Brevet FR3058211A1 — publié le 20180504

Echangeur thermique L'invention concerne un échangeur thermique. On connait par le brevet US7849915 un échangeur de chaleur ayant des canaux de circulation de fluide de section circulaire. L'enseignement de ce brevet présente deux inconvénients, à savoir : - le fait que le dimensionnement du faisceau de canaux n'est pas directement lié à l'effort de traction (tensile stress en anglais) mesuré sur les tubes, - le fait que la haute pression et la basse pression ne sont pas définies a priori. D'autres brevets et demandes de brevet décrivent des échangeurs, 15 à savoir US7165606 et US7140424 par exemple. L'invention vise notamment à améliorer ce type d'échangeur de chaleur. L'invention a ainsi pour objet un échangeur thermique comportant : 20 - un faisceau de canaux d'échange thermique dans lesquels circule un fluide de refroidissement, le faisceau de canaux étant réalisés dans un matériau avec une anisotropie notamment supérieure à 0.6, les canaux étant notamment réalisés par extrusion et brasés, chacun des canaux ayant une section 25 transversale de forme allongée. Selon l'invention, la section des canaux est différente d'une forme circulaire. 3 0 5 8 2 1 1 2 Grâce à l'invention, l'anisotropie supérieure à 0.6 et la forme allongée des canaux permettent d'obtenir des canaux avec une pression d'éclatement qui soit élevée, ce qui permet d'avoir un échangeur de grande résistance mécanique. Ceci est particulièrement avantageux lorsque circule 5 dans les canaux un fluide de refroidissement à haute pression. Notamment il a été constaté que la pression d'éclatement dépend davantage de la cristallographie du matériau dans lequel est réalisé le faisceau de canaux, représentée par l'anisotropie, que de l'effort de traction. 10 L'anisotropie de la résistance mécanique du faisceau est liée à une hétérogénéité de la structure cristallographique révélée par un examen métallographique. On définit l'indice d'anisotropie de la matière en mesurant la résistance mécanique dans les 3 axes et en définissant l'indice par le rapport entre la plus faible valeur et la plus grande valeur. Il est à noter qu'il ne s'agit pas d'une mesure locale microscopique mais une mesure sur un profil de faisceau après brasage. Cette anisotropie est entre autre la conséquence de la répartition hétérogène de la taille des grains qui peut être révélée sur un échangeur fini au moyen d'une coupe métallographique et d'une attaque acide. Selon un aspect de l'invention, deux canaux immédiatement voisins étant séparés par une distance WT et ces deux canaux immédiatement voisins ayant une largeur médiane DC mesurée parallèlement à la distance WT, la distance WT et le diamètre DC étant reliés par la relation suivante : (BP-705)/(-210)>VVT/DC>(BPx(1+SM)-705)/(-210) où BP représente une pression d'éclatement du faisceau prédéterminée, SM représente une valeur de dispersion, notamment sensiblement égale à 0,15 notamment pour tenir du matériau dans lequel est réalisé le faisceau de canaux et 3 0 5 8 2 1 1 3 de variations potentielles de la géométrie du faisceau de canaux Il a été constaté que, lorsque le ratio WT/DC est dans la plage 5 définie ci-dessus, dans le contexte de l'invention, le faisceau de canaux présente une résistance mécanique suffisante à garantir un fonctionnement en toute sécurité de la boucle. Plus précisément, une relation entre le ratio WT/DC, à savoir des paramètres géométriques, et la pression d'éclatement a été mise à jour. Ceci permet de dimensionner des faisceaux de canaux 10 d'une grande résistance. La valeur BP peut être la valeur de pression d'éclatement haute pression ou basse pression selon l'intégration de l'échangeur dans une ligne haute pression ou basse pression du système de climatisation. Selon un aspect de l'invention, la pression d'éclatement est choisie 15 supérieure à 300 Bars. Selon un aspect de l'invention, l'échangeur est agencé pour être disposé sur une ligne haute pression par exemple d'un système de climatisation d'un véhicule automobile, la pression d'éclatement est choisie sensiblement égale à 380 Bars. 20 Selon un aspect de l'invention, l'échangeur est agencé pour être disposé sur une ligne basse pression par exemple d'un système de climatisation dé véhicule automobile, la pression d'éclatement est choisie de préférence sensiblement égale à 320 Bars. Le ratio WT/DC est notamment compris entre 1.3 et 1.78. 25 Selon un aspect de l'invention, l'échangeur est agencé pour être disposé sur une ligne haute pression par exemple d'un système de climatisation dé véhicule automobile, le ratio WT/DC étant alors de préférence compris entre 1.3 et 1.57. 3 0 5 8 2 1 1 4 Selon un aspect de l'invention, l'échangeur est agencé pour être disposé sur une ligne basse pression par exemple d'un système de climatisation de véhicule automobile, le ratio WT/DC étant compris entre 1.54 et 1.78. 5 Selon un aspect de l'invention, le faisceau de canaux étant réalisés dans un matériau avec une anisotropie notamment supérieure 0.7, notamment supérieure à 0.8. L'anisotropie est notamment la résultante du procédé de fabrication du tube et brasage du faisceau. Par exemple, il s'agit de matière de la série type 3000, 9000 ou 10 1000, ayant des caractéristiques mécaniques mesurées sur tube compris pour le RP 0.2% (traction donnant une déformation résiduelle de 0.2%) entre 15 et 50 MPa, RM (résistance à la traction) entre 70 et 100 MPa et A50% (allongement à la rupture) entre 14 et 35. Selon un exemple de l'invention, la distance WT est comprise entre 15 0.4 mm et 3 mm. Le matériau est de préférence tel que son anisotropie augmente après l'opération de brasage. Selon un exemple de l'invention, les canaux présentent une section transversale sensiblement ovale. 20 Selon un exemple de l'invention, le faisceau de canaux comporte un corps ayant une face plane et la distance RT entre le haut d'un des canaux et cette face plane est plus petite que la moitié de la distance WT entre deux canaux immédiatement voisins. De préférence, le fluide de refroidissement est un réfrigérant à l'état 25 supercritique, tel que du CO2 notamment. Selon un exemple de l'invention, les canaux du faisceau s'étendent parallèlement les uns par rapport aux autres. 3058211 5 Avantageusement l'échangeur forme l'un des dispositifs suivants : un évaporateur, un refroidisseur à gaz, un refroidisseur de batterie électrique, un refroidisseur à eau (chiller en anglais), un refroidisseur à gaz. En particulier, l'échangeur est un évaporateur ou un condenseur 5 pour un système de climatisation de véhicule, ou tout autre dispositif d'échange thermique. L'invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un échangeur thermique comportant : 10 - un faisceau de canaux d'échange thermique dans lesquels circule un fluide de refroidissement, les canaux étant notamment réalisés par extrusion et brasés, les canaux étant chacun disposés, au moins partiellement, parallèlement les uns autres et présentant chacun un centre, ces centres passant par 15 un axe (X), o ces canaux présentant une section transversale, notamment de forme allongée, avec une plus petite dimension (a) suivant l'axe passant par les centres et une plus grande dimension (b) dans une direction 20 perpendiculaire à cet axe, o deux canaux immédiatement voisins étant séparés par une distance (WT), o le faisceau de canaux comportant un corps ayant une face plane, et le haut d'un des canaux étant séparé de 25 cette face plane par une distance (RT), échangeur dans lequel le ratio b/a est dans la plage [1,05 ; 1,4] et/ou le ratio WT/RT est compris dans la plage [1,1 ; 1,9] de manière à maximiser la valeur Pw.Pmax.Sfluid/Salu où Pw est la puissance thermique, 30 Pmax est la pression maximale, Sfluid est la section de fluide, 3058211 6 Salu est la section d'aluminium. L'invention permet ainsi d'améliorer les performances mécaniques et thermiques en utilisant un minimum d'aluminium. 5 Selon un aspect de l'invention, la résistance mécanique d'une paroi entre les canaux est plus faible que celle d'une paroi entre l'un des canaux et la face plane, notamment du fait de l'anisotropie résultante de l'extrusion et du brazage du faisceau. 10 L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence au dessin annexé dans lequel : - la figure 1 illustre, schématiquement et partiellement, un 15 évaporateur selon un exemple de réalisation de l'invention, - la figures 2 et 4 illustrent, schématiquement et partiellement, en coupe, un faisceau de canaux de l'évaporateur de la figure 1, - la figure 3 est un graphe qui illustre schématiquement la corrélation entre le ratio WT/DC et la pression d'éclatement, 20 - la figure 5 illustre l'évolution de la valeur Pw.Pmax.Sfluid/Salu en fonction de WT/RT, et - la figure 6 illustre l'évolution de la valeur Pw.Pmax.Sfluid/Salu en fonction de WT/RT et b/a. 25 On a représenté sur la figure 1 un échangeur thermique 1 selon l'invention. Cet échangeur thermique peut être notamment utilisé en tant qu'évaporateur d'une boucle de climatisation d'un véhicule automobile, dans laquelle circule un premier fluide, tel qu'un fluide réfrigérant à l'état supercritique, tel que du CO2 notamment. 30 L'échangeur thermique 1 est par exemple destiné à conditionner un deuxième fluide, tel que le flux d'air à destination de l'habitacle du 3 0 5 82 1 1 7 véhicule automobile, par échange thermique avec le fluide réfrigérant circulant dans l'échangeur thermique. L'échangeur thermique 1 est par exemple placé à l'intérieur d'un boîtier de climatisation 100 généralement situé dans l'habitacle du véhicule. 5 Lorsque la boucle de climatisation fonctionne de façon à refroidir le flux d'air à destination de l'habitacle, le fluide réfrigérant s'évaporant au sein de l'échangeur thermique 1 travaillant en évaporateur capte de l'énergie calorique du flux d'air à destination de l'habitacle, afin de permettre le passage du fluide réfrigérant d'une phase liquide à une phase 10 gazeuse. L'échangeur de chaleur 1 est constitué de deux boîtes collectrices 2 disposées en vis-à-vis. Entre les boîtes collectrices 2 est disposé un faisceau d'éléments d'échange thermique 4 destinés à contenir le fluide réfrigérant, et disposés parallèles entre eux. Les éléments 15 d'échange thermique 4 présentent une forme générale tubulaire. Entre les éléments d'échange thermique 4, sont disposés des intercalaires d'échange de chaleur 6 ayant pour fonction d'augmenter la surface d'échange thermique, de manière connue en soi. La figure 2 est une vue en coupe suivant le plan P de la figure 1, 20 d'un élément d'échange thermique 4 comprenant des canaux 5 parallèles entre eux. Le faisceau de canaux 4 est réalisé dans un matériau avec une anisotropie notamment supérieure à 0.6, les canaux étant réalisés par extrusion et brasés, chacun des canaux 5 ayant une section transversale 25 de forme allongée. Deux canaux 5 immédiatement voisins sont séparés par une distance WT et ces deux canaux immédiatement voisins ayant une largeur médiane DC mesurée parallèlement à la distance WT, la distance WT et le diamètre DC étant reliés par la relation suivante : 30 (BP-705)/(-210)>VVT/DC>(BPx(1+SM)-705)/(-210) où 3058211 8 BP représente une pression d'éclatement du faisceau prédéterminée SM représente une valeur de dispersion, notamment sensiblement égale à 0,15 notamment pour tenir du 5 matériau dans lequel est réalisé le faisceau de canaux et de variations potentielles de la géométrie du faisceau de canaux. Dans l'exemple décrit, DC est la valeur médiane entre RL et RR, à 10 savoir respectivement la distance, mesurée suivant l'axe X passant par les centres O des deux canaux 5, entre chaque centre O de l'un des deux canaux 5 et son bord 9 du côté du canal 5 voisin. Lorsque l'échangeur est agencé pour être disposé sur une ligne haute pression du système de climatisation dé véhicule automobile, la 15 pression d'éclatement est choisie sensiblement égale à 380 Bars et le ratio WT/DC est choisi compris entre 1.3 et 1.57. Lorsque l'échangeur est agencé pour être disposé sur une ligne basse pression du système de climatisation dé véhicule automobile, la pression d'éclatement est choisie sensiblement égale à 320 Bars et le ratio 20 WT/DC est choisi entre 1.54 et 1.78. Le faisceau de canaux est réalisés dans un matériau avec une anisotropie notamment supérieure 0.7, notamment supérieure à 0.8. Le matériau est choisi de manière à ce que son anisotropie augmente après l'opération de brasage. 25 Par exemple, il s'agit de matière de la série type 3000, 9000 ou 1000, ayant des caractéristiques mécaniques mesurées sur tube compris pour le RP 0.2% (traction donnant une déformation résiduelle de 0.2%) entre 15 et 50 MPa, RM (résistance à la traction) entre 70 et 100 MPa et A50% (allongement à la rupture) entre 14 et 35. 3 0 5 8 2 1 1 9 La distance WT est comprise entre 0.4 et 3 mm. La corrélation entre la pression d'éclatement et le ratio WT/DC est illustrée sur la figure 3. Les canaux 5 présentent une section transversale sensiblement 5 ovale. Le faisceau de canaux 5 comporte un corps ayant une face plane 8 et la distance RT entre le haut d'un des canaux et cette face plane est plus petite que la moitié de la distance WT entre deux canaux immédiatement voisins. 10 Dans un exemple de mise en oeuvre illustré en référence aux figures 5 et 6, le ratio b/a est dans la plage [1,05 ; 1,4] et/ou le ratio WT/RT est compris dans la plage [1,1 ; 1,9] de manière à maximiser la valeur Pw.Pmax.Sfluid/Salu où Pw est la puissance thermique, 15 Pmax est la pression maximale, Sfluid est la section de fluide, Salu est la section d'aluminium. Les dimensions a et b sont notamment illustrées sur la figure 4. La résistance mécanique d'une paroi entre les canaux est plus 20 faible que celle d'une paroi entre l'un des canaux et la face plane On voit sur la figure 5 que la valeur Pw.Pmax.Sfluid/Salu est maximale lorsque WR/RT est compris dans la plage [1,1 ; 1,9]. On note également, en référence à la figure 6, que le ratio b/a est dans la plage [1,05 ; 1,4] et le ratio WT/RT est compris dans la plage 25 [1,1 ; 1,9] pour optimiser valeur Pw.Pmax.Sfluid/Salu. Ces résultats ont été obtenus par simulation du comportement d'un échangeur sous pression. La pression d'éclatement BP pour un dispositif d'évaporation tel 30 qu'un évaporateur est notamment comprise entre 300 et 340 bars à 3058211 10 température ambiante (25 degrés celsius), de préférence est sensiblement égale à 320 bars. La pression d'éclatement BP pour un dispositif de refroidissement de gaz est notamment comprise entre 350 et 400 bars à 5 température ambiante (25 degrés celsius), de préférence est sensiblement égale à 390 bars à 25°. REVENDICATIONS1. Echangeur thermique (1) comportant : un faisceau de canaux d'échange thermique dans lesquels circule un fluide de refroidissement, les canaux étant notamment réalisés par extrusion et brasés, les canaux étant chacun disposés, au moins partiellement, parallèlement les uns autres et présentant chacun un centre, ces centres passant par un axe (X), o ces canaux présentant une section transversale, notamment de forme allongée, avec une plus petite dimension (a) suivant l'axe passant par les centres et une plus grande dimension (b) dans une direction perpendiculaire à cet axe, o deux canaux immédiatement voisins étant séparés par une distance (WT), o le faisceau de canaux comportant un corps ayant une face plane, et le haut d'un des canaux étant séparé de cette face plane par une distance (RT), échangeur dans lequel le ratio b/a est dans la plage [1,05 ; 1,4] et/ou le ratio WT/RT est compris dans la plage [1,1 ; 1,9] de manière à maximiser la valeur Pw.Pmax.Sfluid/Salu où Pw est la puissance thermique, Pmax est la pression maximale, Sfluid est la section de fluide, Salu est la section d'aluminium. 3058211 12 2. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, la pression d'éclatement est choisie supérieure à 300 Bars. 5 3. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, le faisceau de canaux étant réalisés dans un matériau avec une anisotropie notamment supérieure 0.7, notamment supérieure à 0.8. 4. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, la 10 distance WT étant comprise entre 0.4 et 3 mm. 5. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, les canaux présentent une section transversale sensiblement ovale. 15 6. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, le faisceau de canaux comporte un corps ayant une face plane et la distance RT entre le haut d'un des canaux et cette face plane est plus petite que la moitié de la distance WT entre deux canaux immédiatement voisins. 20 7. Echangeur (1) selon la revendication précédente, la résistance mécanique d'une paroi entre les canaux est plus faible que celle d'une paroi entre l'un des canaux et la face plane. 8. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, le 25 fluide de refroidissement est un réfrigérant à l'état supercritique, tel que du CO2 notamment. 9. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, formant l'un des dispositifs suivants : un évaporateur, un refroidisseur à 30 gaz, un refroidisseur de batterie électrique, un refroidisseur à eau (chiller en anglais), un refroidisseur à gaz. 10. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, la pression d'éclatement (BP) pour un dispositif d'évaporation tel qu'un 3058211 13 évaporateur est comprise entre 300 et 340 bars à température ambiante, de préférence est sensiblement égale à 320 bars. 11. Echangeur selon l'une des revendications 1 à 9, la 5 pression d'éclatement BP pour un dispositif de refroidissement de gaz est comprise entre 350 et 400 bars à température ambiante, de préférence est sensiblement égale à 390 bars.