Evaporateur de puissance frigorifique élevée pour boucle de climatisation de véhicule

Abstract

 Le fluide réfrigérant circule dans l'évaporateur en six passes, les deux premières passes étant définies par des trajets élémentaires en U reliant des premier et second espaces collecteurs (21, 22) et les deux passes suivantes par des trajets élémentaires en U reliant un troisième espace collecteur (23) communiquant avec le second espace collecteur (22) et un quatrième espace collecteur (24) séparé du premier espace collecteur (21) par une cloison (17). Selon l'invention, un insert de transition (27) ramène le fluide du quatrième espace collecteur (24) dans un cinquième espace collecteur (25) aligné avec les second et troisième espaces collecteurs (22, 23), d'où il parvient, par l'intermédiaire de trajets élémentaires en U définissant les deux dernières passes, à un sixième espace collecteur (26) aligné avec les premier et quatrième espaces collecteurs (21, 24). Ainsi, le fluide réfrigérant circule dans le même sens que le flux d'air (F1) à refroidir de la première à la seconde passe, et en sens contraire (F2) de la troisième à la quatrième passe et de la cinquième à la sixième passe. Il en résulte une amélioration de la puissance frigorifique et de l'homogénéité de la température de l'air refroidi.

Description

[0001] L'invention concerne un échangeur de chaleur définissant un trajet combiné pour un premier fluide formé d'une multiplicité de premiers trajets élémentaires et un trajet combiné pour un second fluide formé d'une multiplicité de seconds trajets élémentaires, les premiers et seconds trajets élémentaires étant disposés en alternance dans une première direction de manière que chaque trajet élémentaire pour l'un des fluides soit en contact thermique avec au moins un trajet élémentaire adjacent pour l'autre fluide, chaque premier trajet élémentaire ayant une configuration en U dont les deux branches s'étendent dans une seconde direction et sont décalées l'une par rapport à l'autre dans une troisième direction, les première, seconde et troisième directions étant sensiblement perpendiculaires les unes aux autres, chaque second trajet élémentaire s'étendant dans la troisième direction d'une face d'entrée de l'échangeur, proche d'une première branche des premiers trajets élémentaires, à une face de sortie, proche de la seconde branche des premiers trajets élémentaires, les deux branches de chaque premier trajet élémentaire débouchant dans des espaces collecteurs respectifs, les espaces collecteurs reliés auxdites premières branches et ceux reliés auxdites secondes branches étant alignés dans la première direction en des première et seconde rangées respectivement, et les espaces collecteurs communiquant deux à deux de manière à établir un trajet combiné s'étendant d'un espace collecteur d'entrée à un espace collecteur de sortie situés respectivement à des extrémités opposées de l'échangeur dans la première direction.

[0002] De tels échangeurs de chaleur sont utilisés notamment en tant qu'évaporateurs dans des boucles de climatisation de véhicules, le premier fluide étant un fluide réfrigérant circulant dans la boucle, et le second fluide étant de l'air destiné à l'habitacle du véhicule.

[0003] On connaît en particulier des évaporateurs dans lesquels le fluide réfrigérant circule selon un trajet combiné en six passes, un premier sous-ensemble de premiers trajets élémentaires définissant une première passe partant d'un premier espace collecteur appartenant à la seconde rangée et une seconde passe aboutissant à un second espace collecteur appartenant à la première rangée, un second sous-ensemble de premiers trajets élémentaires définissant une troisième passe partant d'un troisième espace collecteur, voisin du second espace collecteur dans la première rangée et communiquant avec celui-ci, et une quatrième passe aboutissant à un quatrième espace collecteur voisin du premier espace collecteur dans la seconde rangée et séparé de celui-ci par une cloison, et un troisième sous-ensemble de premiers trajets élémentaires définissant une cinquième passe partant d'un cinquième espace collecteur voisin du quatrième espace collecteur dans la seconde rangée et communiquant avec celui-ci et une sixième passe aboutissant à un sixième espace collecteur voisin du troisième espace collecteur dans la première rangée et séparé de celui-ci par une cloison.

[0004] Ainsi, de la première passe à la seconde passe, et de la cinquième passe à la sixième passe, le fluide réfrigérant circule de la seconde face vers la première face de l'évaporateur, c'est-à-dire à contre-courant de l'air, tandis qu'il circule de la première face vers la seconde face, c'est-à-dire dans le même sens que l'air, entre la troisième passe et la quatrième passe.

[0005] L'invention a notamment pour but d'améliorer les caractéristiques frigorifiques de l'évaporateur, tant en termes de puissance frigorifique qu'en termes d'homogénéité de la température de l'air refroidi d'un second trajet élémentaire à l'autre.

[0006] L'invention vise notamment un échangeur de chaleur du genre défini en introduction, et prévoit qu'au moins un passage de transition est ménagé entre deux espaces collecteurs appartenant respectivement aux deux rangées, de telle sorte que, dans les premiers trajets élémentaires communiquant directement avec ces deux espaces collecteurs, le fluide circule d'une branche à l'autre dans le même sens par rapport à la troisième direction.

[0007] Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémentaires ou de substitution, sont énoncées ci-après:

• Dans les premiers trajets élémentaires communiquant directement avec lesdits deux espaces collecteurs, le fluide circule de la seconde branche à la première branche.
• Un seul passage de transition est ménagé qui mène du quatrième espace collecteur, appartenant à la première rangée, au cinquième espace collecteur, appartenant à la seconde rangée.
• L'échangeur de chaleur comprend une multiplicité de pochettes empilées dans la première direction, comportant chacune une région de corps délimitant l'un des premiers trajets élémentaires et deux régions de tête, de plus forte épaisseur que la région de corps, juxtaposées à celle-ci dans la seconde direction et juxtaposées entre elles dans la troisième direction, les régions de tête de deux pochettes voisines de l'empilement présentant des parois respectives appliquées les une contre les autres, tandis que leurs régions de corps délimitent entre elles un second trajet élémentaire, chaque espace collecteur étant formé par le volume intérieur d'une région de tête ou par les volumes intérieurs de régions de tête de plusieurs pochettes communiquant entre elles par des ouvertures ménagées dans lesdites parois, chaque passage de transition étant défini par un insert de transition interposé entre deux pochettes de l'empilement, communiquant d'une part avec le volume intérieur d'une région de tête de l'une de ces deux dernières pochettes, appartenant à la première rangée, d'autre part avec le volume intérieur d'une région de tête de l'autre pochette, appartenant à la seconde rangée.
• Il est prévu au moins un insert d'entrée ou de sortie pour le premier fluide, interposé entre deux pochettes de l'empilement, définissant une tubulure d'entrée ou de sortie en saillie sur l'une desdites faces d'entrée et de sortie de l'échangeur, qu'il fait communiquer avec les volumes intérieurs des régions de tête de ces deux dernières pochettes appartenant à l'une desdites rangées, et faisant communiquer entre eux les volumes intérieurs des régions de tête des mêmes pochettes appartenant à l'autre rangée.
• Des perforations sont ménagées dans au moins une cloison séparant entre eux deux espaces collecteurs voisins d'une même rangée, pour créer un chemin de fuite pour le premier fluide en dérivation du ou des premiers trajets élémentaires interposés entre ces deux espaces collecteurs.
• Lesdites perforations sont ménagées dans une paroi de l'insert de transition.
• Ledit chemin de fuite est créé entre les troisième et cinquième espaces collecteurs.
• La surface totale des perforations ménagées dans une cloison est comprise entre 3 et 10 %, et de préférence entre 4 et 6 %, de la section de passage entre deux espaces collecteurs communiquant directement entre eux.
• Lesdites perforations ont un diamètre compris entre 1 et 3 mm.

[0008] Les caractéristiques et avantages de l'invention seront exposés plus en détail dans la description ci-après, en se référant aux dessins annexés.

[0009] La figure 1 est une vue de dessus en coupe d'un évaporateur selon l'invention.

[0010] La figure 2 est un graphique montrant les performances frigorifiques respectives d'un évaporateur selon l'invention et d'un évaporateur à circuitage classique.

[0011] La figure 1 représente un évaporateur selon l'invention, en coupe selon le plan passant par les axes des deux rangées d'espaces collecteurs. Cet évaporateur est constitué essentiellement par un empilement de pochettes et d'intercalaires ondulés tel que décrit par exemple dans FR 2 747 462 A, auquel on pourra se reporter pour plus de détails sur la structure de cet empilement. Chaque pochette 1 est formée de deux plaques de tôle embouties en forme de cuvettes 2 et 3. Ces dernières sont identiques entre elles et ont leurs concavités tournées l'une vers l'autre, soit respectivement vers la droite et vers la gauche de la figure. Chaque cuvette présente un bord périphérique 4 situé dans un plan perpendiculaire à celui de la figure, et les bords périphériques 4 des deux cuvettes formant une pochette sont mutuellement assemblés de façon étanche au fluide, par exemple par brasage, pour délimiter le volume intérieur de la pochette. Chaque pochette présente deux régions de tête 5 et 6, situées respectivement vers le bas et vers le haut de la figure, définies par des emboutis profonds des plaques 2, 3. Les régions de tête 5 et 6 occupent une fraction minoritaire de la hauteur de l'évaporateur à la partie supérieure de celui-ci, le reste de la hauteur, en arrière du plan de la figure, étant occupé par une région de corps de plus faible épaisseur. Les volumes intérieurs des régions 5 et 6 de chaque pochette sont séparés l'un de l'autre par une zone de jonction étanche 7 entre les deux cuvettes à mi-largeur de la pochette, cette zone de jonction se prolongeant vers le bas jusqu'au voisinage de l'extrémité inférieure de la pochette de façon à définir dans la région de corps de celle-ci un trajet élémentaire en U pour le fluide réfrigérant entre ces deux volumes. Une plaque 2 et une plaque 3 voisines appartenant à deux pochettes différentes sont en appui mutuel par leurs fonds 8 dans les régions 5 et 6, et séparées l'une de l'autre, dans la région de corps, par un intervalle garni d'un intercalaire ondulé définissant un trajet élémentaire pour l'air à refroidir, parallèlement au plan de la figure, selon la flèche F1. Les fonds 8 en contact mutuel sont brasés ensemble et certains d'entre eux sont traversés par des ouvertures 9 faisant communiquer entre eux les volumes intérieurs correspondants.

[0012] De manière connue, l'évaporateur comprend un insert d'entrée de fluide 10 et un insert de sortie de fluide 11 qui sont empilés avec les pochettes 1, chaque insert étant interposé entre les régions 5 et 6 d'une pochette d'une part et les régions 5 et 6 d'une autre pochette d'autre part. Les inserts 10 et 11 sont par exemple du type décrit dans FR 2 757 618 A. Les inserts 10 et 11 sont tous deux identiques et définissent chacun une tubulure d'entrée ou de sortie 12 faisant saillie par rapport à la face d'entrée 13 de l'évaporateur, c'est-à-dire la face par laquelle pénètre le flux d'air F1, et un volume intérieur divisé par une cloison 14 en une partie 15 qui communique avec les volumes intérieurs des régions 5 des pochettes voisines et une partie 16 qui communique avec les volumes intérieurs des régions 6 de ces pochettes.

[0013] Le fluide réfrigérant pénétrant dans l'évaporateur par la tubulure d'entrée 12 de l'insert 10 se répartit, par l'intermédiaire du volume 15, entre les volumes intérieurs des régions 5 compris entre une extrémité 20 de l'évaporateur, située à gauche de la figure, et une cloison 17 formée par les fonds de deux cuvettes non munis d'ouverture 9, ces volumes intérieurs formant un premier espace collecteur 21. A partir de l'espace collecteur 21, le fluide parcourt en parallèle les trajets élémentaires en U délimités par les pochettes qui le définissent, les branches proches de la face 13 et les branches proches de la face opposée ou face de sortie 18 formant respectivement une première passe et une seconde passe, cette dernière aboutissant à un second espace collecteur 22 formé par les volumes intérieurs des régions 6 des mêmes pochettes qui forment l'espace collecteur 21. L'espace collecteur 22 communique par des ouvertures 9-1 avec un troisième espace collecteur 23, lequel est relié à son tour à un quatrième espace collecteur 24, séparé de l'espace 21 par la cloison 17, par l'intermédiaire de trajets élémentaires en U formant une troisième passe et une quatrième passe.

[0014] Selon l'invention, un insert de transition 27 est interposé dans l'empilement de pochettes, à la suite des pochettes définissant les espaces collecteurs 23 et 24. L'insert 27 définit un volume intérieur unitaire 28 s'étendant sur toute la largeur de l'évaporateur, ne communiquant pas avec l'extérieur de celui-ci, séparé de l'espace 23 par une paroi 29 et communiquant avec l'espace 24. De même, le volume 28 communique avec un espace collecteur 25 formé par les volumes intérieurs des régions 6 des pochettes situées à droite de l'insert 27 et jusqu'à l'extrémité droite 30 de l'évaporateur, et est séparé par une paroi 31 d'un espace collecteur 26 formé par les régions 5 des mêmes pochettes. Ainsi, l'insert 27 fait passer le fluide du quatrième espace collecteur 24, situé dans la rangée proche de la face 13, au cinquième espace collecteur 25, situé dans la rangée proche de la face 18, d'où il parvient, par l'intermédiaire de trajets élémentaires en U formant des cinquième et sixième passes, au sixième espace collecteur 26, lequel communique avec la tubulure de sortie 12 par l'intermédiaire du volume 15 de l'insert de sortie 11.

[0015] Grâce à l'insert de transition 27, le fluide réfrigérant circule deux fois de suite en sens inverse de l'air selon la flèche F2, à savoir entre les troisième et quatrième passes et entre les cinquième et sixième passes, la circulation s'effectuant dans le même sens que l'air, selon la flèche F1, seulement entre les deux premières passes. Ce circuitage améliore la puissance frigorifique de l'évaporateur par rapport au circuitage classique dans lequel le fluide réfrigérant circule en sens inverse de l'air entre les deux premières passes et entre les deux dernières passes, et dans le même sens que celui-ci entre les troisième et quatrième passes. C'est ce que montre la figure 2, dans laquelle la courbe en trait plein et la courbe en trait interrompu représentent la variation de la puissance frigorifique produite en fonction du débit d'air, respectivement pour un évaporateur selon l'invention et pour un évaporateur analogue à circuitage classique.

[0016] On constate également une amélioration de l'homogénéité de la température de l'air refroidi d'une extrémité à l'autre de l'évaporateur.

[0017] Ces caractéristiques de fonctionnement peuvent encore être améliorées en prévoyant dans la paroi 29 des trous 32 créant un chemin de fuite entre les espaces collecteurs 23 et 25. Avantageusement, la surface totale des trous 32 est comprise entre 3 et 10 %, et de préférence entre 4 et 6 %, de la surface des ouvertures 9 reliant entre eux deux volumes appartenant à un même espace collecteur, ou faisant communiquer entre eux deux espaces collecteurs.

[0018] Bien que l'évaporateur ait été décrit ci-dessus en supposant que les régions de tête des pochettes se situent à la partie supérieure, il peut également être orienté différemment.

[0019] L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté. En particulier, l'échangeur de chaleur selon l'invention peut comporter plus d'un insert de transition. L'insert d'entrée et/ou l'insert de sortie peuvent être supprimés en fonction de l'implantation des tubulures d'entrée et de sortie. Le nombre de passes peut être différent de six. L'échangeur de chaleur peut exercer une autre fonction que celle d'un évaporateur de climatisation de véhicule, et peut être réalisé selon une autre technologie que celle des pochettes empilées.

Revendications

1. Échangeur de chaleur, notamment évaporateur pour une boucle de climatisation de véhicule, définissant un trajet combiné pour un premier fluide formé d'une multiplicité de premiers trajets élémentaires et un trajet combiné pour un second fluide formé d'une multiplicité de seconds trajets élémentaires, les premiers et seconds trajets élémentaires étant disposés en alternance dans une première direction de manière que chaque trajet élémentaire pour l'un des fluides soit en contact thermique avec au moins un trajet élémentaire adjacent pour l'autre fluide, chaque premier trajet élémentaire ayant une configuration en U dont les deux branches s'étendent dans une seconde direction et sont décalées l'une par rapport à l'autre dans une troisième direction, les première, seconde et troisième directions étant sensiblement perpendiculaires les unes aux autres, chaque second trajet élémentaire s'étendant dans la troisième direction d'une face d'entrée (13) de l'échangeur, proche d'une première branche des premiers trajets élémentaires, à une face de sortie (18), proche de la seconde branche des premiers trajets élémentaires, les deux branches de chaque premier trajet élémentaire débouchant dans des espaces collecteurs respectifs, les espaces collecteurs (21, 24, 26) reliés auxdites premières branches et ceux (22, 23, 25) reliés auxdites secondes branches étant alignés dans la première direction en des première et seconde rangées respectivement, et les espaces collecteurs communiquant deux à deux de manière à établir un trajet combiné s'étendant d'un espace collecteur d'entrée (21) à un espace collecteur de sortie (26) situés respectivement à des extrémités opposées (20, 30) de l'échangeur dans la première direction, caractérisé en ce qu'au moins un passage de transition (28) est ménagé entre deux espaces collecteurs (24, 25) appartenant respectivement aux deux rangées, de telle sorte que, dans les premiers trajets élémentaires communiquant directement avec ces deux espaces collecteurs, le fluide circule d'une branche à l'autre dans le même sens (F2) par rapport à la troisième direction.

2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, dans lequel, dans les premiers trajets élémentaires communiquant directement avec lesdits deux espaces collecteurs, le fluide circule de la seconde branche à la première branche.

3. Échangeur de chaleur selon la revendication 2, comprenant six espaces collecteurs parcourus successivement par le premier fluide et définissant pour celui-ci un trajet combiné en six passes, partant d'un premier espace collecteur (21) appartenant à la première rangée et aboutissant à un sixième espace collecteur (26) appartenant à la première rangée, et dans lequel est ménagé un seul passage de transition (28) qui mène du quatrième espace collecteur (24), appartenant à la première rangée, au cinquième espace collecteur (25), appartenant à la seconde rangée.

4. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, comprenant une multiplicité de pochettes (1) empilées dans la première direction, comportant chacune une région de corps délimitant l'un des premiers trajets élémentaires et deux régions de tête (5, 6), de plus forte épaisseur que la région de corps, juxtaposées à celle-ci dans la seconde direction et juxtaposées entre elles dans la troisième direction, les régions de tête de deux pochettes voisines de l'empilement présentant des parois respectives (8) appliquées les une contre les autres, tandis que leurs régions de corps délimitent entre elles un second trajet élémentaire, chaque espace collecteur étant formé par le volume intérieur d'une région de tête ou par les volumes intérieurs de régions de tête de plusieurs pochettes communiquant entre elles par des ouvertures (9) ménagées dans lesdites parois, chaque passage de transition étant défini par un insert de transition (27) interposé entre deux pochettes de l'empilement, communiquant d'une part avec le volume intérieur d'une région de tête (5) de l'une de ces deux dernières pochettes, appartenant à la première rangée, d'autre part avec le volume intérieur d'une région de tête (6) de l'autre pochette, appartenant à la seconde rangée.

5. Échangeur de chaleur selon la revendication 4, dans lequel est prévu au moins un insert d'entrée ou de sortie (10, 11) pour le premier fluide, interposé entre deux pochettes de l'empilement, définissant une tubulure (12) d'entrée ou de sortie en saillie sur l'une desdites faces d'entrée et de sortie de l'échangeur, qu'il fait communiquer avec les volumes intérieurs des régions de tête (5) de ces deux dernières pochettes appartenant à l'une desdites rangées, et faisant communiquer entre eux les volumes intérieurs des régions de tête (6) des mêmes pochettes appartenant à l'autre rangée.

6. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel des perforations (32) sont ménagées dans au moins une cloison (29) séparant entre eux deux espaces collecteurs voisins (23, 25) d'une même rangée, pour créer un chemin de fuite pour le premier fluide en dérivation du ou des premiers trajets élémentaires interposés entre ces deux espaces collecteurs.

7. Échangeur de chaleur selon la revendication 6, rattachée à la revendication 4, dans lequel lesdites perforations sont ménagées dans une paroi (29) de l'insert de transition (27).

8. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 6 et 7, rattachée à la revendication 3, dans lequel ledit chemin de fuite est créé entre les troisième et cinquième espaces collecteurs.

9. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel la surface totale des perforations ménagées dans une cloison est comprise entre 3 et 10 %, et de préférence entre 4 et 6 %, de la section de passage (9) entre deux espaces collecteurs communiquant directement entre eux.

10. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 6 à 9, dans lequel lesdites perforations ont un diamètre compris entre 1 et 3 mm.

Dessins