Tube d'échangeur de chaleur à deux courants de circulation et échangeur de chaleur comportant de tels tubes

Abstract

 Le tube plat, pour un échangeur de chaleur, notamment de véhicule automobile, comporte un insert (60) possédant un pli central (62) formant une cloison de séparation qui délimite deux canaux de circulation (66, 68) pour un fluide caloporteur. L'insert (60) comporte des ondulations (70). L'une de ces ondulations constitue la cloison de séparation (62). Avantageusement, les ondulations (70) de l'insert situées de part et d'autre du pli central (62) comportent des persiennes. Le tube peut être fermé à une extrémité, ou comporter deux extrémités ouvertes.

Description

[0001] L'invention se rapporte au domaine des échangeurs de chaleur, notamment pour véhicules automobiles. Elle concerne un tube apte à faire partie d'un échangeur de chaleur tel qu'un radiateur de refroidissement du moteur d'un véhicule automobile.

[0002] Plus particulièrement, elle concerne un tube plat pour un échangeur de chaleur, comportant un insert possédant un pli intermédiaire, notamment un pli central, formant une cloison de séparation qui délimite deux canaux de circulation pour un fluide caloporteur.

[0003] Elle concerne également un échangeur de chaleur, notamment pour un véhicule automobile, comprenant au moins une rangée de tubes plats présentant deux canaux de circulation de fluide délimités par une cloison de séparation, une plaque collectrice percée d'ouvertures de réception des tubes, un couvercle pour fermer la plaque collectrice et former ainsi une boîte collectrice, ainsi qu'un joint d'étanchéité plan disposé sur la plaque collectrice pour assurer une étanchéité avec le couvercle. La boîte collectrice est alors divisée par une cloison pour délimiter deux chambres qui communiquent respectivement avec un premier canal et un second canal de chaque tube, la circulation du fluide dans les canaux de chaque tube se faisant à contre-courant.

[0004] On connaît déjà, d'après GB 2 166 862 A, un tube d'échangeur de chaleur du type défini ci-dessus. Dans chaque tube est inséré un profilé qui, d'une part, forme une cloison centrale de séparation qui permet de délimiter deux canaux de circulation du fluide et qui, d'autre part, génère des turbulences dans l'écoulement du fluide.

[0005] Toutefois, un tube de ce type présente des inconvénients. Il entraîne des pertes de charge élevées. D'autre part, la surface d'échange entre le fluide et l'insert est peu importante.

[0006] En ce qui concerne l'échangeur de chaleur, on connaît des publications de brevet (par exemple EP 0 764 823 A1 et EP 0 964 218 A2) qui décrivent des échangeurs de chaleur comportant une rangée de tubes possédant deux canaux de circulation délimités par une cloison et une paroi de séparation, disposée dans la boîte collectrice, afin de la diviser en deux chambres. Toutefois, l'ensemble de ces documents concerne des échangeurs assemblés par brasage.

[0007] L'invention concerne un échangeur de chaleur qui peut être réalisé non seulement sous la forme d'un échangeur assemblé par brasage, mais aussi sous la forme d'un échangeur de chaleur assemblé mécaniquement.

[0008] Dans le cas d'un échangeur assemblé par brasage, les tubes sont brasés dans les ouvertures de la plaque collectrice et le joint d'étanchéité assure seulement l'étanchéité entre la plaque collectrice et le couvercle.

[0009] Par contre, dans le cas d'un échangeur assemblé mécaniquement, l'étanchéité entre les tubes et la plaque collectrice est obtenue par l'intermédiaire du même joint d'étanchéité, l'extrémité des tubes étant évasée afin de comprimer le joint d'étanchéité.

[0010] La réalisation d'un échangeur de chaleur assemblé mécaniquement pose des problèmes spécifiques qui ne sont pas résolus par les documents cités.

[0011] En conséquence, l'invention concerne un tube plat d'échangeur de chaleur à deux canaux de circulation générant des pertes de charge réduites et permettant une surface de contact élevée entre le fluide caloporteur et le tube. -

[0012] Ces buts sont atteints, conformément à l'invention, par le fait que l'insert comporte des ondulations et par le fait que l'une au moins de ces ondulations constitue la cloison de séparation.

[0013] La présence d'ondulations permet d'augmenter la surface de l'insert, et par conséquent la surface d'échange entre le tube et le fluide caloporteur. D'autre part, les ondulations étant disposées dans le sens de l'écoulement du fluide, elles n'engendrent pas de perte de charges significatives.

[0014] De préférence, les ondulations de l'insert situées de part et d'autre de l'ondulation formant la cloison de séparation comportent des persiennes, c'est-à-dire des ouvertures ou ajours permettant au fluide de traverser les ondulations au sein d'un même canal.

[0015] Ces persiennes permettent ainsi une meilleure homogénéisation et une meilleure répartition du fluide dans les deux canaux de circulation.

[0016] Les ondulations de l'insert situées de part et d'autre de l'ondulation formant la cloison de séparation s'étendent de préférence sur toute la hauteur du tube entre deux parois opposées.

[0017] Les ondulations de l'insert situées de part et d'autre de l'ondulation formant la cloison de séparation peuvent avoir la même forme que cette dernière ondulation, ou bien elles peuvent avoir une forme différente de cette dernière ondulation.

[0018] Le pli intermédiaire est de préférence situé sensiblement à la mi-largeur de chacune de deux parois opposées du tube, de manière à constituer un pli central.

[0019] Cependant, il est envisageable aussi que le pli intermédiaire soit décalé par rapport à la mi-largeur de chacune de deux parois opposées du tube, de manière à constituer un pli décentré.

[0020] Dans une variante de réalisation, le tube est fermé à une extrémité, l'insert présentant une longueur inférieure à la longueur du tube afin de ménager un passage libre permettant le changement du sens de circulation du fluide.

[0021] Dans une autre réalisation, le tube est ouvert à ses deux extrémités.

[0022] Dans ce cas, la circulation du fluide caloporteur peut s'effectuer dans le même sens dans les deux canaux de circulation. Ou bien, la seconde extrémité ouverte du tube peut être raccordée à une seconde boîte collectrice dans laquelle s'effectue le changement du sens de circulation du fluide.

[0023] Les problèmes particuliers liés à la réalisation d'un échangeur de chaleur, de type brasé ou de type assemblé mécaniquement, sont résolus par le fait que la boîte collectrice est divisée en une première et une seconde chambre par une paroi de séparation et par le fait que chaque tube comporte une découpe au niveau de sa cloison de séparation afin de permettre à la paroi de séparation de la boîte collectrice de s'appliquer avec étanchéité sur une surface d'appui du joint d'étanchéité, qui est insérée dans la découpe.

[0024] Dans le cas d'un échangeur assemblé mécaniquement, les tubes plats sont assemblés mécaniquement à la plaque collectrice, le joint d'étanchéité assurant aussi une étanchéité entre les tubes plats et les ouvertures de la plaque collectrice.

[0025] Dans le cas d'un échangeur assemblé par brasage, les tubes plats sont brasés à la plaque collectrice, le joint d'étanchéité assurant seulement une étanchéité entre la plaque collectrice et le couvercle.

[0026] Avantageusement, les tubes de l'échangeur de chaleur comportent des ondulations, l'une de ces ondulations constituant la cloison de séparation.

[0027] Toutefois, cette réalisation n'est pas la seule possible. La cloison de séparation peut également être constituée par une jambe de force, ou par deux demi-jambes de force. Les tubes de l'échangeur peuvent également être constitués par l'assemblage de deux tubes à un seul canal.

[0028] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées. Sur ces figures :

• la figure 1 est une vue schématique montrant la réalisation générale d'un échangeur de chaleur à tubes ;
• la figure 2 est une vue de détail en coupe qui explique l'assemblage des tubes à la plaque collectrice dans un échangeur de chaleur assemblé mécaniquement ;
• la figure 3 est une vue de détail en coupe, analogue à la figure 2, qui explique l'assemblage des tubes à la plaque collectrice dans un échangeur de chaleur assemblé par brasage;
• la figure 4 est une vue de détail en section transversale de la boîte collectrice d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention ;
• la figure 5 est une vue schématique en coupe d'un tube conforme à l'invention comportant un insert possédant des ondulations ;
• les figures 6 et 7 illustrent deux variantes de réalisation du tube et de l'insert de la figure 5 ;
• les figures 8 et 9 sont respectivement une vue en perspective du tube de la figure 5 et de l'insert de ce tube ;
• la figure 10 est une vue en plan du joint d'étanchéité de l'échangeur de chaleur, de type à assemblage mécanique, de la figure 3 ;
• la figure 11 est une vue en plan d'un joint d'étanchéité pour un échangeur de chaleur, de type à assemblage brasé ; et
• les figures 12 à 14 illustrent différentes variantes de réalisation d'un tube destiné à un échangeur de chaleur tel que celui de la figure 4.

[0029] L'échangeur de chaleur représenté à la figure 1 comprend un faisceau de tubes 10 disposé entre deux boîtes collectrices 12 et 14. Les tubes 10 alternent avec des intercalaires ondulés 18. Un intercalaire, disposé entre deux tubes 10 adjacents, vient au contact respectif des deux tubes par des régions d'extrémité des ondulations.

[0030] Dans un échangeur de ce type, les tubes 10 présentent une forme généralement plane, c'est-à-dire qu'ils sont délimités par deux grandes faces parallèles qui sont réunies entre elles par deux petites faces, planes ou incurvées. Ces tubes possèdent une extrémité insérée dans la boîte collectrice supérieure 12 et une autre extrémité insérée dans la boîte collectrice inférieure 14. L'échangeur peut également ne comporter qu'une seule boîte collectrice. Dans ce cas, l'extrémité inférieure des tubes est obturée et la circulation du fluide s'effectue alternativement dans un sens puis dans l'autre à l'intérieur des tubes. Les échangeurs du type représentés sur la figure 1 peuvent être assemblés par brasage.

[0031] Toutefois, l'invention concerne aussi bien un échangeur assemblé mécaniquement comme représenté sur la figure 2 qu'un échangeur assemblé par brasage comme représenté sur la figure 3. Comme on le voit sur la figure 2, une plaque collectrice 20, également appelée collecteur ou plaque à tubes, est perforée d'ouvertures allongées dont la forme correspond à la section des tubes. Une extrémité 24 du tube 10 est reçue dans la perforation 22. Un joint d'étanchéité 26 est disposé sur la plaque collectrice 20. Ce joint comporte des ouvertures 28 qui se superposent aux ouvertures 22 de la plaque collectrice.

[0032] Dans une première étape, chaque tube 10 est introduit au travers de la plaque collectrice 20 en traversant l'ouverture 22 et l'ouverture 28 du joint d'étanchéité 26. Puis l'extrémité 24 du tube est élargie afin de pincer le joint d'étanchéité de manière à réaliser une liaison étanche entre la plaque collectrice 20 et l'extrémité du tube 10. Un couvercle 30 ferme la plaque collectrice 20 de manière à réaliser la boîte collectrice 12 ou 14. Le couvercle 30 est muni d'un rebord périphérique 32. Des pattes 34 découpées dans la plaque collectrice 20 sont repliées et serties sur le rebord périphérique 32 de manière à appliquer ce dernier sur le joint d'étanchéité 26. Ainsi, le joint 26 réalise d'une part l'étanchéité entre les tubes et la plaque collectrice 20 et, d'autre part, l'étanchéité entre le couvercle 30 et la plaque collectrice 20. Sur la figure 2, le volume intérieur de la boîte collectrice 12 ne constitue qu'une seule chambre.

[0033] Dans le cas d'un échangeur assemblé par brasage (figure 3), l'extrémité 24 de chaque tube 10 est brasée dans l'ouverture correspondante de la plaque collectrice 20, et le joint 26 réalise seulement l'étanchéité entre le couvercle 30 et la boîte collectrice 20. Dans une autre réalisation, non représentée, le couvercle peut être réalisé en un matériau métallique. En ce cas, l'assemblage entre le couvercle et la boîte collectrice peut se faire par brasage, ce qui évite de recourir à un joint d'étanchéité.

[0034] L'invention concerne, au contraire, une boîte collectrice 36, telle que représentée sur la figure 3, comportant une paroi de séparation 38 qui divise le volume intérieur du couvercle 40 en une première chambre 42 et une seconde chambre 44. En outre, conformément à une autre caractéristique de l'invention, chacun des tubes 46 peut posséder une découpe 48 disposée dans le prolongement de la paroi de séparation 36 lorsque les tubes sont en place dans la plaque collectrice 50.

[0035] Un joint d'étanchéité 52 est disposé sur la plaque collectrice 50.

[0036] On a représenté sur la figure 10 une vue de dessus du joint 52 dans le cas d'un échangeur à assemblage mécanique. Il possède une forme générale rectangulaire allongée dont la forme correspond à celle de la plaque collectrice 50. Il est perforé d'ouvertures 54 disposées en regard des ouvertures de la plaque collectrice 50. La forme de ces ouvertures correspond à la section extérieure des tubes 46. Toutefois, les ouvertures 54 sont divisées en deux zones 54a et 54b par une languette 56 disposée, dans l'exemple, selon l'axe médian XX du joint 52. Lorsque les tubes 46 sont insérés dans les ouvertures de la plaque collectrice 50, la languette 56 vient se placer à l'intérieur de la découpe 48.

[0037] Avantageusement, la largeur de la languette 56 s'adapte à la largeur de la découpe. Grâce à la présence de la découpe 48, la paroi de séparation 38 peut s'appliquer sur le joint 52 et plus précisément sur la partie médiane du joint définie par la languette 56. On réalise ainsi une étanchéité entre la première et la seconde chambre 42, 44 de la boîte collectrice 36. L'étanchéité entre les tubes 46 et la plaque collectrice 50 (dans le cas d'un échangeur à assemblage mécanique) est réalisée, de manière conventionnelle, par évasement de l'extrémité supérieure du tube comme on l'a décrit en référence à la figure 2. En outre, l'étanchéité entre le rebord périphérique 58 du couvercle 40 et la plaque collectrice 50 est réalisée, de manière conventionnelle, comme décrit également en référence à la figure 2. On constate ainsi que le joint d'étanchéité 52 assure une triple fonction.

[0038] Dans le cas d'un échangeur à assemblage brasé, le joint doit assurer une double fonction, à savoir d'une part l'étanchéité entre le rebord périphérique du couvercle et la boîte collectrice, et d'autre part l'étanchéité au niveau de la paroi de séparation 38 de la boîte collectrice. Le joint 52 représenté sur la figure 11 convient précisément à un échangeur à assemblage brasé. Il comprend un rebord périphérique 59 de forme générale rectangulaire et une languette 56 disposée selon l'axe médian XX du joint. Cette languette vient, au montage, réaliser l'étanchéité entre la plaque collectrice et la paroi de séparation du couvercle.

[0039] On a représenté sur la figure 5 une vue en section transversale d'un tube 46 de l'échangeur représenté sur la figure 4. Il s'agit d'un tube plat de section rectangulaire délimité par deux grandes faces parallèles réunies par deux petites faces parallèles. La distance entre les grandes faces correspond à la hauteur H du tube, ou encore à la largeur de la section rectangulaire. Un insert désigné par la référence générale 60 est introduit à l'intérieur du tube 46. L'insert 60 comporte, conformément à l'invention, un pli intermédiaire 62, ici un pli central, qui s'étend d'une paroi 63 à l'autre paroi 65 du tube (entre les grandes faces). Ainsi, lorsque le tube est brasé, le pli central 62 réalise une séparation étanche d'un premier canal 66 et d'un second canal 68 pour la circulation d'un fluide caloporteur.

[0040] Le pli central 62 est lisse et présente une section en V et vient en contact étanche avec l'intérieur des parois 63 et 65 pour délimiter un "canal mort" 69 dans lequel aucun fluide ne circule. Ce canal 69 est matérialisé par des hachures sur les figures 5 et 8.

[0041] En outre, l'insert 60 comporte, de part et d'autre du pli central 62 des ondulations 70 qui permettent d'améliorer l'échange thermique entre le fluide qui circule dans les tubes 46 et les parois du tube lui-même. Les ondulations 70 peuvent, comme représenté sur la figure 4, s'étendre de la paroi 63 à la paroi 65 sur toute la hauteur H du tube. En d'autres termes, l'amplitude des ondulations 70 peut être égale à celle du pli central 62. Cela signifie alors, dans l'exemple, que le pli central 62 et les ondulations 70 ont la même forme. Ces ondulations peuvent présenter une forme sensiblement sinusoïdale ou une forme constituée par des segments rectilignes reliés deux à deux par des arrondis.

[0042] Dans le cas des figures 5 et 8, le pli intermédiaire 62, ou pli central, et les ondulations 70 ont la même forme définie par une section en V. Toutefois, le pli intermédiaire et les ondulations peuvent avoir des formes différentes, comme illustré aux figures 6 et 7.

[0043] La figure 6 montre un pli intermédiaire 62 de forme tronconique et des ondulations 70 ayant une section en V, alors que la figure 7 montre un pli intermédiaire 62 ayant une section en V et des ondulations 70 de forme tronconique. Dans le cas des figures 5, 6 et 7, le pli intermédiaire est situé sensiblement à la mi-largeur L/2 des parois 63 et 65 et constitue alors un pli central.

[0044] Toutefois, le pli intermédiaire peut être décentré ou décalé par rapport à la mi-largeur pour former alors un pli décentré.

[0045] La forme de l'insert est susceptibles de nombreuses variantes, les figures 5, 6 et 7 n'étant données qu'à titre d'exemple.

[0046] Dans le cas des figures 5, 6 et 7, de préférence, comme représenté sur la figure 9, l'insert 60 comporte des persiennes 72 qui permettent le passage du fluide caloporteur d'une ondulation à l'autre, à l'exception du pli intermédiaire 62 (ici le pli central 62) qui est lisse et ne comporte pas de persiennes. Ces persiennes constituent des ajours ou ouvertures permettant au fluide de traverser l'épaisseur de l'insert tout en restant dans le même canal 66 ou 68. La circulation du fluide dans les canaux 66 et 68 s'effectue de préférence à contre-courant, comme illustré par les flèches des figures 4 et 8.

[0047] Dans une variante de réalisation, les ondulations 70 peuvent avoir une amplitude inférieure à la hauteur H du tube et ne pas comporter de persiennes.

[0048] Le pli central 62, comme représenté sur les figures 5 à 7, se trouve dans l'alignement de la paroi de séparation 38. Il est, d'autre part, situé juste sous la languette 56 (figure 10 ou figure 11). Par suite, la languette d'étanchéité 56 est serrée entre le pli central 62 et l'extrémité de la paroi de séparation 38. Pour obtenir une bonne étanchéité, il est par conséquent nécessaire que l'extrémité du pli central 62 soit située dans l'alignement de la surface de la plaque collectrice 50 sur laquelle est disposé le joint d'étanchéité 52. Si l'extrémité du pli 62 est en retrait par rapport à cette surface, un jeu risque d'apparaître, conduisant à l'apparition de fuites. Au contraire, si l'extrémité du pli central 62 fait saillie au-dessus de la surface de la plaque collectrice 50, la languette 56 du joint d'étanchéité 52 sera comprimée excessivement. Elle risque par conséquent d'être découpée par le pli 62.

[0049] Le tube décrit en référence aux figures 5, 8 et 9 représente un mode de réalisation préférée de l'invention. Toutefois, l'échangeur de chaleur décrit sur la figure 4 peut également recevoir d'autres types de tubes. Sur la figure 12 on a représenté un tube comportant deux canaux de circulation 66 et 68 délimités par une jambe de force 76. Sur la figure 14, le tube 78 comporte deux canaux 66 et 68 délimités par deux demi-jambes de force 77.

[0050] Enfin, sur la figure 10, on a réalisé un tube bi-canaux 82 en associant deux tubes 84 à un seul canal par leurs petits côtés 86. Les deux tubes 84 sont brasés ensemble de manière à réaliser un tube à deux canaux 66 et 68. Quelle que soit la réalisation, la cloison de séparation 76, 80 ou 86 joue le même rôle que le pli central 62 du tube décrit en référence aux figures 4 à 6.

[0051] L'invention trouve une application particulière aux échangeurs de chaleur de véhicules automobiles et notamment aux radiateurs de refroidissement des moteurs de ces véhicules.

Revendications

1. Echangeur de chaleur, notamment pour un véhicule automobile, comprenant au moins une rangée de tubes plats (46) présentant deux canaux de circulation (66, 68) délimités par une cloison de séparation (62, 76, 80, 86), une plaque collectrice (50) percée d'ouvertures de réception des tubes (46), un couvercle (40) pour fermer la plaque collectrice (50) et former ainsi une boîte collectrice (36), ainsi qu'un joint d'étanchéité plan (52) disposé sur la plaque collectrice (50) pour assurer une étanchéité avec le couvercle (40),
caractérisé en ce que la boîte collectrice (36) est divisée en une première et une seconde chambres (42, 44) par une paroi de séparation (38) et en ce que chaque tube plat (46) comporte une découpe (48) au niveau de sa cloison de séparation (62, 76, 80, 86) afin de permettre à la paroi de séparation (38) de s'appliquer avec étanchéité sur une surface d'appui (56) du joint d'étanchéité (52), qui est insérée dans la découpe (48).

2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes plats (46) sont assemblés mécaniquement à la plaque collectrice (50) et en ce que le joint d'étanchéité (52) assure aussi une étanchéité entre les tubes plats (46) et les ouvertures de la plaque collectrice (50).

3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes plats (46) sont brasés à la plaque collectrice (50) et en ce que le joint d'étanchéité (52) assure seulement une étanchéité entre la plaque collectrice (50) et le couvercle (40).

4. Tube plat pour un échangeur de chaleur défini selon l'une des revendication 1 à 3, comportant un insert (60) possédant un pli intermédiaire (62) formant une cloison de séparation qui délimite deux canaux de circulation (66, 68) pour un fluide caloporteur, caractérisé en ce que ledit insert (60) comporte des ondulations (70) et en ce que l'une de ces ondulations constitue la cloison de séparation (62).

5. Tube plat selon la revendication 4, caractérisé en ce que les ondulations (70) de l'insert (60) situées de part et d'autre de l'ondulation (62) formant la cloison de séparation comportent des persiennes (72).

6. Tube plat selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les ondulations (70) de l'insert (60) situées de part et d'autre de l'ondulation (62) formant la cloison de séparation s'étendent sur toute la hauteur (H) du tube entre deux parois opposées (63, 65).

7. Tube plat selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les ondulations (70) de l'insert (60) situées de part et d'autre de l'ondulation (62) formant la cloison de séparation ont la même forme que cette dernière ondulation (62).

8. Tube plat selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les ondulations (70) de l'insert (60) situées de part et d'autre de l'ondulation (62) formant la cloison de séparation ont une forme différente de cette dernière ondulation (62).

9. Tube plat selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que le pli intermédiaire (62) est situé sensiblement à la mi-largeur (L/2) de chacune de deux parois opposées (63, 65) du tube, de manière à constituer un pli central.

10. Tube plat selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que le pli intermédiaire (62) est décalé par rapport à la mi-largeur (L/2) de chacune de deux parois opposées (63, 65) du tube, de manière à constituer un pli décentré.

11. Tube plat selon l'une des revendications 4 à 10, caractérisé en ce qu'il est fermé à une extrémité, l'insert (60) présentant une longueur inférieure à la longueur totale du tube afin de permettre le retour du fluide caloporteur.

12. Tube plat selon l'une des revendications 4 à 10, caractérisé en ce qu'il est ouvert à ses deux extrémités.

13. Tube plat pour un échangeur de chaleur défini selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la cloison de séparation est constituée par une jambe de force (76).

14. Tube plat pour un échangeur de chaleur défini selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la cloison de séparation est constituée par deux demi-jambes de force (77).

15. Tube plat pour un échangeur de chaleur défini selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque tube (46) est constitué de deux tubes (84) à un seul canal assemblés par un petit côté (86).

Dessins