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(11) | EP 1 956 328 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | Echangeur di phasique |
| (57) Un échangeur thermique (30, 40) comprenant : - un premier échangeur (30) de type fluide/air comportant au moins un premier moyen collecteur (32) pour ledit fluide, - un deuxième échangeur (40) de type fluide/fluide, - les deux échangeurs (30, 40) étant situés l'un en dessous de l'autre, caractérisé en ce que ledit premier moyen collecteur (32) présente un prolongement axial assurant une liaison entre les deux susdits échangeurs.. |
[0001] La présente invention concerne un échangeur thermique bi fonctionnel, doté de deux échangeurs thermiques destinés chacun à abaisser la température d'un fluide.
[0002] Elle a plus particulièrement comme objet un échangeur thermique comprenant un échangeur thermique secondaire transférant de l'énergie calorifique entre un fluide haute pression et un fluide basse pression, cet échangeur étant intégré dans un échangeur thermique principal haute pression refroidissant un fluide par circulation d'air ambiant.
[0003] Elle s'applique notamment aux échangeurs utilisés dans l'industrie automobile pour refroidir un fluide comprenant deux états intermoléculaires différents comme le CO2 gazeux par exemple. En effet lorsqu'on refroidit du CO2 gazeux à pression constante, avant de se liquéfier, le CO2 gazeux change de structure intermoléculaire. Ce changement, comme les changements de phase gaz/liquide fait intervenir un échange d'énergie calorifique avec le milieu ambiant. On peut donc utiliser ce phénomène physique (appelé également supercriticité) pour réaliser une machine frigorifique performante par compression/détente. Ce fluide super critique est connu sous la dénomination « R-744 ».
[0004] Dans ce type d'application, on utilise fréquemment des échangeurs di phasique comprenant un premier échangeur fluide/air à l'intérieur duquel circule un fluide frigorigène sous haute pression échangeant de l'énergie calorifique avec l'air ambiant, et un deuxième échangeur à l'intérieur duquel circulent le fluide frigorigène sous haute pression en provenance du premier échangeur et le fluide sous basse pression.
[0005] Afin d'optimiser le rendement du cycle compression/détente de certaines machines frigorifique il est intéressant de refroidir encore quelque peu le fluide sous pression après qu'il ait été refroidi par l'air ambiant dans l'échangeur principal, par échange avec le fluide qui a traversé « l'évaporateur » ou qui a été détendu et donc refroidi. Cet échange supplémentaire est particulièrement intéressant pour les machines frigorifiques utilisant du CO2 comme fluide frigorigène.
[0006] Classiquement les circuits de ce type comprennent un premier échangeur et un deuxième échangeur distinct. Ce deuxième échangeur est appelé échangeur interne ou « internal heat exchanger » (IHX). La connexion entre la sortie haute pression du premier échangeur et l'entrée haute pression du deuxième échangeur est donc réalisée par une tuyauterie. Or il s'avère que cette liaison haute pression pose de nombreux problèmes d'étanchéité dans le temps car les micro mouvements entre le premier échangeur et le deuxième échangeur créent des contraintes internes qui, à force, génèrent des micro fissures et des fuites. Ceci est particulièrement le cas au niveau de l'attache de ces tuyauteries sur les échangeurs.
[0007] L'invention parvient à résoudre ce problème en proposant un échangeur thermique comprenant :
- un premier échangeur de type fluide/air comportant au moins un premier moyen collecteur pour ledit fluide,
- un deuxième échangeur de type fluide/fluide,
- les deux échangeurs étant situés l'un en dessous de l'autre,
[0008] On entend par le terme « prolongement » le fait que le premier moyen collecteur est réalisé d'un seul bloc, ou de différentes parties chacune semblable ou uniforme sur l'ensemble de sa longueur, comportant uniquement dans sa partie de coopération avec le deuxième moyen collecteur une forme adaptée, par exemple un évidement, pour l'insertion dudit deuxième échangeur. En outre, le terme « axial » signifie le prolongement du premier moyen collecteur s'effectue suivant l'axe d'extension de ce moyen collecteur.
[0009] Par ailleurs, on entend par l'expression « les deux échangeurs étant situés l'un en dessous de l'autre » le fait que ces deux échangeurs, l'un de type fluide/air et l'autre fluide/fluide, sont placés ou situés au même niveau vis-à-vis du flux d'air, à la différence de deux échangeurs placés l'un derrière l'autre dont l'un des échangeurs est traversé par le fluide d'air avant le second.
[0010] La présente invention divulgue l'association de deux échangeurs de chaleur spécifique (l'un est du type fluide/air et l'autre du type fluide/fluide) dans laquelle le premier moyen collecteur est prolongé axialement, c'est-à-dire suivant son axe d'extension linéaire, pour assurer une liaison entre les deux échangeurs de chaleur, c'est-à-dire qu'au moins une paroi (la plaque collectrice) du premier collecteur se prolonge pour former une paroi d'un des collecteurs du second échangeur.
[0011] Par ailleurs, on notera que spécifiquement à l'invention :
- les deux fluides du deuxième échangeur sont de même nature (mais à une température, voire une pression, différente),
- l'un des deux fluides du deuxième échangeur est le fluide du premier échangeur, ce fluide circulant d'abord dans le premier échangeur puis dans le second échangeur,
- le moyen collecteur consiste en la plaque collectrice et cette plaque collectrice / moyen collecteur est un élément monobloc.
[0012] Dans des modes de réalisation non limitatifs, l'invention pourra présenter les éléments et/ou les caractéristiques supplémentaires suivantes décrits ci-après, pris isolément ou en combinaison :
- la susdite liaison est une liaison mécanique et/ou par brasage ou collage ;
- le premier échangeur comprend deux collecteurs latéraux, un ensemble de tubes reliant ces collecteurs latéraux, des intercalaires destinés à augmenter la surface de contact entre l'échangeur et l'air ambiant circulant entre les tubes, une entrée de fluide sous haute pression
- les deux collecteurs latéraux se prolongent pour contenir partiellement le deuxième échangeur de telle sorte que le compartiment formé par ce collecteur permettent de faire communiquer la sortie haute pression du premier échangeur avec l'entrée haute pression du deuxième échangeur.
- le deuxième échangeur comprend un empilage de tubes plats à l'intérieur desquels circule le fluide haute pression espacés par des entretoises adaptées pour que le fluide basse pression circule entre les tubes.
- le deuxième échangeur comprend un circuit de fluide haute et un circuit de fluide basse pression ; le circuit haute pression est alimentée par un compresseur.
- le circuit basse pression est alimentée par un moyen de réduction de pression.
- le moyen de réduction de pression est composé d'un tube ayant un orifice de passage réduit.
- le moyen de réduction de pression comprend un détendeur fournissant une pression pré-établie.
- le moyen de réduction de pression comprend un détendeur assurant une pression différentielle constante entre le circuit haute pression et le circuit basse pression.
[0013] Cette architecture permet de réaliser l'ensemble à coût réduit car grâce à ces deux collecteurs latéraux, l'échangeur thermique peut être brasé en une seule fois, ce qui permet un gain de temps de fabrication et une amélioration de la résistance mécanique du produit fini.
[0014] Un mode de réalisation de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, en faisant référence aux dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 représente un schéma de principe classique d'un circuit d'une machine frigorifique di phasique ou supercritique
La figure 2 représente schématiquement et en perspective un ensemble échangeur intégré selon l'invention.
La figure 3 représente schématiquement une vue éclatée et en perspective d'un ensemble échangeur intégré selon l'invention.
La figure 4 représente schématiquement une vue de face d'un ensemble échangeur intégré selon l'invention.
La figure 5 représente schématiquement une vue de dessus d'un ensemble échangeur intégré selon l'invention.
La figure 6 représente schématiquement une coupe d'un ensemble échangeur intégré selon l'invention montrant l'intérieur des tubes plats où circule le fluide haute pression.
La figure 7 représente schématiquement une coupe d'un ensemble échangeur intégré selon l'invention montrant l'espace existant entre les tubes plats et dans lequel circule le fluide basse pression.
La figure 8 est une vue partielle de coté de l'ensemble échangeur intégré selon l'invention.
[0015] La figure 1 représente un schéma de principe classique d'un circuit d'une machine frigorifique utilisant comme fluide frigorigène du CO2 gazeux. Un compresseur 20 entraîne le fluide en élevant la pression dans un échangeur thermique 30. Le fluide pénètre dans l'échangeur haute pression par un embout 1. Le fluide circule dans l'échangeur 30 et est refroidit par l'air ambiant qui traverse l'échangeur. Le fluide ressort par une sortie 2. Il pénètre dans un deuxième échangeur 40 par une entrée 3. Il ressort par une sortie 5 après avoir circulé dans un deuxième échangeur et échangé des calories avec le fluide basse pression. Le fluide passe ensuite à travers un réducteur de pression 50 qui peut être une simple striction dans un tuyau ou être un régulateur de pression assurant soit une différence de pression constante soit une basse pression ayant une valeur définie. Le fluide basse pression passe ensuite au travers d'un évaporateur 60 qui est dans ce cas ci un échangeur de frigories avec le milieu ambiant. Cet échangeur peut être utilisé pour refroidir un liquide comme de l'eau par exemple, dans ce cas c'est alors un échangeur fluide frigorigène/eau, ou il peut être utilisé pour refroidir l'air d'une cabine, c'est alors un échangeur fluide/air. Le fluide frigorigène passe alors dans un accumulateur 70 afin d'éliminer les pics de pression. Le fluide rentre alors par une entrée 6 dans le deuxième échangeur 40 où il refroidit le fluide haute pression. Le fluide basse pression ressort du deuxième échangeur par une sortie 4 pour rejoindre l'aspiration du compresseur 20.
[0016] Les figures 2 à 8 montrent plus en détail un exemple de mode de réalisation d'un échangeur thermique bi fonction suivant l'invention. Cet échangeur comprend principalement un premier échangeur 30 et un deuxième échangeur 40.
[0017] Dans cet exemple l'échangeur 30 est un échangeur fluide/air ambiant, Le fluide sous haute pression est refroidi par l'air ambiant. Cet échangeur comprend deux collecteurs latéraux verticaux et un grand nombre de tubes plats et minces horizontaux reliant les deux collecteurs. Des feuillards d'alliage léger 33, également dénommés intercalaires, très minces pliés en forme d'accordéon sont intercalés entre les tubes pour augmenter la surface de contact entre l'échangeur et l'air ambiant circulant entre les tubes. Ici le premier échangeur est un échangeur à une passe. Ainsi le fluide sous pression et chaud entre par l'entrée 1 dans le premier collecteur 31 et circule dans les tubes plats pour rejoindre le collecteur 32 (sortie 2) puis pénètre par l'entrée 3 dans l'échangeur 40. La circulation du fluide dans cet échangeur entre des lamelles prévues à cet effet permet d'échanger des calories avec le fluide provenant du circuit basse pression et donc plus froid. Le fluide ressort donc du deuxième échangeur à une température légèrement plus basse que celle de l'entrée 3. Le fluide passe alors à travers un réducteur de pression 50 (ici une striction) qui permet au fluide de se détendre dans un volume (appelé par analogie avec les machines frigorifiques biphasique) évaporateur 60. Après passage éventuel dans un accumulateur 70 le fluide transmet des frigories au fluide haute pression par l'intermédiaire de l'échangeur 40 puis pénètre par aspiration dans le compresseur 20.
[0018] Le deuxième échangeur est constitué de lamelles plates découpées, empilées et espacées formant des chambres dans lesquelles circule dans les chambres de rang pair le fluide haute pression et dans les chambres de rang impair le fluide basse pression de façon que le fluide basse pression refroidisse le fluide haute pression.
1. Echangeur thermique (30, 40) comprenant :
- un premier échangeur (30) de type fluide/air comportant au moins un premier moyen collecteur (31 ou 32) pour ledit fluide,
- un deuxième échangeur (40) de type fluide/fluide,
- les deux échangeurs (30, 40) étant situés l'un en dessous de l'autre,
caractérisé en ce que ledit premier moyen collecteur (31 ou 32) présente un prolongement axial assurant une liaison entre les deux susdits échangeurs.2. Echangeur thermique (30, 40) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la susdite liaison est une liaison mécanique et/ou par brasage ou collage.
3. Echangeur thermique (30, 40) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier échangeur (30) comprend
- deux collecteurs latéraux (31, 32);
- un ensemble de tubes reliant ces collecteurs latéraux ;
- des intercalaires (33) destinés à augmenter la surface de contact entre l'échangeur et l'air ambiant circulant entre les tubes ;
- une entrée (1) de fluide sous haute pression
dans lequel au moins un collecteur latéral (32) se prolonge pour contenir partiellement le deuxième échangeur (40) de telle sorte que le compartiment formé par ce collecteur permettent de faire communiquer la sortie haute pression (2) du premier échangeur (30) avec l'entrée haute pression (3) du deuxième échangeur (40).4. Echangeur thermique (30, 40) selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux collecteurs latéraux (31, 32) se prolongent pour contenir partiellement
le deuxième échangeur (40) de telle sorte que le compartiment formé par ce collecteur
permettent de faire communiquer la sortie haute pression du premier échangeur avec
l'entrée haute pression du deuxième échangeur (40).
5. Echangeur thermique (30, 40) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième échangeur (40) comprend un empilage de tubes plats à l'intérieur desquels
circule le fluide haute pression espacés par des entretoises adaptées pour que le
fluide basse pression circule entre les tubes.
6. Echangeur thermique (30, 40) selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que le deuxième échangeur comprend un circuit de fluide haute et un circuit de fluide
basse pression ; le circuit haute pression est alimentée par un compresseur (20).
7. Echangeur thermique (30, 40) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le circuit basse pression est alimentée par un moyen de réduction de pression (50).
8. Echangeur thermique (30, 40) selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que le moyen de réduction de pression (50) est composé d'un tube ayant un orifice de
passage réduit.
9. Echangeur thermique (30, 40) selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que le moyen de réduction de pression (50) comprend un détendeur fournissant une pression
pré-établie.
10. Echangeur thermique (30, 40) selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que le moyen de réduction de pression (50) comprend un détendeur assurant une pression
différentielle constante entre le circuit haute pression et le circuit basse pression.