Brevet FR3006432A1 — publié le 20141205

DP-320852/MA Echangeur de chaleur DOMAINE TECHNIQUE L'invention est relative à un échangeur de chaleur entre deux fluides dont l'un circule à haute pression. Il s'agit plus particulièrement d'un refroidisseur de gaz dans lequel du CO2 comprimé est en échange thermique avec un liquide de refroidissement. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION Des circuits de climatisation automobile utilisant du dioxyde de carbone, CO2, par ailleurs référencé R-744 dans la nomenclature des fluides frigorifiques, ont été développés en vue de remplacer les fluides actuels jugés nuisibles pour l'environnement. L'un des défis est que dans cette application les pressions de fonctionnement peuvent dépasser 100 bars et, les circuits de climatisations doivent résister à une pression d'éclatement de l'ordre de 360 bars. Les équipements des circuits de climatisation doivent tous être reconçus pour résister à ces hautes pressions. RESUME DE L'INVENTION Dans le but de résoudre ces problèmes, la présente invention propose un échangeur de chaleur métallique assemblé par brasage et comprenant un circuit de circulation d'un premier fluide et, une calandre métallique parallélépipédique enveloppant le circuit et pourvue d'une bouche d'entrée et d'une bouche de sortie permettant la circulation dans la calandre d'un second fluide. Le circuit de circulation du premier fluide comprend une pluralité de tubes longitudinaux agencés selon un réseau rectangulaire d'aux moins deux lignes et deux colonnes et s'étendant entre deux plaques tubulaires pourvues d'ouvertures recevant les extrémités des tubes et, deux plaques distributrices pourvues de fentes traversantes formant dans l'épaisseur desdites plaques des chambres de répartition et, deux plaques d'extrémité du circuit. Ledit circuit de circulation comprend de plus un collecteur d'entrée et un collecteur de sortie du premier fluide. Les plaques tubulaires, distributrices, et d'extrémités ont sensiblement les mêmes dimensions et sont agencées les unes contre les autres. Le collecteur d'entrée et le collecteur de sortie sont cylindriques et sont solidaires d'au moins une des plaque d'extrémité, celle-ci étant pourvue de petits trous traversant mettant en connexion de fluide le collecteur d'entrée avec des chambres de répartition, ainsi que le collecteur de sortie avec d'autres chambres de répartition. Le premier fluide entré dans le collecteur d'entrée peut alors s'écouler successivement par les petits trous puis dans les chambres de répartition, puis dans les tubes longitudinaux jusqu'à rejoindre le collecteur de sortie. De plus, les chambres de répartition sont agencées de sorte que le premier fluide circule dans un premier groupe de tubes selon un premier sens longitudinal et dans les autres tubes, formant le second groupe de tubes, selon le second sens longitudinal opposé. L'échangeur de chaleur selon l'invention peut de plus comprendre un, ou plusieurs, collecteur intermédiaire similaire aux collecteurs d'entrée et de sortie, permettant le passage du premier fluide entre des tubes du premier groupe et d'autres tubes du second groupe. Les tubes d'un même groupe peuvent appartenir à des lignes et des colonnes différentes du réseau rectangulaire. Enfin, les plaques d'extrémités, sont intégrées à la calandre parallélépipédique formant des faces opposées de la calandre. Le collecteur d'entrée et le collecteur de sortie sont agencés en dehors de ladite calandre minimisant ainsi le volume de l'échangeur de chaleur de sorte que le premier fluide puisse circuler à une pression supérieure à 300 bars. Dans un mode de réalisation particulier, les collecteurs d'entrée et de sortie sont réalisés intégrés aux plaques d'extrémités. Certaines chambres de répartition ont une forme en I de sorte à être en connexion de fluide avec deux tubes longitudinaux de deux lignes Lg voisines. D'autres ont une forme en H de sorte à être en connexion de fluide avec au minimum deux tubes voisins dans la même colonne ou bien quatre tubes longitudinaux de deux lignes Lg et deux colonnes C voisines. Entre le collecteur d'entrée et le collecteur de sortie, le premier fluide suit un parcours de circulation empruntant plusieurs fois le même sens de circulation longitudinal. Par ailleurs, le collecteur d'entrée et le collecteur de sortie peuvent être agencés sur la même plaque d'extrémité. Dans ce cas un collecteur intermédiaire peut être agencé sur la plaque d'extrémité opposée de sorte à permettre le transfert du premier fluide entre des tubes longitudinaux. De plus, des ailettes corruguées sont agencées entre les tubes longitudinaux de sorte à améliorer les échanges thermiques entre le premier fluide et le second fluide. Les ailettes peuvent être du type à pas décalé. Selon un mode de réalisation particulier l'échangeur est un refroidisseur de gaz de climatisation et le premier fluide est du CO2, également référencé R-744, circulant à haute pression. DESCRIPTION DES FIGURES Un mode de réalisation de l'invention est maintenant décrit par l'intermédiaire des figures suivantes. La Figure 1 est un schéma des circuits des systèmes thermiques dans un véhicule. La Figure 2 est une vue isométrique partiellement éclatée d'un échangeur de chaleur selon l'invention. La Figure 3 est une vue isométrique d'une plaque distributrice de l'échangeur de la Figure 2. Les Figures 4, 5, 6 et 7 représentent en vue isométrique ou en vue de dessus quatre agencements différents de l'échangeur de la Figure 2. La Figure 8 est une vue isométrique d'un ensemble de tube d'un échangeur selon l'invention. La Figure 9 est un diagramme bloc de fonctionnement de l'échangeur de la Figure 2. La Figure 10 est un schéma illustrant le sens de parcours d'un fluide dans l'échangeur de la Figure 2. La Figure 11 est une coupe de détail illustrant une réalisation intégrée des collecteurs de l'échangeur de l'invention. DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PRÉFÉRÉS Sur la Figure 1 sont schématisés les circuits d'échange de chaleur d'un véhicule 10. Ils comprennent notamment une boucle de climatisation 12 de l'habitacle au sein de laquelle circule un premier fluide Fi, et une boucle avant 14 au sein de laquelle circule un second fluide F2. Les deux fluides Fi, F2, sont en échange thermique au sein d'un échangeur de chaleur 16 commun aux deux boucles 12, 14. Dans l'exemple choisi pour illustrer l'invention l'échangeur de chaleur 16 est un refroidisseur de gaz 16 dans lequel circulent le premier fluide Fi qui est du CO2, référencé R-744 dans la nomenclature des fluides frigorifiques, comprimé à plus de 100 bars et, le second fluide F2 est un liquide de refroidissement de type mélange eau et glycol. D'autres applications sont possibles pour utiliser l'échangeur de chaleur selon l'invention. Dans la boucle de climatisation 12, le CO2 circule entre le refroidisseur de gaz 16, dans lequel il est refroidit, et un évaporateur 22, dans lequel il se réchauffe tandis qu'il refroidit un flux d'air traversant. Dans la boucle avant 14, une pompe fait circuler le fluide de refroidissement F2 qui est envoyé vers le refroidisseur de gaz 16 à l'entrée duquel il est à environ +55°C et, à l'intérieur duquel, en échange thermique avec le CO2, il se réchauffe jusqu'à environ +70°C. C'est à cette température qu'il ressort et se mélange avec du fluide de refroidissement F2 ayant transité par un refroidisseur d'air de suralimentation. L'ensemble du fluide de refroidissement F2 circule ensuite jusqu'à l'avant du véhicule 10 où en traversant un radiateur basse température 26 il se refroidit jusqu'à environ +55°C. Le refroidisseur de gaz 16 est représenté sur la Figure 2 en vue éclatée dans un repère orthogonal comprenant un axe longitudinal L, un axe normal N et un axe transversal T. Le refroidisseur de gaz 16 comprend un circuit de circulation 28 du premier fluide Fi, ici du CO2 sous pression, R-744, agencé à l'intérieur d'une calandre parallélépipédique 30, formant boitier étanche dans lequel circule le fluide de refroidissement F2. Le circuit 28 comprend un collecteur d'entrée 32 cylindrique s'étendant selon l'axe normal N. Selon la coupe de la Figure 11, dans un mode de réalisation adapté aux pressions importantes, le collecteur d'entrée 32 est réalisé intégré dans une plaque d'extrémité 38 rectangulaire. Cette réalisation peut notamment se faire par extrusion selon l'axe normal N. Une série de petits trous 34 est réalisée traversant la plaque d'extrémité 38 et le collecteur 32. Dans le mode alternatif de la Figure 2, le collecteur d'entrée 32 est percé le long d'une arête de plusieurs petits trous 34. Il est accolé à la face extérieure 36 de la plaque d'extrémité 38 elle-même pourvue de petits trous 34 alignés et réalisés correspondants et complémentaires de ceux du collecteur d'entrée 32. Contre la face intérieure 40 de la plaque d'extrémité 38, face dite intérieure car agencée à l'intérieur de la calandre 30, est agencée une plaque distributrice 42 rectangulaire ayant une épaisseur E. La plaque distributrice 42 est pourvue de fentes qui, dans l'épaisseur E de la plaque 42 forment des chambres de répartition 44. La Figure 3 détaille un exemple la plaque distributrice 42 dans laquelle ont été réalisées des chambres de répartitions 44 de diverses formes, notamment en forme de I, de H ou de L. D'autres formes sont bien sûr possibles, même des formes ne correspondant à aucune lettre de l'alphabet. Contre la plaque distributrice 42 est agencée une plaque tubulaire 46 également rectangulaire, la plaque tubulaire est ainsi dénommée en français par convention acceptée entre les professionnels et est également communément désignée de son nom anglais « header plate ». La plaque 46 n'a pas la forme d'un tube, elle est plate et rectangulaire, pourvue d'ouvertures 48 dans lesquelles s'agencent complémentairement l'extrémité de tubes 50, d'où l'épithète « tubulaire ». Les tubes 50 s'étendent selon l'axe longitudinal L. Dans le plan PTN orthogonal à l'axe longitudinal L, les tubes 50 sont agencés selon un réseau rectangulaire de plusieurs lignes Lg transversales T et plusieurs colonnes C normales N. Le refroidisseur de gaz 16 représenté sur la Figure 2 est symétrique par rapport à un plan médian transversal PTN ainsi, à l'instar de la description qui précède, les extrémités opposées des tubes 50 s'agencent complémentairement dans des ouvertures 48 d'une seconde plaque tubulaire 52, elle-même agencée contre une seconde plaque distributrice 54 également pourvue de chambres de répartition 44 en I, H ou autre, placée à son tour contre la face intérieure 56 d'une seconde plaque d'extrémité 58, dans laquelle est intégrée - Figure 11 - sur la face extérieure 60 un collecteur de sortie 62. La seconde plaque d'extrémité 58 et le collecteur de sortie 62 sont tous deux pourvus d'un alignement normal N de petits trous 34 complémentaires. Entre les tubes 50 sont agencées des ailettes corruguées 64 dites «à pas décalé ». La calandre 30 renferme le circuit 28 et elle comprend, tel que selon la Figure 2, les deux plaques d'extrémité 38, 58, du circuit 28 ainsi que quatre plaques longitudinales qui, par simple commodité de description sont appelées les plaques avant 66, de dessus 68, arrière 70 et de dessous 72. La calandre 30 est pourvue d'une bouche d'entrée 74 et d'une bouche de sortie 76 agencées, dans l'exemple de la Figure 2, sur la plaque avant 66. Selon la Figure 2, la plaque d'extrémité, la plaque distributrice et la plaque tubulaire ont sensiblement les mêmes dimensions rectangulaires et, tel ce précédemment indiqué elles sont agencées les unes contre les autres. Le refroidisseur de gaz 16 est entièrement métallique, en aluminium par exemple, et les pièces sont toutes brasées ensemble. De nombreuses alternatives de réalisation et d'agencement sont possibles, notamment en ce qui concerne l'emplacement des collecteurs d'entrée 32 et de sortie 62 ou les bouches d'entrée 74 et de sortie 76. Les collecteurs 32, 62, peuvent être sur les deux plaques d'extrémités, tel que selon les Figures 2, 5 et 7. Ils peuvent également être agencés côte à côte sur la même plaque d'extrémité, selon la Figure 4. Dans ce cas cette plaque d'extrémité sera pourvue de deux rangées de petits trous 34. Dans cette configuration, un collecteur intermédiaire 26, réalisé intégré similairement aux collecteurs d'entrée 32 et de sortie 62, sera adjoint à la plaque d'extrémité opposée. Les collecteurs 32, 62, peuvent également être agencés l'un « au-dessus » de l'autre soit en étant alignés tel que selon la Figure 6 soit en étant décalés. Dans ce mode également, le refroidisseur de gaz 16 pourra être pourvu d'un collecteur intermédiaire 26. Similairement les bouches d'entrée 74 et de sortie 76 peuvent être agencées sur l'une quelconque des quatre plaques longitudinale 66-72. Par ailleurs, les tubes 50, conventionnellement représentés séparés les uns des autres, peuvent être réalisés par groupes intégrés de plusieurs tubes. Ces ensembles intégrés peuvent par exemple être fabriqués par extrusion et la Figure 8 représente un réseau rectangulaire de tubes plats chacun comprenant plusieurs conduits, ou tubes individuels, cinq sur la Figure. Grâce à un choix adéquat de la femme des chambres de répartition chaque conduit peut être alimenté indépendamment et ainsi, au sein d'un même tube plat certains conduits seront parcourus dans un sens et les autres dans le sens contraire. On pourra également réaliser ces ensembles de tubes tel un échangeur à plaques, chaque paire de plaque définissant plusieurs canaux parallèles. La Figure 9 est un diagramme bloc schématisant la circulation des fluides Fi, F2, à l'intérieur de l'échangeur 16. Le premier fluide Fi entre par le collecteur d'entrée 32, puis passe par les petits trous 34, traverse la plaque d'extrémité 38 et débouche dans les chambres de répartition 44. Selon la forme de la chambre 44, il s'engage, via la plaque tubulaire 46, dans un premier groupe G1 de tubes 50 qu'il parcourt dans un premier sens 51. A l'autre extrémité des tubes 50, le premier fluide Fi sort des tubes 50 du premier groupe G1 et entre dans les chambres de répartitions 44 de la seconde plaque distributrice 54. Là, il est dirigé vers un second groupe G2 de tubes 50 qu'il parcourt dans le sens S2 opposé au premier sens 51. Par soucis de simplicité, le diagramme de la Figure 9 ne propose qu'un seul « aller-retour » entre les plaques d'extrémité 38, 58. Selon la conception des chambres de répartition 44 et l'adjonction éventuelle d'un collecteur intermédiaire 26, le premier fluide Fi peut parfaitement circuler plusieurs fois selon le premier sens 51 longitudinal et plusieurs fois selon le second sens S2 opposé. A titre d'illustration de la flexibilité apportée par l'invention, la Figure 10 propose un agencement des chambres de répartition 44 dans les plaques distributrices de sorte que le premier fluide Fi circule plusieurs fois dans chaque sens, Sl, S2, longitudinal. Comme cela peut être remarqué sur la Figure, les chambres de répartition 44 de la première plaque distributrice 42 et celles de la seconde plaque distributrice 54 doivent être complémentaires de sorte que le premier fluide sortant d'un tube 50 et arrivant dans une chambre 44 puisse repartir dans l'autre sens par un autre tube 50. Un intérêt de la présente invention est que l'échange thermique entre les premier et second fluides Fi et F2, peut être optimisé en choisissant avec à-propos la forme des chambres de répartition 44 et ainsi le chemin suivi par le premier fluide Fi. Chaque chambre 44 peut effectivement desservir des tubes 50, ou des conduits selon la Figure 8, appartenant à des lignes Lg et des colonnes C différentes. Par ailleurs, le fluide de refroidissement F2 entre dans la calandre 30 par la bouche d'entrée 74 et en ressort par la bouche de sortie 76. A l'intérieur de la calandre 30 le liquide de refroidissement F2 s'écoule entre les tubes 50 et entre les ailettes 64. L'agencement même des ailettes peut être utilisé pour réaliser un parcours spécifique suivi par le fluide de refroidissement F2. L'échangeur thermique 16 décrit a une architecture applicable à de nombreux échangeurs d'autres types. Dans le cas particulier choisi pour exemple où le premier fluide est du CO2, R-744, circulant normalement à environ 100 bars, l'échangeur 16 doit résister à l'éclatement à un état anormal dans lequel la pression s'élèverait au-delà de 300 bars. Il est dans ce cas important de réduire au minimum le volume global de l'échangeur 16 en minimisant la taille des collecteurs d'entrée 32 et de sortie 62, notamment leur diamètre et de s'assurer que le volume de la calandre 30 est également minimisé, les plaques longitudinales 66-72 étant agencées au plus près des tubes 50 du réseau rectangulaire. A titre d'exemple, des refroidisseurs de gaz 16 ont été essayés et, pour résister aux pressions élevées les plaques distributrices et tubulaires avaient plusieurs millimètres d'épaisseurs, des tubes 50 avaient un diamètre inférieur à lmm. Le diamètre extérieur des collecteurs avoisinait les 10 millimètres.10 REVENDICATIONS1. Echangeur de chaleur (16) métallique assemblé par brasage comprenant un circuit de circulation (28) d'un premier fluide (F1) et une calandre métallique (30) parallélépipédique enveloppant le circuit (28), la calandre (30) étant pourvue d'une bouche d'entrée (74) et d'une bouche de sortie (76) permettant la circulation dans la calandre (30) d'un second fluide (F2), l'échangeur (16) étant caractérisé en ce que le circuit de circulation (28) comprend une pluralité de tubes (50) longitudinaux (L) agencés selon un réseau rectangulaire d'aux moins deux lignes (Lg) et deux colonnes (C) , les tubes (50) s'étendant entre deux plaques tubulaires (46, 52) pourvues d'ouvertures (48) recevant les extrémités des tubes (50) solidaires de deux plaques distributrices (42, 54) pourvues de fentes traversantes formant dans l'épaisseur (E) desdites plaques (42, 54) des chambres de répartition (44) et de deux plaques d'extrémité (38, 58) elles-mêmes pourvues d'un collecteur d'entrée (32) et un collecteur de sortie (62) du premier fluide (F1), les plaques tubulaires (46, 52), distributrices (42, 54) et d'extrémités (38, 58) ayant sensiblement les mêmes dimensions et étant agencées les unes contre les autres et en ce que, le collecteur d'entrée (32) et le collecteur de sortie (62) sont cylindriques et sont solidaires d'au moins une des plaque d'extrémité (38, 58) celle-ci étant pourvue de petits trous (34) traversant mettant en connexion de fluide le collecteur d'entrée (32) avec des chambres de répartition (44) ainsi que le collecteur de sortie (62) avec d'autres chambres de répartition (44), permettant ainsi que le premier fluide (F1) entré dans le collecteur d'entrée (32) s'écoule successivement par les petits trous (34) puis dans les chambres de répartition (44), puis dans les tubes longitudinaux (50) jusqu'à rejoindre le collecteur de sortie (62) et en ce que, les chambres de répartition (44) sont agencées de sorte que le premier fluide (F1) circule dans un premier groupe (G1) de tubes (50) selon un premier sens (Si) et dans les autres tubes (50), formant le second groupe (G2) de tubes, selon le second sens (S2) opposé, les tubes (50) d'un même groupe pouvant appartenir à des lignes (Lg) et des colonnes (C) différentes du réseau rectangulaire et en ce que, les plaques d'extrémités (38, 58) sont intégrées à la calandre parallélépipédique (30) formant des faces opposées de ladite calandre (30), le collecteur d'entrée (32) et le collecteur de sortie (62) étant agencés en dehors de ladite calandre (30) minimisant ainsi le volume de l'échangeur de chaleur (16) de sorte que le premier fluide (F1) puisse circuler à une pression supérieure à 300 bars. 2. Echangeur de chaleur (16) selon la revendication précédente dans lequel le collecteur d'entrée (32) est intégré à une plaque d'extrémité (38). 3. Echangeur de chaleur (16) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le collecteur de sortie (62) est intégré à une plaque d'extrémité (58). 4. Echangeur de chaleur (16) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel certaines chambres de répartition (44) ont une forme en I de sorte à être en connexion de fluide avec deux tubes (50) longitudinaux de deux colonnes (C) voisines. 5. Echangeur de chaleur (16) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel certaines chambres de répartition (44) ont une forme en H de sorte à être en connexion de fluide avec deux tubes longitudinaux (50) appartenant à deux lignes (Lg) voisines. 6. Echangeur de chaleur (16) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel entre le collecteur d'entrée (32) et le collecteur de sortie (62), le premier fluide (F1) suit un parcours empruntant plusieurs fois le même sens (Si) de circulation longitudinal. 7. Echangeur de chaleur (16) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le collecteur d'entrée (32) et le collecteur de sortie (62) sont agencés sur la même plaque d'extrémité (38). 8. Echangeur de chaleur (16) selon l'une quelconque des revendications précédentes pourvu de plus d'un collecteur intermédiaire (26) solidaire d'une plaque d'extrémité (58) permettant au premier fluide (F1) de passer de tubes (50) du premier groupe (G1) à des tubes (50) du second groupe (G2). 9. Echangeur de chaleur (16) selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant de plus des ailettes (64) agencées entre les tubes (50) longitudinaux de sorte à améliorer les échanges thermiques entre le premier fluide (F1) et le second fluide (F2). 10. Refroidisseur de gaz de climatisation (16) réalisé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le premier fluide (F1) est du CO2, également référencé R-744, circulant à haute pression.