Brevet FR3056729A1 — publié le 20180330

Boite collectrice pour échangeur de chaleur avec saillies Domaine technique La présente invention concerne le domaine technique des échangeurs à chaleur, et notamment des échangeurs à chaleur pour véhicules, en particulier automobile. Plus particulièrement, la présente invention concerne les boites collectrices de tels échangeurs à chaleur. État de la technique Les boites collectrices pour échangeurs de chaleur sont développées depuis de nombreuses années mais leur géométrie est peu variée. Par exemple, la boite à eau décrite dans FR 2732454 est une boite à eau standard pour un échangeur à chaleur haute température ou basse température et présente un carter ouvert. La section transversale de ce carter fait apparaitre une forme en U dont le volume intérieur est destiné à recevoir un fluide caloporteur. De manière générale, le carter peut être en plastique ou en métal. Dans le cas d'un carter en plastique, le fluide caloporteur ne voit pas sa température diminuer de manière significative au contact des parois de la boite collectrice. Ainsi, le temps passé par le fluide caloporteur dans la boite collectrice est un temps mort pendant lequel il n'y a pas d'échange de chaleur significatif entre le fluide caloporteur et son environnement. Dans le cas d'un carter en métal, cette diminution est plus notable par rapport à un carter en plastique mais demeure peu importante pour avoir un impact positif sur le fluide caloporteur et notamment les performances de l'échangeur de chaleur. À partir de cette géométrie générale, des modifications ont été apportées pour diverses raisons. Par exemple, dans W00131276, le carter de la boite à eau présente des emboutis pour renforcer la structure générale de celle-ci. Les emboutis augmentent la surface d'échange entre le carter et le fluide caloporteur, mais cette augmentation de surface est 30 dérisoire. 3056729 2 Présentation de l'invention Ainsi, il existe toujours un besoin de transformer le temps mort passé par le fluide caloporteur dans la boite collectrice en un temps utile. Pour cela, la présente invention propose une boite collectrice pour échangeur de 5 chaleur comprenant : - un carter présentant une surface extérieure ; - des saillies d'échange thermique sur la surface extérieur du carter. Ainsi, les saillies augmentent les transferts thermiques entre le carter et son environnement extérieur, par exemple l'air entrant sous le capot du véhicule dans lequel 10 la boite collectrice est installée, permettant un refroidissement efficace du carter. In fine, le fluide caloporteur qui entre dans la boite collectrice va être au contact d'un carter plus froid permettant ainsi un échange plus efficace de chaleur entre le fluide caloporteur et le carter. Ainsi, au sein même de la boite collectrice, il n'y a pas d'augmentation de surface d'échange entre le fluide caloporteur et le carter, mais c'est en dehors de la boite 15 collectrice que la surface d'échange entre le carter et son environnement est augmentée. D'autres caractéristiques optionnelles et non limitatives sont décrites ci-après. La boite collectrice peut avantageusement comprendre en outre un matériau à changement de phase à l'intérieur du carter. L'utilisation combinée de la boite collectrice selon l'invention et de matériau à 20 changement de phase dans la boite collectrice permet d'améliorer l'efficacité de l'échange thermique se produisant à l'intérieur de la boite collectrice. Par ailleurs, par rapport à une boite collectrice sans saillies d'échange thermique mais comprenant un matériau à changement de phase dans son carter, la boite collectrice de la présente invention donne de meilleurs résultats car elle permet notamment au matériau à 25 changement de phase de se décharger, i.e. de refroidir, et ainsi de se régénérer. Le carter peut être en plastique ou en métal, et est préférentiellement en aluminium. Les saillies peuvent être des ailettes. Auquel cas, le carter présentant un axe longitudinal, les ailettes peuvent s'étendre transversalement à l'axe longitudinal du carter, préférentiellement à 90° de celui-ci. En variante, les saillies peuvent être des plots. Auquel cas, les plots peuvent être des cylindres droits ou des cônes. Les cylindres droits peuvent être choisis parmi ceux à base circulaire ou rectangulaire. En ce qui concerne les cônes, ceux-ci peuvent être 3056729 3 éventuellement tronqués. Bien entendu, une combinaison de deux ou plusieurs de ces formes de plots peut être utilisée selon les besoins de la boite collectrice. La distance entre deux saillies est avantageusement comprise entre 1 et 3 mm. L'épaisseur des saillies est avantageusement comprise entre 0,5 et 1 mm. 5 Le carter sans les saillies peut être circonscrit dans un parallélépipède de plus faible volume, les saillies sont avantageusement contenues dans le parallélépipède de plus faible volume. La hauteur des saillies est avantageusement inférieure à 10 mm. L'invention prévoit également un échangeur de chaleur comprenant une telle boite 10 collectrice. Dessins D'autres objectifs, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple de réalisation de 15 l'invention et réalisée en référence aux dessins non limitatifs et purement illustratifs suivants : - la figure 1 est une vue en perspective d'un détail d'un échangeur de chaleur comprenant une boite collectrice selon la présente invention ; - la figure 2 est une vue en perspective d'un détail d'un échangeur de 20 chaleur comprenant une boite à eau dont le carter a été partiellement ôté afin de laisser entrevoir le matériau à changement de phase ; la figure 3 est une vue en perspective d'un mode de réalisation d'une boite collectrice à ailettes selon la présente invention ; la figure 3A est un agrandissement de la figure 3 ; et 25 la figure 4 est une vue en perspective d'un mode de réalisation d'une boite collectrice à plots selon la présente invention. Description Une boite collectrice 1 pour échangeur de chaleur selon la présente invention sera 30 décrite ci-après en référence aux figures 1 à 4. La boite collectrice 1 comprend un carter 11 (voir figure 3). Le carter est en plastique ou en métal et présente une surface extérieure 12. Le carter présente typiquement un axe 3056729 4 longitudinal A et une section transverse par rapport à l'axe longitudinal A en U, c'est-à-dire avec une ouverture sur une face. Sur les figures 3 et 4, la face ouverte est opposée à la face visible. Cette ouverture permet la connexion au faisceau d'échange de l'échangeur de chaleur. Le volume intérieur du U est destiné à recevoir un fluide 5 caloporteur pendant le fonctionnement de l'échangeur de chaleur et éventuellement d'autres composants tels qu'un matériau à changement de phase. Ainsi, le carter 11 a une forme de goulot dont les extrémités sont fermées. Par ailleurs, comme visible sur les figures 3 et 4, le « fond » du goulot, i.e. la partie courbe du U, ne présente pas une forme homogène le long de l'axe longitudinal A du carter 11. Le carter 11 est 10 préférentiellement en plastique (par exemple à base de polyamide PA chargé en fibre de verre), ou en aluminium. La boite collectrice 1 comprend également des saillies 13, 14 d'échange thermique sur la surface extérieure 12 du carter 11. Les saillies 13, 14 offrent à la boite collectrice 1 des surfaces d'échange thermique supplémentaires afin de refroidir le carter 11 lors du 15 fonctionnement de l'échangeur à chaleur, le carter 11 à son tour permettant le refroidissement du fluide caloporteur. Les saillies 13, 14 sont préférentiellement venues de matière avec le carter, et peuvent ainsi être en plastique ou en métal (préférentiellement en aluminium). Avantageusement, le carter 11 sans les saillies est circonscrit dans un parallélépipède 20 de plus faible volume P, les saillies 13, 14 sont contenues dans le parallélépipède de plus faible volume P. Le parallélépipède de plus faible volume P est le parallélépipède le plus petit en volume pouvant contenir le carter 11 de la boite collectrice sans prendre en compte les saillies, les éventuels ports pour raccord de tuyau n'étant pas non plus pris en compte. Ainsi, l'encombrement de la boite collectrice 1 et in fine de l'échangeur 25 de chaleur n'est pas augmenté. Dans un premier mode de réalisation, les saillies sont des ailettes 13 (voir figure 3). Les ailettes 13 comme saillies d'échange thermique permettent en outre de renforcer mécaniquement la boite collectrice 1, notamment face aux contraintes de pressions cyclées. Les ailettes 13 peuvent s'étendre transversalement à l'axe longitudinal A du 30 carter 11, préférentiellement à 90° par rapport à celui-ci. Les ailettes 13 sont avantageusement parallèles les unes aux autres permettant la disposition d'un grand nombre d'ailettes sur la surface extérieure 12 du carter 11. 3056729 5 Dans un autre mode de réalisation, les saillies peuvent être des plots 14 (voir figure 4). L'utilisation de plots 14 par rapport aux ailettes 13 a pour avantage l'augmentation de turbulences dans l'air autour de la boite collectrice 1 lors du fonctionnement de celle-ci : ce qui augmente donc le transfert thermique entre la boite collectrice 1 et l'air 5 environnant. Ces plots 14 peuvent être des cylindres droits, préférablement à base circulaire 14a ou rectangulaire 14b (y compris carrée). Les plots 14 peuvent encore être des cônes 14e, éventuellement tronqués. Une combinaison de deux ou plus de types de plots 14 peut être utilisée selon les besoins de la boite collectrice 1. De préférence, les plots 14 sont répartis de manière homogène sur la surface extérieure 12 du carter 11. Par 10 exemple, les plots 14 sont répartis sur la surface extérieure 12 du carter 11 suivant une maille carrée, préférentiellement de manière à ce qu'un côté de la maille carrée soit parallèle à l'axe longitudinal A du carter 11. La distance d entre deux saillies 13, 14 (voir figure 3A) est préférentiellement comprise entre 1 mm et 3 mm permettant de limiter la perte de charge de l'air. La 15 distance d est entendue comme la distance mesurée perpendiculairement, éventuellement perpendiculairement à la tangente, aux faces des saillies 13, 14 au point considéré. Lorsque la distance d est constante le long du carter 11, on parle alors de pas p. Ce pas p est préférentiellement compris entre 1 mm et 3 mm. À pas p identique, on a la 20 même augmentation de transfert de chaleur pour les ailettes 13 et les plots 14 répartis en maille carrée. L'épaisseur e des saillies 13, 14 est préférentiellement constante et comprise entre 0,07 mm et 1 mm, préférentiellement entre 0,5 mm et 1 mm, encore préférentiellement entre 0,7 mm et 1 mm. Les deux derniers intervalles permettent notamment d'éviter que 25 les saillies 13, 14 ne se plient au moindre contact. L'épaisseur e est comprise comme la dimension la plus petite de la saillie 13, 14. Par exemple, pour une ailette 13, l'épaisseur e est la distance entre les deux faces opposées de l'ailette 13 ; pour un plot cylindrique droit à base circulaire 14a, l'épaisseur e est le diamètre de la base circulaire ; pour un plot cylindrique droit à base rectangulaire 14b, respectivement carrée, l'épaisseur e est 30 la largeur de la base rectangulaire, respectivement le côté de la base carrée. Pour les besoins de définition de la présente invention, pour un plot conique 14e ou tronconique (cône tronqué), l'épaisseur e est le diamètre de la base circulaire du cône. 3056729 6 La hauteur h des saillies est préférentiellement inférieure à 10 mm. La hauteur h est comprise comme la distance mesurée en un point de la base de la saillie 13, 14 perpendiculairement à la surface extérieure 12 du carter 11 et la crête de la saillie. De préférence, la hauteur h en chacun des points des saillies 13, 14 est choisie de manière à 5 ce que les saillies 13, 14 occupent la hauteur restante entre la surface extérieure 12 du carter 11 et le parallélépipède de plus faible volume P. Comme illustré à la figure 2, la boite collectrice 1 peut avantageusement comprendre en outre un matériau à changement de phase 2 disposé dans l'espace à l'intérieur du carter 11, c'est-à-dire dans le volume du U. Le matériau à changement de phase 2 est 10 typiquement prévu dans une gaine afin de la contenir dans la boite collectrice 1. La boite collectrice 1 peut également comprendre un port d'entrée 15 de fluide caloporteur, un port de sortie 16 de fluide caloporteur et/ou un port de dégazage/expansion 17 du fluide caloporteur pour le raccord de la boite collectrice respectivement à un tuyau d'arrivée de fluide caloporteur, à un tuyau d'évacuation de 15 fluide caloporteur, à un tuyau de dégazage/expansion du fluide caloporteur. Le port d'entrée 15 est généralement prévu à une extrémité du carter 11 tandis que le port de sortie 16 peut être prévu à tout endroit entre les deux extrémités du carter 11. Quand le port de dégazage/expansion 17 est prévu, celui-ci est préférablement disposé à l'extrémité du carter 11 opposée à celle où se trouve le port d'entrée 15. 20 Cette boite collectrice 1 peut être utilisée dans un échangeur de chaleur 10 et peut être soit une boite à eau, soit une boite à air. Un tel échangeur de chaleur 10 comprend typiquement un faisceau d'échange 3 muni d'une superposition de plaques ou de tubes et ayant généralement une forme parallélépipédique, un carter de faisceau 4 généralement fermé sur quatre faces et ouvert sur deux faces opposées, la boite 25 collectrice 1 étant disposée contre l'une des faces ouvertes de manière à ce qu'un fluide caloporteur puisse passer du faisceau d'échange 3 à la boite collectrice 1 et/ou de la boite collectrice 1 au faisceau d'échange 3. Un tel échangeur de chaleur 10 peut être un radiateur de refroidissement à haute ou basse température, un radiateur de chauffage d'habitacle, un condensateur, un 30 refroidisseur d'air de suralimentation air/air ou air/eau. 3056729 7 Exemples Exemple I Le tableau 1 suivant concerne une boite à eau 1 à ailettes 13 telle que représentée sur la figure 3, c'est-à-dire que les ailettes 13 s'étendent perpendiculairement à l'axe 5 longitudinal A du carter 11. Les ailettes 13 présentent une épaisseur e d'l mm et sont espacées d'un pas p de 3 mm. La surface d'échange extérieur évolue comme représentée dans le tableau en fonction de la hauteur h des ailettes (0 mm correspond à une boite à eau sans ailettes). Dans le tableau ci-dessous, lorsque la hauteur indiquée est X, cela signifie que la distance entre la base et la crête d'une ailette 13 est égale à X en 10 tout point de l'ailette 13 et pour toutes les ailettes 13 sauf là où le parallélépipède de plus faible volume P du carter 11 serait dépassé ; auquel cas, la hauteur h de l'ailette 13 en ce point est maximale sans dépasser le parallélépipède de plus faible volume P. Hauteur d'ailettes Surface d'échange Augmentation par rapport au cas sans ailettes (%) (mm) (mm2) 0 57089,69 0 2 80466,76 40,9 4 95532,75 67,3 6 110573,41 93,7 8 125582,70 120 10 140553,82 146 Tableau 1 15 Exemple 2 Le tableau 1 suivant concerne une boite à eau 1 à plots 14 telle que représentée sur la figure 4, c'est-à-dire répartis selon une maille carrée dont un côté est parallèle à l'axe longitudinal A du carter 11. Les plots 14 présentent une forme cylindrique. Les plots 14 20 présentent une épaisseur e d'l mm et sont espacées d'un pas p de 3 mm. La surface d'échange extérieur évolue comme représentée dans le tableau en fonction de la hauteur h des plots (0 mm correspond à une boite à eau sans plots). Dans le tableau ci-dessous, lorsque la hauteur h indiquée est X, cela signifie que la distance entre la base et le sommet d'un plot est égale à X en tout point du plot 14 et pour tous les plots 14 sauf là 25 où le parallélépipède de plus faible volume P du carter 11 serait dépassé ; auquel cas, la 3056729 8 hauteur h du plot 14 est maximale sans dépasser le parallélépipède de plus faible volume P. Hauteur d'ailettes Surface d'échange Augmentation par rapport au cas sans ailettes (%) (mm) (mm2) 0 57089,69 0 2 83711,34 46,6 4 94337,34 65,2 6 104477,86 83,0 8 114258,47 100 10 123867,94 117 Tableau 2 REVENDICATIONS1. Boite collectrice (1) pour échangeur de chaleur (10) comprenant : - un carter (11) présentant une surface extérieure (12) ; - des saillies (13, 14) d'échange thermique sur la surface extérieure (12) du carter (11). 2. Boite collectrice (1) selon la revendication 1, comprenant en outre un matériau à changement de phase (2) à l'intérieur du carter (11). 3. Boite collectrice (1) selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans laquelle le carter (11) est en plastique. 4. Boite collectrice (1) selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans laquelle le carter (11) est en aluminium. 5. Boite collectrice (1) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les saillies (13, 14) sont des ailettes (13). 6. Boite collectrice (1) selon la revendication 5, dans laquelle le carter (11) présentant un axe longitudinal (A), les ailettes (13) s'étendent transversalement à l'axe longitudinal (A) du carter (11), préférentiellement à 90° par rapport à celui-ci. 7. Boite collectrice (1) selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle les saillies (13, 14) sont des plots (14). 8. Boite collectrice (1) selon la revendication 5, dans laquelle les plots (14) sont des cylindres droits, préférablement à base circulaire (14a) ou rectangulaire (14b), ou des cônes (14c), éventuellement tronqués. 9. Boite collectrice (1) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la distance (d) entre deux saillies (13, 14) est comprise entre 1 et 3 mm. 3056729 10 10. Boite collectrice (1) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'épaisseur (e) des saillies (13, 14) est comprise entre 0,07 mm et 1 mm. 5 11. Boite collectrice (1) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le carter (11) sans les saillies étant circonscrit dans un parallélépipède de plus faible volume (P), les saillies (13, 14) sont contenues dans le parallélépipède de plus faible volume (P). 10 12. Boite collectrice (1) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la hauteur (h) des saillies (13, 14) est inférieure à 10 mm. 13. Échangeur de chaleur (10) comprenant une boite collectrice (1) selon l'une des revendications précédentes. 15