Brevet FR3060723A1 — publié le 20180622

Refroidisseur de gaz L'invention concerne un refroidisseur de gaz pour une installation de climatisation de véhicule automobile. On connait par le brevet US4998580 décrit un condenseur avec tubes et des ailettes. La présente invention vise notamment à améliorer la performance de radiation d'un refroidisseur d'air, à savoir la puissance de refroidissement par unité de surface pour un même débit d'air, lorsque le fluide de refroidissement est un réfrigérant à l'état supercritique, tel que du CO2 notamment. En effet le réfrigérant CO2, ou encore dénommé R744, impose de travailler à haute pression et avec un transport et un transfert de chaleur intenses. La présente invention vise à proposer un refroidisseur de gaz qui soit optimal pour un réfrigérant de ce type, tel que celui R744. L'invention a ainsi pour objet un refroidisseur de gaz pour une installation de climatisation de véhicule automobile, ce refroidisseur 20 comportant : - une pluralité de tubes formant des canaux dans lesquels circule un fluide de refroidissement, ces tubes étant perpendiculaires à une direction transversale, o chaque canal présentant une hauteur (Tr) mesurée 25 suivant cette direction transversale, o chaque tube présentant une hauteur (Th) mesurée suivant cette direction transversale, 3060723 2 o chaque canal étant séparé d'une face extérieure du tube par une épaisseur (Td) mesurée suivant cette direction transversale, o les tubes voisins sont séparés entre eux par un pas (Tp) 5 mesuré suivant la direction transversale, - au moins une ailette disposée dans un passage d'air formé entre deux tubes voisins, refroidisseur dans lequel la valeur Pr est choisie comme suit : 0,2482*Td+0,0801 Pr 0,143*Td+0,041 10 la valeur Pr étant définie par le rapport Th/Tp. Grâce à l'invention, le refroidisseur présente une performance satisfaisante, optimisée en fonction des contraintes hydrauliques et aérauliques. Ceci est particulièrement avantageux lorsque le fluide de 15 refroidissement est un réfrigérant à l'état supercritique, tel que du CO2 notamment. Afin d'obtenir la relation sur Pr ci-dessus, il a été procédé à une étape d'optimisation hydraulique associée à la valeur Tr puis à une étape de choix de la valeur Td en fonction de contraintes de fabrication. Puis l'obtention de la relation Pr ci-dessus correspond à une étape d'optimisation aéraulique. Tr est un paramètre hydraulique lié au réfrigérant. Selon l'un des aspects de l'invention, concernant l'optimisation hydraulique, la hauteur (Tr) des canaux est choisie comprise entre 0,4 et 0,65 mm, notamment entre 0,42 et 0,5 mm. Grâce à des simulations numériques à chute de pression fixée, il a été constaté que dans ces plages de valeurs, la performance de radiation est maximum. Selon l'un des aspects de l'invention, concernant la prise en compte des contraintes de fabrication, l'épaisseur (Td) est choisie comprise entre 3060723 3 0.1 et 0.35 mm. Les contraintes à prendre en compte sont notamment la pression d'éclatement des tubes et des contraintes de fabrication. Une valeur Td trop faible génère un risque d'éclatement des tubes et une valeur Td trop élevée entraine une masse excessive des tubes. 5 Selon l'un des aspects de l'invention, les paramètres sont choisis de la manière suivante, en combinaison ou pris séparément les uns des autres : - La hauteur de tube (Th) est comprise entre 0,9 et 1,3 mm, par 10 exemple égal à 1,13 mm - La section transversale des canaux est de forme ovale de ratio d'ovalie compris entre 0,8 et 1, par exemple la largeur de l'ovale est de 0,52 mm et la hauteur de l'ovale est de 0,55 mm - Le nombre de canaux par tube est compris entre 9 et 14, avec 15 un pas entre canaux voisins du tube compris entre 0,85 et 1,1 mm, par exemple égal à 0,94 mm lorsque le nombre de canaux est égale à 12 - Le pas d'ailettes (Fp) est compris entre 0,9 et 1,3 mm, par exemple égal à 1,05 mm. 20 - L'épaisseur d'ailette est comprise entre 50 et 80 pm, par exemple égal à 70 pm. - L'épaisseur du faisceau est comprise entre 10 mm et 16 mm, par exemple est égal à 12 mm. 25 Selon l'un des aspects de l'invention, la distance entre les deux boites collectrices est comprise entre 350 et 700 mm, notamment est de 653 mm. Le pas d'ailettes et l'épaisseur d'ailette sont de préférence définis par la manufacturabilité, la limitation de la chute de pression sur l'air liée au groupe moto-ventilateur, et la protection anti-corrosion. 3060723 4 Le nombre et les dimensions des tubes et des canaux sont de préférence un équilibre entre les contraintes du procédé d'extrusion, la limitation de la chute de pression de l'écoulement du réfrigérant et la résistance mécanique. 5 Selon l'un des aspects de l'invention, les tubes étant réalisés dans un matériau avec une anisotropie notamment supérieure à 0.6, les tubes étant notamment réalisés par extrusion et brasés, chacun des canaux ayant notamment une section transversale de forme allongée. Selon l'un des aspects de l'invention, le refroidisseur étant agencé 10 pour être disposé sur une ligne haute pression d'un système de climatisation. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la 15 description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence au dessin annexé dans lequel : - la figure 1 illustre, schématiquement et partiellement, une installation de climatisation de véhicule automobile, - la figure 2 illustre, schématiquement et partiellement, un 20 refroidisseur selon un exemple de réalisation de l'invention, - la figure 3 illustre, schématiquement et partiellement, en coupe, un faisceau de canaux du refroidisseur de la figure 2, - la figure 4 est un graphe qui illustre schématiquement la corrélation entre Td et Pr du refroidisseur de la figure 2, 25 - la figure 5 est un graphe qui illustre schématiquement la corrélation entre Tr et la performance du refroidisseur de la figure 2, et - la figure 6 est un graphe qui illustre schématiquement la corrélation entre Pr et la performance du refroidisseur de la figure 2. 3060723 5 On a représenté sur la figure 1 une installation de climatisation à cycle de fonctionnement transcritique, qui comprend 60 un compresseur rotatif entraîné, via un embrayage, par un élément tournant du moteur du véhicule. Ce compresseur 60 comprime un fluide frigoporteur ou réfrigérant 5 et le dirige vers un refroidisseur de gaz 61 accolé à un ventilateur non représenté. Le ventilateur force un flux d'air au travers du refroidisseur de gaz 61 afin d'évacuer un maximum de calories du fluide comprimé. Le fluide frigoporteur est ensuite dirigé vers le circuit froid d'un échangeur interne 62 dans lequel le fluide frigoporteur cède encore de sa chaleur à 10 une portion du circuit correspondant au circuit chaud de l'échangeur interne 62. Le fluide frigoporteur ainsi refroidi est ensuite dirigé vers un détendeur 63 qui détend le fluide frigoporteur et le dirige vers un échangeur de type « chiller » (ou refroidisseur d'eau en français) 64. L'échangeur de type « chiller » 64 est lié à un circuit de refroidissement 65 dans lequel circule un 15 fluide de refroidissement en échange thermique avec le fluide frigoporteur. Le fluide de refroidissement ou fluide frigoporteur est un réfrigérant à l'état supercritique, tel que du CO2 notamment. Comme illustré sur la figure 2, le refroidisseur 1 est constitué de deux boîtes collectrices 2 disposées en vis-à-vis. Entre les boîtes 20 collectrices 2 est disposé un faisceau de canaux d'échange thermique 4 destinés à contenir le fluide réfrigérant, et disposés parallèles entre eux. Ces canaux 4 sont formés dans des tubes 5. Des ailettes de refroidissement 6 sont disposées entre les tubes 5. 25 La figure 3 est une vue en coupe transversale suivant le plan P de la figure 2, de canaux 4 parallèles entre eux. Les tubes 5 sont réalisés dans un matériau avec une anisotropie notamment supérieure à 0.6. Les tubes 5 sont réalisés par extrusion et brasés. 30 Comme visible sur les figures 2 et 3, le refroidisseur de gaz 1 comporte : 3060723 6 - la pluralité de tubes plats 5 formant les canaux 4 dans lesquels circule le fluide frigoporteur, ces tubes 5 étant perpendiculaires à une direction transversale D, o chaque canal 4 présentant une hauteur Tr mesurée 5 suivant cette direction transversale D, o chaque tube 5 plat présentant une hauteur Th mesurée suivant cette direction transversale D, o chaque canal 4 étant séparé d'une face extérieure 8 du tube par une épaisseur Td mesurée suivant cette 10 direction transversale D, o les tubes 5 voisins sont séparés entre eux par un pas Tp mesuré suivant la direction transversale D, - les ailettes 6 disposées dans des passages d'air formés entre deux tubes voisins 5, 15 refroidisseur dans lequel la valeur Pr est choisie comme suit : 0,2482*Td+0,0801 Pr 0,143*Td+0,041 la valeur Pr étant définie par le rapport Th/Tp. Le graphe de la figure 4 montre la relation entre la valeur Pr et Td 20 pour obtenir une performance maximum. Afin d'obtenir la relation sur Pr ci-dessus, il a été procédé à une étape d'optimisation hydraulique associée à la valeur Tr puis à une étape de choix de la valeur Td en fonction de contraintes de fabrication. Puis l'obtention de la relation Pr ci-dessus correspond à une étape 25 d'optimisation aéraulique. Nous allons expliquer ces étapes en référence aux figures 4 à 6. Concernant l'optimisation hydraulique, la hauteur Tr des canaux est choisie comprise entre 0,4 et 0,65 mm, notamment entre 0,42 et 0,5 mm, comme on peut le voir sur la figure 5. Grâce à des simulations numériques 3060723 7 à chute de pression fixée, il a été constaté que dans ces plages de valeurs, la performance de radiation est maximum. Concernant la prise en compte des contraintes de fabrication, l'épaisseur Td est choisie comprise entre 0.1 et 0.35 mm. Les contraintes à 5 prendre en compte sont notamment la pression d'éclatement des tubes. Une valeur Td trop faible génère un risque d'éclatement des tubes et une valeur Td trop élevée entraine une masse excessive des tubes. Quant à l'optimisation aéraulique, la figure 6 montre la relation entre la valeur Pr (qui est égale à Th/Tp) pour différentes valeurs Fh et pour 10 Td=0,3 mm, Fh étant la hauteur des ailettes entre lesquelles circule l'air. La valeur Pr retenue pour une valeur Fh donnée est comprise dans une plage autour de la valeur Pr donnant la performance maximale plus ou moins 2%. L'optimisation hydraulique illustrée à la figure 5 et l'optimisation aéraulique illustrée à la figure 6, en combinaison avec le choix sur la valeur 15 Td, permet d'obtenir la relation illustrée à la figure 4. Dans l'exemple décrit, les paramètres sont choisis de la manière suivante : - Hauteur de tube Th : compris entre 0,9 et 1,3 mm, par exemple 20 égal à 1,13 mm - Section transversale des canaux de forme ovale de ratio d'ovalie compris entre 0,8 et 1, par exemple la largeur de l'ovale est de 0,52 mm et la hauteur de l'ovale est de 0,55 mm - Le nombre de canaux par tube est compris entre 9 et 14, avec 25 un pas entre canaux voisins du tube compris entre 0,85 et 1,1 mm, par exemple égal à 0,94 mm lorsque le nombre de canaux est égale à 12 - Le pas d'ailettes (Fp) est compris entre 0,9 et 1,3 mm, par exemple égal à 1,05 mm. 3060723 8 - L'épaisseur d'ailette est comprise entre 50 et 80 um, par exemple égal à 70 ilm. - L'épaisseur du faisceau est comprise entre 10 mm et 16 mm, par exemple est égal à 12 mm. 5 La distance H entre les deux boites collectrices est de 653 mm. Le pas d'ailettes et l'épaisseur d'ailette sont de préférence définis par la manufacturabilité, la limitation de la chute de pression et la protection anti-corrosion. 10 Le nombre et les dimensions des tubes et des canaux sont de préférence un équilibre entre les contraintes du procédé d'extrusion, la limitation de la chute de pression de l'écoulement du réfrigérant et la résistance mécanique. 15 REVENDICATIONS1. Refroidisseur de gaz (1) pour une installation de climatisation de véhicule automobile, ce refroidisseur comportant : - une pluralité de tubes formant un faisceau de canaux dans lesquels circule un fluide de refroidissement, ces tubes étant perpendiculaires à une direction transversale, o chaque canal (4) présentant une hauteur (Tr) mesurée suivant cette direction transversale, o chaque tube (5) présentant une hauteur (Th) mesurée suivant cette direction transversale, o chaque canal étant séparé d'une face extérieure du tube par une épaisseur (Td) mesurée suivant cette direction transversale, o les tubes voisins sont séparés entre eux par un pas (Tp) mesuré suivant la direction transversale, - au moins une ailette disposée dans un passage d'air formé entre deux tubes voisins, refroidisseur dans lequel la valeur Pr est choisie comme suit : 0,2482*Td+0,0801 Pr 0,143*Td+0,041 la valeur Pr étant définie par le rapport Th/Tp. 2. Refroidisseur de gaz selon la revendication précédente, la hauteur (Tr) des canaux est choisie comprise entre 0,4 et 0,65 mm, notamment entre 0,42 et 0,5 mm. 3. Refroidisseur de gaz selon la revendication 1 ou 2, l'épaisseur (Td) est choisie comprise entre 0.1 et 0.35 mm. 3060 723 10 4. Refroidisseur de gaz selon l'une des revendications précédentes, la hauteur de tube (Th) étant comprise entre 0,9 et 1,3 mm, par exemple égal à 1,13 mm. 5 5. Refroidisseur de gaz selon l'une des revendications précédentes, la section transversale des canaux étant de forme ovale de ratio d'ovalie compris entre 0,8 et 1, par exemple la largeur de l'ovale est de 0,52 mm et la hauteur de l'ovale est de 0,55 mm. 10 6. Refroidisseur de gaz selon l'une des revendications précédentes, le nombre de canaux par tube étant compris entre 9 et 14, avec un pas entre canaux voisins du tube compris entre 0,85 et 1,1 mm, par exemple égal à 0,94 mm lorsque le nombre de canaux est égale à 12 15 7. Refroidisseur selon l'une des revendications précédentes, les tubes étant réalisés dans un matériau avec une anisotropie notamment supérieure à 0.6, les tubes étant notamment réalisés par extrusion et brasés, chacun des canaux ayant notamment une section transversale de 20 forme allongée. 8. Refroidisseur selon l'une des revendications précédentes, le refroidisseur étant agencé pour être disposé sur une ligne haute pression d'un système de climatisation. 25