des nappes. Les canaux sont réalisés soit à partir de plaques individuelles d'échange de chaleur reliées les unes aux autres de manière à définir une circulation du fluide désirée, soit à partir de tubes individuels réunis à leurs deux extrémités par des boîtes collectrices dont la structure interne détermine les différentes passes de circulation du fluide réfrigérant, par exemple grâce à des cloisons intermédiaires prévues dans ces boîtes et isolant des sous- groupes de canaux d'une nappe. Par « passe de circulation », on entend le parcours du fluide réfrigérant dans un canal d'une nappe. Les moyens répartiteurs (configuration des plaques ou cloisonnement interne des boîtes collectrices) peuvent être conçus pour permettre une circu- lation en plusieurs passes avec inversions de sens d'une passe à la suivante. Le flux d'air incident à refroidir, en traversant les intervalles entre les canaux des nappes, cède de la chaleur au fluide réfrigérant, qui passe de l'état liquide à l'état gazeux. Le flux d'air ainsi refroidi peut être utilisé pour la climatisation de l'habitacle d'un véhicule automobile. Par ailleurs, il est connu que, pour optimiser le rendement thermique et les performances de refroidissement de tels évaporateurs, il est indispensable de maximiser l'écart de température entre l'air incident et l'air refroidi en sortie de l'évaporateur tout en conservant une bonne homogénéité de température sur l'ensemble des régions (droite/gauche, haut/bas) de celui-ci. Cela implique de maîtriser le processus d'évaporation, notamment du point de vue de la ré- partition du débit de fluide réfrigérant dans les canaux et celle des pertes de charge au sein des diverses régions de l'évaporateur. Une bonne répartition sera notamment assurée si la différence de perte charge entre l'entrée et la sortie de l'évaporateur, en passant par chaque canal, est maintenue à un ni- veau relativement faible. La présente invention a pour objet d'améliorer le rendement thermique et les performances de refroidissement des évaporateurs précités en maximisant l'écart de température entre l'air incident et l'air sortant refroidi. A cette fin, selon l'invention, l'évaporateur, notamment pour un circuit de climatisation de véhicule automobile, comportant au moins trois nappes, respectivement amont, intermédiaire et aval, s'étendant selon des plans parallèles, chaque nappe étant formée d'une pluralité de canaux dans lesquels est destiné à circuler, selon une circulation prédéfinie, un fluide réfrigérant à évaporer pour refroidir un flux d'air traversant successivement lesdites nappes amont, intermédiaire et aval, est remarquable : - par le fait que le fluide réfrigérant entre dans l'évaporateur par la nappe intermédiaire et sort de celui-ci par la nappe amont, après avoir traversé la nappe aval ; et - par le fait que l'évaporateur comporte des moyens pour introduire une perte de charge entre la sortie de la nappe intermédiaire et l'entrée de la nappe aval. Ainsi, grâce à l'invention, on réalise une détente du fluide réfrigérant par la perte de charge supplémentaire localisée entre la nappe intermédiaire et la nappe aval, ce qui permet d'abaisser la température du fluide réfrigérant circulant dans la nappe aval. La variation de température entre l'air incident et l'air sortant de l'évaporateur est donc augmentée par rapport aux évaporateurs connus mentionnés ci-dessus. Le mérite de la Demanderesse a donc été d'introduire volontairement, à un endroit prédéfini et localisé, une perte de charge qui soit homogène pour l'ensemble des canaux sans dégradation des performances de l'évaporateur. Ce faisant, elle est allée à l'encontre des préjugés de l'homme du métier, lequel s'attache, pour optimiser les performances de refroidissement, à réduire 15 ou à supprimer au maximum les pertes de charge au sein des évaporateurs. Par ailleurs, l'installation des moyens pour introduire une perte de charge offre l'avantage de générer une meilleur diffusion du fluide réfrigérant dans la boîte d'alimentation de la nappe, ainsi que dans la nappe elle-même. L'évaporateur présente alors une meilleur homogénéité de température sur sa 20 surface traversé par l'air. Avantageusement, la perte de charge obtenue par les moyens d'introduction d'une perte de charge est comprise entre 0,5 bar et 1 bar. La différence de pression du fluide réfrigérant entre l'entrée et la sortie des moyens d'introduction d'une perte de charge est négative, ce qui permet de 25 réaliser la détente souhaitée du fluide réfrigérant, susceptible d'entraîner un refroidissement de ce dernier. De préférence, les moyens d'introduction d'une perte de charge sont formés par au moins un canal d'extrémité de la nappe aval par lequel transite le fluide réfrigérant après avoir traversé la nappe intermédiaire. Dans ce cas, 30 les moyens d'introduction de perte de charge sont intégrés à la nappe aval. Dans un mode de réalisation conforme à la présente invention, les canaux de chacune des nappes sont formés de tubes individuels réunis à leurs deux extrémités par une première et une seconde boîtes collectrices comprenant des moyens pour répartir le fluide réfrigérant dans lesdites nappes et pour assurer la circulation prédéfinie du fluide réfrigérant dans les différents tubes ; et lesdites boîtes collectrices sont configurées pour faire circuler l'ensemble du fluide réfrigérant, ayant traversé la nappe intermédiaire, dans le canal d'extrémité de la nappe aval, introduisant la perte de charge, pour qu'il délivre le fluide réfrigérant dans ladite nappe aval. En variante, les moyens d'introduction d'une perte de charge peuvent se présenter sous la forme d'au moins un tube externe, de section prédéterminée, qui relie la nappe intermédiaire à la nappe aval, de telle façon que le fluide réfrigérant, après avoir traversé la nappe intermédiaire, soit délivré dans la nappe aval. La section du tube externe est avantageusement choisie de manière à obtenir une perte de charge comprise entre 0,5 bar et 1 bar. Par ailleurs, l'entrée et la sortie du fluide réfrigérant de l'évaporateur peuvent être effectuées au niveau d'une même face latérale de l'évaporateur. En outre, l'évaporateur peut comprendre un raccord, intégré ou rapporté, permettant le transfert du fluide réfrigérant de la nappe aval vers la nappe amont, traversée la première par l'air à refroidir. La présente invention concerne également un boîtier d'une installation de ventilation, chauffage et/ou climatisation, notamment d'un habitacle de véhicule automobile, comprenant un évaporateur tel que mentionné ci-dessus. De plus, l'invention concerne encore un circuit de climatisation à l'intérieur duquel circule un fluide réfrigérant, comprenant au moins un com- presseur, un échangeur de chaleur extérieur, un évaporateur du type de celui décrit précédemment et, optionnellement, un échangeur de chaleur intérieur. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques dési30 gnent des éléments semblables. La figure 1 est une vue schématique en perspective d'un évaporateur conforme à la présente invention. La figure 2 est une vue schématique du dessus de l'évaporateur de la figure 1, sur laquelle est symbolisée la circulation du fluide réfrigérant dans les trois nappes de l'évaporateur. La figure 3 illustre, de façon schématique, la circulation du fluide réfrigérant dans les trois nappes de l'évaporateur des figures 1 et 2, représentées dans une vue éclatée en perspective. Sur les figures 1 et 2, on a représenté, schématiquement, un exemple de réalisation d'un évaporateur 1, conforme à la présente invention. Dans une application particulière (mais non limitative) de la présente invention, l'évaporateur 1 est intégré dans un circuit de climatisation de véhicule automobile (non représenté sur les figures) fonctionnant au moins dans un mode pompe à chaleur, l'évaporateur étant disposé dans un boîtier de l'installation de ventilation, chauffage et/ou climatisation du véhicule (non re- présenté). Comme le montrent ces figures, l'évaporateur 1, qui s'étend sur une largeur I selon une direction longitudinale x, sur une profondeur p selon une direction transversale y et sur une hauteur h selon une direction verticale z, comprend trois nappes, respectivement amont 2, intermédiaire 3 et aval 4, qui s'étendent selon des plans parallèles au plan (x,z) et dans lesquelles est destiné à circuler, selon une circulation prédéfinie (détaillée par la suite), un fluide réfrigérant à évaporer pour refroidir un flux d'air (symbolisé par la flèche A) traversant successivement les nappes amont 2, intermédiaire 3 et aval 4. Au- trement dit, les nappes amont, intermédiaire et aval sont disposées les unes derrière les autres selon la direction y. Chaque nappe 2, 3, 4 est formée d'une pluralité de tubes longitudinaux 5 - s'étendant suivant la direction verticale z et régulièrement répartis selon la direction longitudinale y - à l'intérieur desquels peut transiter le fluide réfrigé- rant. Selon l'invention, le fluide réfrigérant entre dans l'évaporateur 1, au niveau d'une face latérale d'entrée/sortie F1, par la nappe intermédiaire 3 et sort de celui-ci par la nappe amont 2, après avoir traversé la nappe aval 4. La nappe amont 2 est une nappe de réchauffage du fluide réfrigérant après l'évaporation de celui-ci au cours de la traversée des nappes intermédiaire 3 et aval 4. L'évaporateur 1 comprend également deux boîtes collectrices respectivement inférieure 6 et supérieure 7 - de forme allongée selon la direction longitudinale x - à l'intérieur desquelles débouchent les tubes 5 de chacune des- dites nappes 2, 3, 4. Les deux extrémités longitudinales des tubes 5 sont donc reçues respectivement dans la boîte collectrice inférieure 6 et dans la boîte collectrice supérieure 7. Les boîtes collectrices inférieure 6 et supérieure 7 sont configurées pour définir un trajet du fluide réfrigérant dans les trois nappes 2, 3, 4 entre une entrée et une sortie de fluide (symbolisées par les flèches E et S). L'invention couvre la disposition de l'entrée et de la sortie de fluide réfrigérant à une même extrémité de l'évaporateur, mais elle couvre également le cas où l'entrée de fluide réfrigérant est placée à une première extrémité de l'évaporateur et la sortie de fluide réfrigérant est placée à une deuxième ex- trémité de l'évaporateur par rapport aux nappes. En particulier, les boîtes collectrices inférieure 6 et supérieure 7 peuvent comporter chacune une plaque de fond (non représentée) et un couvercle 6A, 7A rapporté sur cette dernière. La plaque de fond et le couvercle 6A, 7A de chacune des boîtes collectrices 6 et 7 présentent une forme rectangu- laire et s'étendent, en longueur, selon la direction longitudinale x et, en lar- geur, selon la direction transversale y. Chaque plaque de fond, formée en matériau métallique, comporte une face plane de contact - sur laquelle est monté le couvercle correspondant 6A, 7A - qui est percée d'une pluralité d'orifices traversants répartis selon une première et une seconde rangées parallèles s'étendant suivant la direction longitudinale x. La section des orifices correspond à la section transversale externe des tubes 5, de sorte que l'extrémité longitudinale de chacun des tubes 5 puisse traverser, au moins en partie, l'orifice correspondant de la plaque de fond. En outre, le couvercle 7A de la boîte collectrice supérieure 7 (désigné couvercle supérieur) présente trois évidements longitudinaux 7B - parallèles les uns aux autres - qui s'étendent dans la direction longitudinale x. Les trois évidements longitudinaux 7B peuvent présenter une section transversale de forme semi-circulaire et peuvent être réalisés par emboutissage d'une plaque de métal qui, une fois emboutie, forme le couvercle 7A de la boîte collectrice supérieure 7. Les trois évidements 7B du couvercle supérieur 7A sont séparés les uns des autres par des cloisons longitudinales de séparation (non représentées). Ainsi, lorsque le couvercle supérieur 7A est solidarisé à la plaque de fond correspondante, les trois évidements longitudinaux 7B sont indépendants les uns des autres et définissent trois compartiments supérieurs amont, inter- médiaire et aval, dans lesquels débouchent respectivement les extrémités longitudinales supérieures des tubes 5 des nappes amont 2, intermédiaire 3 et aval 4. Les compartiments supérieurs de la boîte collectrice supérieure 7 sont dépourvus de communication fluidique entre eux. Une des extrémités longitudinales du compartiment supérieur intermé- diaire forme l'entrée E du fluide réfrigérant dans l'évaporateur 1, alors qu'une des extrémités longitudinales du compartiment supérieur amont définit la sortie S du fluide réfrigérant de l'évaporateur 1. De façon semblable, le couvercle 6A de la boîte collectrice inférieure 6 (désigné couvercle inférieur) comporte trois évidements longitudinaux, parallè- les les uns aux autres et s'étendant dans la direction longitudinale x. Les trois évidements du couvercle inférieur 6A sont séparés les uns des autres par des cloisons longitudinales de séparation. Ainsi, lorsque le couvercle inférieur 6A est solidarisé à la plaque de fond correspondante, les trois évidements longitudinaux définissent trois compartiments inférieurs amont, intermédiaire et aval, dans lesquels débouchent respectivement les extrémités longitudinales inférieures des tubes 5 des nappes amont 2, intermédiaire 3 et aval 4. Il n'existe pas de communication entre les compartiments inférieurs amont et intermédiaire. En revanche, les compartiments inférieurs intermé- diaire et aval sont mis en communication l'un avec l'autre à leur extrémité lon- gitudinale agencée dans un voisinage de la face latérale F2 de l'évaporateur 1 opposée à la face d'entrée/sortie F1. En outre, les compartiments inférieurs amont et aval communiquent l'un avec l'autre, par l'intermédiaire d'un raccord 8, à leur extrémité longitudinale située dans la face latérale d'entrée/sortie F1. Par ailleurs, comme le montrent les figures 1 et 2, l'évaporateur 1 conforme à l'invention comporte des moyens pour introduire une perte de charge - comprise entre 0,5 bar et 1 bar - entre la sortie de la nappe intermédiaire 3 et l'entrée de la nappe aval 4. Dans l'exemple de réalisation des figures 1 et 2, les moyens d'introduction d'une perte de charge sont formés par un tube 5E disposé à l'extrémité longitudinale de la nappe aval 4 - au voisinage de la face F1 - par lequel transite le fluide réfrigérant après avoir traversé la nappe intermédiaire 3. Il est à noter que, dans une variante (non représentée), les moyens d'introduction d'une perte de charge peuvent être formés d'au moins deux tubes d'extrémité adjacents de la nappe aval 4. Dans une autre variante (également non représentée), les moyens d'introduction d'une perte de charge pourraient être formés par un ou plusieurs tubes externes, de faible section, reliant la nappe intermédiaire à la nappe aval, de telle façon que le fluide réfri- gérant, après avoir traversé la nappe intermédiaire, soit délivré dans la nappe aval. Par convention, sur les figures 1 et 2, le point encerclé et la croix encerclée symbolisent, respectivement, l'avant et l'arrière d'une flèche représentant l'écoulement du fluide réfrigérant dans les tubes 5. Autrement dit, sur la figure 2, un point encerclé (respectivement une croix encerclée) indique une circulation du fluide de bas en haut (respectivement de haut en bas). Comme le montrent les figures 1 à 3, le fluide réfrigérant, arrivant par l'entrée E de la boîte collectrice supérieure 7, est dirigé, le long de l'axe longitudinal x, par le compartiment intermédiaire supérieur vers chacun des tubes 5 de la nappe intermédiaire 3, afin qu'il puisse les traverser de haut en bas (les flèches 9 en trait plein représentent la distribution du fluide réfrigérant à l'entrée des tubes 5, par le compartiment intermédiaire supérieur). Après avoir transité par les tubes 5 de la nappe intermédiaire 3, le fluide réfrigérant aboutit dans le compartiment intermédiaire inférieur, qui le dirige vers l'extrémité longitudinale de la nappe intermédiaire 3 voisine de la face F2 (les flèches 10 en trait interrompu représentent la circulation du fluide réfrigérant dans le compartiment intermédiaire inférieur). Autrement dit, le fluide réfrigérant circule dans un même sens (de la gauche vers la droite lorsque l'on regarde la figure 2) dans les compartiments intermédiaires inférieur et supérieur, comme l'indiquent les flèches 9 et 10 de la figure 2. Suite à la traversée du compartiment intermédiaire inférieur, le fluide réfrigérant est amené, par la communication fluidique établie entre les compartiments inférieurs intermédiaire et aval (voir la flèche T), à l'entrée du tube d'extrémité 5E de la nappe aval 4 dédié à la perte de charge, pour ensuite le parcourir de bas en haut et déboucher dans le compartiment aval supérieur de la boîte collectrice supérieure 7 (voir la figure 2). Le fluide réfrigérant est alors distribué, au moyen du compartiment aval supérieur, dans les différents tubes longitudinaux 5 (une telle circulation de fluide est symbolisée par les flèches 11 en trait plein) qu'il parcourt ensuite de haut en bas, comme le montrent les figures 1 à 3. Il y a donc une inversion du sens de circulation entre le tube d'extrémité 5E et les autres tubes 5 de la nappe aval 4. Le fluide réfrigé- rant, sortant des tubes 5 à leur extrémité longitudinale inférieure, est ensuite guidé, par le compartiment aval inférieur, à l'entrée du raccord 8 (voir les flèches 12 en trait interrompu) - permettant la liaison entre la nappe aval 4 et la nappe amont 2 - qu'il traverse (flèche 13) pour aboutir dans le compartiment amont inférieur dans lequel débouchent les tubes 5 de la nappe amont 2. Le compartiment amont inférieur distribue ensuite le fluide réfrigérant dans les différents tubes 5 longitudinaux de la nappe amont 2 (voir les flèches 14 en trait interrompu) dans lesquels il circule du bas vers le haut pour aboutir dans le compartiment amont supérieur. Celui-ci guide ensuite le fluide réfrigé- rant, sur toute la largeur I, vers la sortie S de fluide réfrigérant de l'évaporateur 1 (voir les flèches 15 en trait plein), qu'il traverse pour en sortir. La figure 3 représente, de façon très schématique en perspective, la circulation du fluide réfrigérant dans les différentes nappes 2, 3, 4 de l'évaporateur 1. Dans l'exemple de réalisation des figures 1 à 3, l'évaporateur 1 est ré- alisé à partir de tubes 5, mais il pourrait, en variante, également mettre en oeuvre une technologie à base de plaques. L'utilisation de tubes 5 et de boîtes collectrices associées 6 et 7, de la façon décrite précédemment, permet toutefois une homogénéisation du fluide de réfrigérant avant son transfert d'une nappe à une autre, les compartiments supérieurs et inférieurs des boîtes col- lectrices 6 et 7 jouant le rôle de chambre de mélange. Cela permet notamment une amélioration l'échange thermique. Par ailleurs, l'évaporateur 1 comporte également des intercalaires ondulés (non représentés sur les figures) formés d'une pluralité d'ailettes d'échange de chaleur. Chaque intercalaire ondulé est disposé entre deux tu- bes 5 adjacents des nappes amont 2, intermédiaire 3 et aval 4. Un contact est maintenu entre l'intercalaire ondulé et les tubes correspondants 5 qui l'encadrent pour faciliter l'échange thermique. Grâce à l'invention, on réalise une détente du fluide réfrigérant par la perte de charge supplémentaire localisée entre la nappe intermédiaire 3 et la nappe aval 4. Ainsi faisant, on abaisse la température du fluide réfrigérant circulant dans la nappe aval 4, nappe que l'on souhaite être la plus froide de l'évaporateur 1 car c'est celle par laquelle le flux d'air sort de l'évaporateur. La variation de température entre l'air incident et l'air sortant de l'évaporateur 1 est donc augmentée par rapport aux évaporateurs connus mentionnés précédemment. Avantageusement, la perte de charge obtenue par les moyens d'introduction 5E d'une perte de charge est comprise entre 0,5 bar et 1 bar. La différence de pression du fluide réfrigérant entre l'entrée et la sortie des moyens d'introduction d'une perte de charge est négative, ce qui permet de réaliser une détente du fluide réfrigérant entraînant un refroidissement de ce dernier et donc de la nappe aval 4. Bien évidemment, la présente invention n'est nullement limitée à l'exemple de réalisation précédemment décrit. En particulier, il va de soit : que l'évaporateur conforme à l'invention pourrait comporter plus de trois nappes ; que l'entrée et la sortie du fluide réfrigérant pourraient être réalisées au niveau de faces latérales opposées ; - etc... REVENDICATIONS1. Evaporateur, notamment pour un circuit de climatisation de véhicule automobile, comportant au moins trois nappes (2, 3, 4), respectivement amont, intermédiaire et aval, s'étendant selon des plans parallèles, chaque nappe (2, 3, 4) étant formée d'une pluralité de canaux (5) dans lesquels est destiné à circuler, selon une circulation prédéfinie, un fluide réfrigérant à évaporer pour refroidir un flux d'air (A) traversant successivement lesdites nappes amont (2), intermédiaire (3) et aval (4), caractérisé : par le fait que le fluide réfrigérant entre dans l'évaporateur (1) par la nappe intermédiaire (3) et sort de celui-ci par la nappe amont (2), après avoir traversé la nappe aval (4) ; et par le fait que l'évaporateur (1) comporte des moyens (5E) pour introduire une perte de charge entre la sortie de la nappe intermédiaire (3) et l'entrée de la nappe aval (4). 2. Evaporateur selon la revendication précédente, dans lequel la perte de charge obtenue par les moyens (5E) d'introduction d'une perte de charge est comprise entre 0,5 bar et 1 bar. 3. Evaporateur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens d'introduction d'une perte de charge sont formés par au moins un canal d'extrémité (5E) de la nappe aval (4) par lequel transite le fluide réfrigérant après avoir traversé la nappe intermédiaire (3). 4. Evaporateur selon la revendication précédente, dans lequel les canaux (5) de chacune des nappes (2, 3, 4) sont formés de tubes (5) individuels réunis à leurs deux extrémités par une première et une seconde boîtes collec- trices (6, 7) comprenant des moyens pour répartir le fluide réfrigérant dans lesdites nappes (2, 3, 4) et pour assurer la circulation prédéfinie du fluide réfrigérant dans les différents tubes (5) ; et dans lequel lesdites boîtes collectrices (6, 7) sont configurées pour faire circuler l'ensemble du fluide réfrigérant, ayant traversé la nappe intermédiaire (3), dans le canal d'extrémité (5E) de lanappe aval (4), introduisant la perte de charge, pour qu'il délivre le fluide réfrigérant dans ladite nappe aval (4). 5. Evaporateur selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel les moyens d'introduction d'une perte de charge se présentent sous la forme d'au moins un tube externe, de section prédéterminée, qui relie la nappe intermé- diaire (3) à la nappe aval (4), de telle façon que le fluide réfrigérant, après avoir traversé la nappe intermédiaire (3), soit délivré dans la nappe aval (4). 6. Evaporateur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'entrée (E) et la sortie (S) du fluide réfrigérant de l'évaporateur sont effec- tuées au niveau d'une même face latérale (F1) de l'évaporateur (1). 7. Evaporateur selon l'une des revendications précédentes, comprenant un raccord (8) permettant le transfert du fluide réfrigérant de la nappe aval (4) vers la nappe amont (2). 8. Boîtier d'une installation de ventilation, chauffage et/ou climatisation, notamment d'un habitacle de véhicule automobile, comprenant un évapora- teur (1) tel que spécifié sous l'une des revendications 1 à 7. 9. Circuit de climatisation à l'intérieur duquel circule un fluide réfrigérant, comprenant au moins un compresseur, un échangeur de chaleur extérieur, un évaporateur (1) tel que spécifié sous l'une des revendications 1 à 7 et un échangeur de chaleur intérieur.