EP1192402A2 - Echangeur de chaleur a tubes a plusieurs canaux - Google Patents

Echangeur de chaleur a tubes a plusieurs canaux

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EP1192402A2
EP1192402A2 EP00993738A EP00993738A EP1192402A2 EP 1192402 A2 EP1192402 A2 EP 1192402A2 EP 00993738 A EP00993738 A EP 00993738A EP 00993738 A EP00993738 A EP 00993738A EP 1192402 A2 EP1192402 A2 EP 1192402A2
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heat exchanger
fluid
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tubes
tube
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EP00993738A
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Sylvain Moreau
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Valeo Climatisation SA
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    • F28D1/0535—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being straight the conduits having a non-circular cross-section
    • F28D1/05366—Assemblies of conduits connected to common headers, e.g. core type radiators
    • F28D1/05391—Assemblies of conduits connected to common headers, e.g. core type radiators with multiple rows of conduits or with multi-channel conduits combined with a particular flow pattern, e.g. multi-row multi-stage radiators
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    • F28F1/022—Tubular elements of cross-section which is non-circular with multiple channels
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    • F28F2225/00—Reinforcing means
    • F28F2225/08—Reinforcing means for header boxes

Definitions

  • Multi-channel tube heat exchanger in particular for motor vehicles
  • the invention relates to heat exchangers, in particular for motor vehicles.
  • It relates more particularly to a heat exchanger capable of constituting either an engine cooling radiator, or a radiator for heating the passenger compartment, or even an evaporator or a condenser of an air conditioning circuit.
  • a heat exchanger of this type comprises a bundle of tubes mounted between two fluid boxes via respective collectors, and is capable of being traversed by a fluid.
  • this fluid is the liquid used for cooling the engine.
  • this fluid is a refrigerant.
  • the fluid is distributed between the tubes of the bundle by successive passes in different groups of tubes and in given respective directions of circulation.
  • the bundle comprises either flat tubes associated with corrugated spacers, or tubes of circular or oval section passing through a series of fins.
  • the change of pass is obtained by means of transverse and longitudinal partitions located inside the fluid boxes provided at the two ends of the tube bundle.
  • partitions are either attached and brazed between the fluid box and the corresponding collector, or obtained by stamping the fluid box to define compartments. ents which communicate respectively with groups of tubes of the bundle.
  • the manifold has openings, also called slots, provided with lifting collars into which the ends of the tubes are introduced and brazed.
  • the object of the invention is in particular to overcome the aforementioned drawbacks.
  • the tubes each comprise several channels separated by at least one longitudinal partition and are arranged in a single row, parallel to two large faces of the exchanger.
  • the circulation of the fluid takes place in at least two plies parallel to the large faces of the exchanger and each formed from part of the channels of the tubes, and at least one of the fluid boxes comprises a internal longitudinal partition suitable for dividing the fluid box into at least two longitudinal compartments communicating respectively with the two layers.
  • the heat exchanger of the invention comprises tubes each having several channels, the respective channels of each tube being each time divided into at least two groups corresponding to circulation layers.
  • each tube is divided into two groups, a first group which corresponds to a first layer and a second group which corresponds to a second layer.
  • a tube according to the invention comprises at least two channels which then correspond respectively with the two aforementioned longitudinal compartments.
  • the number of channels in the first group and in the second group can be equal or different.
  • At least one of the fluid boxes comprises at least one transverse partition suitable for dividing the fluid box into at least two transverse compartments, at least one of which establishes communication between two layers.
  • each sheet is divided into at least two sub-sheets connected in series and in which the circulation of the fluid takes place against the current from one sub-sheet to the next.
  • the heat exchanger comprises two layers, each divided into two sub-layers, which makes it possible to define a circulation with four passes: two successive passes in the two sub-layers of a first layer, and then two successive passes in the two sub-layers of a second layer.
  • each manifold has openings, also called slots, surrounded by collars for the introduction of the ends of the bundle tubes and it is expected that each manifold is provided with a flat surface for brazing a fluid box.
  • This characteristic is particularly advantageous because it makes it possible to oppose a perfectly flat surface for positioning the longitudinal partition and / or the transverse partition of the fluid box.
  • each fluid box to include a flat periphery and at least one coplanar partition (longitudinal partition and / or transverse partition) suitable for being brazed against the surface of the manifold.
  • each collector is part of a collector plate attached by brazing to the collector and having openings aligned with the openings of the collector.
  • 'heat exchanger of the invention may include at least one tab from an edge of the manifold or the collector plate, or the fluid box, said tab being folded respectively on an edge of the fluid box, or on an edge of the collector or the collector plate.
  • the end of at least one longitudinal partition of the tube is positioned substantially at the level of the flat surface of the manifold, so that this longitudinal partition of the tube can be brazed to an internal longitudinal partition of the fluid box.
  • the fluid boxes are advantageously each formed by stamping a metal plate to define the flat periphery and the coplanar partition.
  • At least one of the fluid boxes comprises at least one fluid inlet or outlet manifold.
  • each tube is an extruded tube, or that each tube is formed from a folded sheet and closed by longitudinal brazed joints, or that each tube is formed from two stamped sheet plates which are mutually tightly soldered.
  • the channels of the tubes are separated by partitions whose respective thicknesses decrease from a central region of the tube towards the periphery.
  • the heat exchanger constitutes an evaporator for an air conditioning unit.
  • - Figure 1 is a partial perspective view in section of part of a heat exchanger according to the invention, the view showing the manifold, the collector plate and one of the bundle tubes;
  • - Figure 2 is a partial perspective view of a fluid box suitable for being brazed on the header plate of the heat exchanger of Figure 1;
  • FIG. 3 is a partial sectional view of a fluid box brazed to a header plate of a heat exchanger according to the invention
  • FIG. 4 is a partial exploded perspective view of a heat exchanger according to the invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing the circulation of the fluid in the heat exchanger of Figure 4.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a tube according to the invention formed by extrusion
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a tube according to the invention formed from a sheet
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a tube according to the invention formed from two sheets;
  • FIG. 9 is a partial perspective view of a heat exchanger according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 10 is a perspective view of one of the fluid boxes of the heat exchanger of FIG. 9.
  • FIG. 1 shows a part of a heat exchanger comprising a bundle having a multiplicity of tubes 10, only one of which is shown in FIG. 1.
  • These are flat tubes, arranged according to a single row, and produced by the extrusion of a metallic material, preferably based on aluminum.
  • These tubes have a plurality of parallel internal channels 12 which are seven in number, in the example, and are separated by longitudinal partitions 78.
  • the row of tubes is parallel to two large opposite faces F1 and F2 of the heat exchanger.
  • the tubes 10 are spaced apart to delimit, between two adjacent tubes, an interval which can be free or occupied by a corrugated interlayer (not shown) forming a heat exchange surface.
  • the tubes 10 have respective ends 14 received in a collector 16 consisting of a stamped metal plate of generally rectangular shape having two longitudinal sides corresponding respectively to the large faces F1 and F2 of the heat exchanger.
  • the end 14 of each tube 10 defines a flat face which extends perpendicular to the longitudinal direction of the tube and which also constitutes the end of each longitudinal partition 78
  • the manifold 16 has a plurality of openings 18, also called slots, having an internal section adapted to the external section of a tube.
  • Each of the openings 18 is bordered by a collar 20 so that the openings 18 can respectively receive the ends 14 of the tubes 10 of the bundle.
  • the ends 14 of the tubes are intended to be brazed with the respective collars 20 to ensure a tight connection.
  • the collector 16 receives a collecting plate 22 of rectangular shape advantageously made of an aluminum-based material.
  • This collector plate 22 is intended to be brazed on the collector 16 and to provide a flat surface 24, forming a reference surface, and it comprises a multiplicity of openings 26, also called slots, arranged opposite the respective openings 18 of collector 16.
  • openings 26 have a shape adapted to that of the ends 14 of the tubes so that the latter engage, at least in part, in the openings 26, without however exceeding the plane defined by the planar surface 24.
  • the end 14 g of each tube is positioned so as to be situated substantially at the level of the flat surface 24.
  • the flat surface 24 is designed to receive a fluid box 28, as shown in FIG. 2, which is produced by stamping a metal sheet, advantageously based on aluminum.
  • the fluid box 28 of FIG. 2 comprises a peripheral periphery 30 of generally rectangular shape which is planar and capable of coming into abutment against the periphery of the planar surface 24.
  • the periphery 30 has a generally rectangular shape adapted to the rectangular shape of the planar surface 24.
  • this periphery notably comprises two longitudinal edges 32.
  • the fluid box 28 comprises a longitudinal partition 34 which extends parallel to the edges 32 and a transverse partition 36 which extends perpendicular to the partition 34 and to the edges 32.
  • the periphery 30 and the partitions 34 and 36 are coplanar.
  • the fluid box 28 is stamped to delimit compartments between the plane periphery 30 and the partitions 34 and 36.
  • compartments there are four compartments: two compartments 38 and 40 near one of the edges 32 and two other compartments 42 and 44 near on the other side 32.
  • FIG. 3 shows the periphery 30 of the fluid box 28 applied against the periphery of the bearing surface 24 formed by the collecting plate 22, the latter being brazed on the collector 16.
  • it is provided at at least one lug 45 from an edge of the manifold 16 and folded over an edge of the fluid box 28 to ensure provisional maintenance of the assembly for brazing.
  • the tab 45 could come from an edge of the collecting plate 22 or the fluid box 28 and be folded respectively over an edge of the manifold 16 or of the collecting plate 22.
  • the longitudinal partition 34 of the fluid box ( Figure 1) is placed, for each tube, against the end of a longitudinal partition 78 of the tube. This makes it possible later to braze the partition 34 of the fluid box against a partition 78 of each tube and, thus, to separate each tube into two groups: a first group Gl formed here of three channels and a second group G2 formed here of four canals.
  • FIG. 4 describes an example of a heat exchanger produced as defined above.
  • the heat exchanger comprises a bundle formed by a plurality of tubes 10 as defined above, these tubes 10 being received, at their upper end, in a collector 16 on which a collector plate 22 is brazed , as defined above.
  • the tubes 10 are received in a similar collector (not shown) on which another identical collecting plate 22 is brazed.
  • the fluid box 28 is produced in accordance with the teachings of FIG. 2.
  • this fluid box comprises a flat periphery 30 of generally rectangular shape, a longitudinal partition 48 which extends only over part of the length and which connects a transverse edge 50 of the periphery to a transverse partition 52.
  • the periphery 30 and the partitions 48 and 52 are coplanar.
  • the fluid box 28 is produced by stamping to further define an inlet pipe 54 and an outlet pipe 56 which communicate respectively with two compartments 58 and 60, which are separated by the longitudinal partition 48.
  • the box fluid 28 forms a domed portion 62 delimiting a single compartment 64.
  • the fluid box 46 has a planar periphery 66 of generally rectangular shape " and a longitudinal partition 68 which extends over the entire length and which is coplanar with the periphery 66.
  • the fluid box 46 comprises two longitudinal bosses 70 and 72 defining two corresponding elongated compartments which communicate with the beam.
  • a heat exchanger comprising a plurality of tubes 10, optional spacers (not shown), two collectors 16 (only one of which is shown), two manifold plates 22, as well as a fluid box 28 in part. upper and a fluid box 46 in the lower part.
  • the partition 68 of the fluid box 46 is provided for dividing each tube in such a way that the compartment 70 communicates with the channels of group G1 and the compartment 72 with the channels of group G2.
  • the circulation of the fluid in the heat exchanger takes place in several passes as shown in FIG. 5.
  • the fluid enters the compartment 58 through the inlet pipe 54 and circulates in a first sub-layer SN1 formed by the channels of the group G1 belonging to a part of the tubes to gain the compartment 70 by a vertical circulation from top to bottom.
  • the fluid flows from bottom to top from the same compartment 70 to reach the compartment 64, the circulation taking place in a second sub-layer SN2.
  • the fluid circulates in the group G 1 of the channels of the other tubes of the bundle.
  • the fluid reaches the compartment 72 by a vertical circulation from top to bottom in a third sub-layer SN3, the circulation taking place in the channels of group G2 of a part of the tubes.
  • the fluid reaches the compartment 60 by a vertical circulation from bottom to top in a third sub-layer SN4, the circulation of the fluid taking place in the group G2 of the channels of the other tubes.
  • the fluid leaves the heat exchanger through the outlet pipe 56.
  • the circulation of the fluid takes place in four passes and in alternating directions.
  • the first two passes correspond respectively to the sub-layers SN1 and SN2. These two sub-layers belong to the same layer which extends near the large face F1 of the heat exchanger.
  • the circulation is then carried out in two other passes which correspond to the sub-layers SN3 and SN4.
  • These two sub-layers are part of a second layer which is connected in series to the first layer and which extends parallel to the large face F2 of the heat exchanger.
  • the first layer is formed by the groups Gl of the channels (here three in number) and the second layer by the group G2 of the channels (here four in number).
  • FIG. 6 shows an extruded tube 10 according to the invention which comprises a multiplicity of channels 12, in the example eleven in number.
  • the tube comprises two flat faces 74 joined by two semi-circular faces 76.
  • the tubes are separated by partitions 78 which have variable thicknesses.
  • the two partitions 78 located in the central region have a thickness A and they are each followed by partitions having respective thicknesses B, C, D and E such that A> B> C> D> E. The thicknesses of the partitions thus decrease from the central region to the periphery.
  • the tube 10 is formed from a sheet 80 folded so as to have two opposite flat faces 82 joined by two end faces 84 of semi-circular profile.
  • the sheet 80 has two longitudinal edges 86 assembled respectively against an intermediate part 88 of the sheet of stepped structure forming a partition.
  • the two edges 86 are assembled by longitudinal brazed joints 88 so as to close the tube and delimit two channels 12.
  • the tube 10 is formed from two stamped sheet metal plates 90 which are mutually tightly brazed. These two plates 90 have symmetrical profiles and each comprise two longitudinal end edges 92 and a central longitudinal edge 94, parallel to one another, which separate two bosses 96. The plates 90 are mutually tightly brazed by their respective edges of so as to define two channels 12.
  • the heat exchanger of Figure 9 is similar to that of Figure 4 but differs however by the structure of the fluid box 28 in the upper part and by the structure of the fluid box 46 in the lower part ( Figure 10) .
  • the fluid box 28 comprises, as in the case of FIG. 4, an inlet pipe 54 and an outlet pipe 56 which communicate respectively with two compartments 58 and 60 separated by a longitudinal partition 48.
  • the partition 48 continues beyond the transverse partition 52 to define two other compartments 98 and 100.
  • the fluid box 46 comprises a longitudinal partition 68 which extends over part of its length and which joins a transverse partition 102. Another transverse partition 104 is provided at a distance from the partition 102. As a result, the fluid box 46 delimits two adjacent longitudinal compartments 70 and 72 on either side of the partition 68 and two transverse compartments 106 and 108 on either side of the partition 104.
  • the circulation of the fluid in the heat exchanger of FIGS. 9 and 10 takes place in six passes distributed in two layers.
  • the fluid circulates successively in the first group of channels passing successively through the compartments 54, 70, 98 and 106, 98 and 108.
  • the fluid successively circulates in the second group of channels passing successively through compartments 108 and 100, 106 and 100, 72 and 56.
  • the invention thus makes it possible to produce a heat exchanger obtained by brazing metal parts advantageously based on aluminum.
  • the use of tubes with several channels makes it possible to define, in each tube, at least two groups of channels corresponding respectively to at least two traffic layers. Because each manifold offers a flat surface for attaching the collector plate, this makes it possible to obtain a perfect seal between this flat surface and the fluid box and to define compartments for the circulation of the fluid in several passes.
  • the invention makes it possible to produce a heat exchanger with circulation in two layers, which leads to better temperature equilibration of the exchanger. This is particularly advantageous in the case where the heat exchanger is produced in the form of an evaporator.
  • each layer there can be at least two passes, generally two, three or four passes.
  • the invention makes it possible to simplify the method of assembling the heat exchanger while providing a seal.
  • the heat exchanger thus produced has a reinforced burst strength and makes it possible to reduce the pressure stresses on the fluid boxes and the collectors, since each of the fluid boxes can have a lower height.
  • the invention finds particular application in the field of heating and / or air conditioning devices for motor vehicles.

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Abstract

Un échangeur de chaleur comprend un faisceau de tubes (10) monté entre deux boîtes à fluide (28, 46) par l'intermédiaire de collecteurs respectifs (16) et propre à être parcouru par un fluide. Les tubes (10) comprennent chacun plusieurs canaux séparés par au moins une cloison longitudinale et sont disposés suivant une rangée unique, parallèle à deux grandes faces de l'échangeur, en sorte que la circulation du fluide s'effectue dans au moins deux nappes parallèles aux grandes faces de l'échangeur et formées chacune d'une partie des canaux des tubes. L'une au moins des boîtes à fluide (28, 46) comprend une cloison longitudinale interne (48, 68) propre à diviser la boîte à fluide en au moins deux compartiments longitudinaux communiquant respectivement avec les deux nappes. Application notamment aux évaporateurs de climatisation.

Description

Echangeur de chaleur à tubes à plusieurs canaux, en particulier pour véhicule automobile
L'invention se rapporte aux échangeurs de chaleur, en particulier pour les véhicules automobiles.
Elle concerne plus particulièrement un échangeur de chaleur propre à constituer soit un radiateur de refroidissement du moteur, soit un radiateur de chauffage de l'habitacle, soit encore un évaporateur ou un condenseur d'un circuit de climatisation.
Généralement, un échangeur de chaleur de ce type comprend un faisceau de tubes monté entre deux boîtes à fluide par l'intermédiaire de collecteurs respectifs, et est propre à être parcouru par un fluide. Dans le cas d'un radiateur de refroidissement du moteur ou d'un radiateur de chauffage de l'habitacle, ce fluide est le liquide servant au refroidissement du moteur. Dans le cas d'un évaporateur ou d'un condenseur de climatisation, ce fluide est un fluide réfrigérant.
Généralement, le fluide se répartit entre les tubes du faisceau par des passes successives dans différents groupes de tubes et dans des sens de circulation respectifs donnés .
Habituellement, le faisceau comprend soit des tubes plats associés à des intercalaires de forme ondulée, soit des tubes de section circulaire ou ovale traversant une série d'ailettes. En ce cas, le changement de passe est obtenu grâce à des cloisons transversales et longitudinales situées à l'intérieur des boîtes à fluide prévues aux deux extrémités du faisceau de tubes.
Ces cloisons sont soit rapportées et brasées entre la boîte à fluide et le collecteur correspondant, soit obtenues par emboutissage de la boîte à fluide pour définir des comparti- ents gui communiquent respectivement avec des groupes de tubes du faisceau.
Dans cette technique connue, le collecteur comporte des ouvertures, encore appelées fentes, munies de collets de relevage dans lesquels sont introduites et brasées les extrémités des tubes .
Il en résulte la nécessité que les cloisons longitudinales des boîtes à fluide soient crantées pour s'ajuster parfaitement avec les formes du collecteur.
Ainsi, dans la technique antérieure, se pose toujours le problème d'obtenir une étanchéité parfaite entre le collec- teur, la cloison longitudinale de la boîte à fluide et les tubes .
L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients précités.
Elle propose à cet effet un échangeur de chaleur du type défini en introduction, dans lequel les tubes comportent chacun plusieurs canaux séparés par au moins une cloison longitudinale et sont disposés suivant une rangée unique, parallèle à deux grandes faces de 1 'échangeur. Dans cet échangeur de chaleur, la circulation du fluide s'effectue dans au moins deux nappes parallèles aux grandes faces de 1' échangeur et formées chacune d'une partie des canaux des tubes, et l'une au moins des boîtes à fluide comprend une cloison longitudinale interne propre à diviser la boîte à fluide en au moins deux compartiments longitudinaux communiquant respectivement avec les deux nappes .
Ainsi, l'échangeur de chaleur de l'invention comprend des tubes ayant chacun plusieurs canaux, les canaux respectifs de chaque tube étant à chaque fois divisés en au moins deux groupes correspondant à des nappes de circulation. Dans le cas particulier d'un échangeur à deux nappes de circulation, situées chacune proche d'une des grandes faces de l'échangeur de chaleur, chaque tube est divisé en deux groupes, un premier groupe qui correspond à une première nappe et un second groupe qui correspond à une seconde nappe.
Ces deux nappes communiquent ainsi respectivement avec les deux compartiments longitudinaux définis dans l'une au moins des deux boîtes à fluide.
Un tube selon l'invention comporte au minimum deux canaux qui correspondent alors respectivement avec les deux compartiments longitudinaux précités. Dans le cas où chaque tube comporte plus de deux canaux, les nombres de canaux dans le premier groupe et dans le second groupe peuvent être égaux ou différents.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'une au moins des boîtes à fluide comprend au moins une cloison transversale propre à diviser la boîte à fluide en au moins deux compartiments transversaux dont l'un au moins établit une communication entre deux nappes .
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, chaque nappe est divisée en au moins deux sous-nappes reliées en série et dans lesquelles la circulation du fluide s'effectue à contre-courant d'une sous-nappe à la suivante.
Ainsi, dans un mode de réalisation typique, l'échangeur de chaleur comprend deux nappes, chacune divisée en deux sous- nappes, ce qui permet de définir une circulation à quatre passes : deux passes successives dans les deux sous-nappes d'une première nappe, et ensuite deux passes successives dans les deux sous-nappes d'une deuxième nappe.
Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, chaque collecteur comporte des ouvertures, encore appelées fentes, entourées de collets pour l'introduction des extrémités des tubes du faisceau et on prévoit que chaque collecteur est muni d'une surface plane pour le brasage d'une boîte à fluide.
Cette caractéristique est particulièrement avantageuse car elle permet d'opposer une surface parfaitement plane pour positionner la cloison longitudinale et/ou la cloison transversale de la boîte à fluide.
On prévoit pour cela que chaque boîte à fluide comprend un pourtour plan et au moins une cloison coplanaire (cloison longitudinale et/ou cloison transversale) propres à être brasés contre la surface du collecteur.
Il est envisageable de réaliser la surface plane d'une seule pièce avec le collecteur.
Toutefois, dans une forme de réalisation préférée de l'invention, la surface plane de chaque collecteur fait partie d'une plaque collectrice rapportée par brasage sur le collecteur et comportant des ouvertures alignées avec les ouvertures du collecteur.
Ceci permet de réaliser une surface plane de référence à partir d'une plaque comportant des ouvertures, avantageuse- ment obtenues par poinçonnage.
' échangeur de chaleur de 1 ' invention peut comprendre au moins une patte issue d'un bord du collecteur ou de la plaque collectrice, ou de la boîte à fluide, ladite patte étant repliée respectivement sur un bord de la boîte à fluide, ou sur un bord du collecteur ou de la plaque collectrice.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'extrémité d'au moins une cloison longitudinale du tube est positionnée sensiblement au niveau de la surface plane du collecteur, de sorte que cette cloison longitudinale du tube peut se braser à une cloison longitudinale interne de la boîte à fluide. Les boîtes à fluide sont avantageusement formées chacune par emboutissage d'une plaque métallique pour définir le pourtour plan et la cloison coplanaire.
Ainsi, lorsqu'une boîte à fluide est brasée contre la surface plane correspondante, le pourtour de la boîte à fluide et la ou les cloison(s) de celle-ci viennent se braser étroitement contre la surface plane, ce qui permet de délimiter des compartiments communiquant avec les tubes de manière appro- priée pour définir une circulation en plusieurs passes.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, l'une au moins des boîtes à fluide comprend au moins une tubulure d'entrée ou de sortie de fluide.
Les tubes de l'échangeur de chaleur de l'invention sont susceptibles de nombreuses variantes de réalisation. Ainsi on peut prévoir, par exemple, que chaque tube est un tube extrudé, ou que chaque tube est formé à partir d'une tôle pliée et fermée par des joints brasés longitudinaux, ou encore que chaque tube est formé de deux plaques de tôle embouties qui sont mutuellement brasées de manière étanche.
Selon encore une autre caractéristique avantageuse de l'invention, les canaux des tubes sont séparés par des cloisons dont les épaisseurs respectives décroissent depuis une région centrale du tube vers la périphérie.
Dans une application préférentielle de l'invention, l'échan- geur de chaleur constitue un évaporateur pour un appareil de climatisation.
Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue partielle en perspective et en coupe d'une partie d'un échangeur de chaleur selon l'invention, la vue faisant apparaître le collecteur, la plaque collectrice et l'un des tubes du faisceau ; - la figure 2 est une vue partielle en perspective d'une boîte à fluide propre à être brasée sur la plaque collectrice de l'échangeur de chaleur de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue partielle en coupe d'une boîte à fluide brasée sur une plaque collectrice d'un échangeur de chaleur selon l'invention ;
- la figure 4 est une vue partielle en perspective éclatée d'un échangeur de chaleur selon l'invention ;
- la figure 5 est un schéma montrant la circulation du fluide dans l'échangeur de chaleur de la figure 4 ;
- la figure 6 est une vue en coupe transversale d'un tube selon l'invention formé par extrusion ;
- la figure 7 est une vue en coupe transversale d'un tube selon l'invention formé à partir d'une tôle ;
- la figure 8 est une vue en coupe transversale d'un tube selon l'invention formé à partir de deux tôles ;
- la figure 9 est une vue partielle en perspective d'un échangeur de chaleur selon une autre forme de réalisation de l'invention ; et
- la figure 10 est une vue en perspective d'une des boîtes à fluide de l'échangeur de chaleur de la figure 9.
On se réfère d'abord à la figure 1 qui montre une partie d'un échangeur de chaleur comprenant un faisceau ayant une multiplicité de tubes 10, dont un seul est représenté sur la figure 1. Il s'agit de tubes plats, disposés suivant une rangée unique, et réalisés par extrusion d'une matière métallique, de préférence à base d'aluminium. Ces tubes comportent une pluralité de canaux internes parallèles 12 qui sont au nombre de sept, dans l'exemple, et sont séparés par des cloisons longitudinales 78. La rangée de tubes est parallèle à deux grandes faces opposées Fl et F2 de l'échangeur de chaleur.
Les tubes 10 sont espacés mutuellement pour délimiter, entre deux tubes adjacents, un intervalle qui peut être libre ou occupé par un intercalaire ondulé (non représenté) formant surface d'échange de chaleur.
Les tubes 10 ont des extrémités respectives 14 reçues dans un collecteur 16 constitué d'une plaque métallique emboutie de forme générale rectangulaire ayant deux côtés longitudinaux correspondant respectivement aux grandes faces Fl et F2 de l'échangeur de chaleur. L'extrémité 14 de chaque tube 10 définit une face plane qui s'étend perpendiculairement à la direction longitudinale du tube et qui constitue aussi l'extrémité de chaque cloison longitudinale 78
Le collecteur 16 comporte une pluralité d'ouvertures 18, encore appelées fentes, ayant une section interne adaptée à la section externe d'un tube. Chacune des ouvertures 18 est bordée par un collet 20 en sorte que les ouvertures 18 peuvent recevoir respectivement les extrémités 14 des tubes 10 du faisceau. Les extrémités 14 des tubes sont prévues pour être brasées avec les collets respectifs 20 pour assurer une liaison etanche.
Le collecteur 16 reçoit une plaque collectrice 22 de forme rectangulaire réalisée avantageusement en une matière à base d'aluminium. Cette plaque collectrice 22 est prévue pour être brasée sur le collecteur 16 et pour procurer une surface plane 24, formant surface de référence, et elle comporte une multiplicité d'ouvertures 26, encore appelées fentes, disposées en vis-à-vis des ouvertures respectives 18 du collecteur 16.
Ces ouvertures 26 ont une forme adaptée à celle des extrémités 14 des tubes pour que ces dernières s'engagent, au moins en partie, dans les ouvertures 26, sans toutefois dépasser du plan défini par la surface plane 24. En fait, l'extrémité 14 g de chaque tube est positionnée de manière à se situer sensiblement au niveau de la surface plane 24.
La surface plane 24 est prévue pour recevoir une boîte à fluide 28, comme représenté à la figure 2, qui est réalisée par emboutissage d'une tôle métallique, avantageusement à base d'aluminium.
La boîte à fluide 28 de la figure 2 comprend un pourtour périphérique 30 de forme générale rectangulaire qui est plan et propre à venir en appui contre le pourtour de la surface plane 24. A cet effet, le pourtour 30 possède une forme générale rectangulaire adaptée à la forme rectangulaire de la surface plane 24. Dans l'exemple représenté à la figure 2, ce pourtour comprend notamment deux bords longitudinaux 32.
En outre, la boîte à fluide 28 comprend une cloison longitudinale 34 qui s'étend parallèlement aux bords 32 et une cloison transversale 36 qui s'étend perpendiculairement à la cloison 34 et aux bords 32. Le pourtour 30 ainsi que les cloisons 34 et 36 sont coplanaires .
La boîte à fluide 28 est emboutie pour délimiter des compartiments entre le pourtour plan 30 et les cloisons 34 et 36. On trouve ici quatre compartiments : deux compartiments 38 et 40 près de l'un des bords 32 et deux autres compartiments 42 et 44 près de l'autre bord 32.
On comprendra que lorsque la boîte à fluide 28 est placée et brasée contre la surface plane 24, la cloison longitudinale 34 vient se placer dans la position désignée par la même référence sur la figure 1 et que la cloison transversale 36 vient se placer entre deux ouvertures 26 de la plaque collectrice 22.
La figure 3 montre le pourtour 30 de la boîte a fluide 28 appliqué contre le pourtour de la surface d'appui 24 formée par la plaque collectrice 22, cette dernière étant brasée sur le collecteur 16. Dans l'exemple représenté, il est prévu au moins une patte 45 issue d'un bord du collecteur 16 et repliée sur un bord de la boîte à fluide 28 pour assurer un maintien provisoire de l'ensemble en vue du brasage.
En variante, la patte 45 pourrait être issue d'un bord de la plaque collectrice 22 ou de la boîte à fluide 28 et être repliée respectivement sur un bord du collecteur 16 ou de la plaque collectrice 22.
Dans l'exemple, la cloison longitudinale 34 de la boîte à fluide (figure 1) vient se placer, pour chaque tube, contre l'extrémité d'une cloison longitudinale 78 du tube. Ceci permet de braser ultérieurement la cloison 34 de la boîte à fluide contre une cloison 78 de chaque tube et, ainsi, de séparer chaque tube en deux groupes : un premier groupe Gl formé ici de trois canaux et un deuxième groupe G2 formé ici de quatre canaux.
Ceci permet de définir dans l'échangeur de chaleur différen- tes passes de circulation réparties en deux nappes, à savoir une première nappe formée par le groupe Gl des canaux et une deuxième nappe formée par le groupe G2 des canaux.
On va maintenant expliquer plus en détail l'invention en référence à la figure 4 gui décrit un exemple d'un échangeur de chaleur réalisé comme défini ci-dessus.
On voit sur la figure 4 que l'échangeur de chaleur comprend un faisceau formé d'une pluralité de tubes 10 comme défini précédemment, ces tubes 10 étant reçus, à leur extrémité supérieure, dans un collecteur 16 sur lequel est brasée une plaque collectrice 22, comme défini plus haut.
A leur extrémité inférieure, les tubes 10 sont reçus dans un collecteur analogue (non représenté) sur lequel est brasée une autre plaque collectrice 22 identique.
Ces deux plaques collectrices 22, disposées respectivement en partie supérieure et inférieure, servent de plaques de référence pour recevoir une première boîte à fluide 28 (en partie supérieure) et une deuxième boîte à fluide 46 (en partie inférieure).
La boîte à fluide 28 est réalisée conformément aux enseignements de la figure 2. Dans l'exemple, cette boîte à fluide comprend un pourtour plan 30 de forme générale rectangulaire, une cloison longitudinale 48 qui s'étend seulement sur une partie de la longueur et qui relie un bord transversal 50 du pourtour à une cloison transversale 52. Le pourtour 30 et les cloisons 48 et 52 sont coplanaires.
La boîte à fluide 28 est réalisée par emboutissage pour définir en outre une tubulure d'entrée 54 et une tubulure de sortie 56 qui communiquent respectivement avec deux compartiments 58 et 60, lesquels sont séparés par la cloison longitudinale 48. En outre, la boîte à fluide 28 forme une partie en dôme 62 délimitant un compartiment unique 64.
La boîte à fluide 46 comporte un pourtour plan 66 de forme générale rectangulaire" et une cloison longitudinale 68 qui s'étend sur toute la longueur et qui est coplanaire avec le pourtour 66. La boîte à fluide 46 comprend deux bossages longitudinaux 70 et 72 définissant deux compartiments allongés correspondants qui communiquent avec le faisceau.
On définit ainsi un échangeur de chaleur comprenant une pluralité de tubes 10, des intercalaires éventuels (non représentés), deux collecteurs 16 (dont un seul est représen- té), deux plaques collectrices 22, ainsi qu'une boîte à fluide 28 en partie supérieure et une boîte à fluide 46 en partie inférieure.
La cloison 68 de la boîte à fluide 46 est prévue pour diviser chaque tube de telle manière que le compartiment 70 communique avec les canaux du groupe Gl et le compartiment 72 avec les canaux du groupe G2. La circulation du fluide dans l'échangeur de chaleur s'effectue en plusieurs passes comme montré à la figure 5. Le fluide pénètre dans le compartiment 58 par la tubulure d'entrée 54 et circule dans une première sous-nappe SN1 formée par les canaux du groupe Gl appartenant à une partie des tubes pour gagner le compartiment 70 par une circulation verticale de haut en bas.
Ensuite, le fluide circule de bas en haut à partir du même compartiment 70 pour gagner le compartiment 64, la circulation s 'effectuant dans une deuxième sous-nappe SN2. Dans cette deuxième sous-nappe, le fluide circule dans le groupe Gl des canaux des autres tubes du faisceau.
Puis, le fluide gagne le compartiment 72 par une circulation verticale de haut en bas dans une troisième sous-nappe SN3, la circulation s 'effectuant dans les canaux du groupe G2 d'une partie des tubes.
Enfin, le fluide gagne le compartiment 60 par une circulation verticale de bas en haut dans une troisième sous-nappe SN4, la circulation du fluide s 'effectuant dans le groupe G2 des canaux des autres tubes. Le fluide quitte l'échangeur de chaleur par la tubulure de sortie 56.
Ainsi, la circulation du fluide s'effectue en quatre passes et dans des sens alternés. Les deux premières passes correspondent respectivement aux sous-nappes SN1 et SN2. Ces deux sous-nappes appartiennent à une même nappe qui s'étend à proximité de la grande face Fl de l'échangeur de chaleur. La circulation s'effectue ensuite dans deux autres passes qui correspondent aux sous-nappes SN3 et SN4. Ces deux sous- nappes font partie d'une deuxième nappe qui est reliée en série à la première nappe et qui s'étend parallèlement à la grande face F2 de l' échangeur de chaleur. On comprendra que la première nappe est formée par les groupes Gl des canaux (ici au nombre de trois) et la deuxième nappe par le groupe G2 des canaux (ici au nombre de quatre). On se réfère maintenant à la figure 6 qui montre un tube extrudé 10 selon l'invention qui comprend une multiplicité de canaux 12, dans l'exemple au nombre de onze.
Ces canaux ont chacun une section de forme sensiblement rectangulaire. Le tube comprend deux faces planes 74 réunies par deux faces semi-circulaires 76. Les tubes sont séparés par des cloisons 78 qui ont des épaisseurs variables. Les deux cloisons 78 situées dans la région centrale ont une épaisseur A et elles sont suivies chacune par des cloisons ayant des épaisseurs respectives B, C, D et E telles que A>B>C>D>E. Les épaisseurs des cloisons décroissent ainsi de la région centrale à la périphérie.
Dans la forme de réalisation de la figure 7, le tube 10 est formé à partir d'une tôle 80 pliée de manière à comporter deux faces planes opposées 82 réunies par deux faces d'extrémité 84 de profil semi-circulaire. La tôle 80 comporte deux bords longitudinaux 86 assemblés respectivement contre une partie intermédiaire 88 de la tôle de structure étagée formant cloison de séparation. Les deux bords 86 sont assemblés par des joints brasés longitudinaux 88 de manière a fermer le tube et délimiter deux canaux 12.
Dans la forme de réalisation de la figure 8, le tube 10 est formé à partir de deux plaques de tôle embouties 90 qui sont mutuellement brasées de manière étanche. Ces deux plaques 90 ont des profils symétriques et comprennent chacune deux bords longitudinaux d'extrémité 92 et un bord longitudinal central 94, parallèles entre eux, qui séparent deux bossages 96. Les plaques 90 sont mutuellement brasées de manière étanche paie- leurs bords respectifs de manière à définir deux canaux 12.
L'échangeur de chaleur de la figure 9 s'apparente à celui de la figure 4 mais diffère cependant par la structure de la boîte à fluide 28 en partie supérieure et par la structure de la boîte à fluide 46 en partie inférieure (figure 10). La boîte à fluide 28 comprend, comme dans le cas de la figure 4, une tubulure d'entrée 54 et une tubulure.de sortie 56 qui communiquent respectivement avec deux compartiments 58 et 60 séparés par une cloison longitudinale 48. Mais, la cloison 48 se poursuit au delà de la cloison transversale 52 pour définir deux autres compartiments 98 et 100.
La boîte à fluide 46 comporte une cloison longitudinale 68 qui s'étend sur une partie de sa longueur et qui rejoint une cloison transversale 102. Une autre cloison transversale 104 est prévue a distance de la cloison 102. Il en résulte que la boîte à fluide 46 délimite deux compartiments longitudinaux adjacents 70 et 72 de part et d'autre de la cloison 68 et deux compartiments transversaux 106 et 108 de part et d'autre de la cloison 104.
La circulation du fluide dans l'échangeur de chaleur des figures 9 et 10 s'effectue en six passes réparties en deux nappes. Dans la première nappe, le fluide circule successi- vement dans le premier groupe de canaux en passant successivement par les compartiments 54, 70, 98 et 106, 98 et 108. Ensuite, dans la seconde nappe, le fluide circule successivement dans le second groupe de canaux en passant successivement par les compartiments 108 et 100, 106 et 100, 72 et 56.
L'invention permet ainsi de réaliser un échangeur de chaleur obtenu par brasage de pièces métalliques avantageusement à base d'aluminium. L'utilisation de tubes à plusieurs canaux permet de définir, dans chaque tube, au moins deux groupes de canaux correspondant respectivement à au moins deux nappes de circulation. Du fait que chaque collecteur offre une surface plane pour rapporter la plaque collectrice, cela permet d'obtenir une étanchéité parfaite entre cette surface plane et la boîte à fluide et de définir des compartiments pour la circulation du fluide en plusieurs passes.
En particulier, l'invention permet de réaliser un échangeur de chaleur avec une circulation en deux nappes, ce qui entraîne un meilleur équilibrage en température de l'échangeur. Ceci est tout particulièrement intéressant dans le cas où l'échangeur de chaleur est réalisé sous la forme d'un évaporateur.
Dans chaque nappe, on peut prévoir au moins deux passes, généralement deux, trois ou quatre passes.
De façon générale, l'invention permet de simplifier le procédé d'assemblage de l'échangeur de chaleur tout en offrant une étanchéité.
En outre, l'échangeur de chaleur ainsi réalisé possède une résistance renforcée à l'éclatement et permet de diminuer les contraintes de pression sur les boîtes à fluide et les collecteurs, du fait que chacune des boîtes à fluide peut posséder une hauteur plus faible.
L'invention trouve une application particulière dans le domaine des appareils de chauffage et/ou de climatisation pour des véhicules automobiles.

Claims

Revendications
1. Echangeur de chaleur, en particulier évaporateur, comprenant un faisceau de tubes monté entre deux boîtes à fluide par l'intermédiaire de collecteurs respectifs et propre à être parcouru par un fluide,
caractérisé en ce que les tubes (10) comportent chacun plusieurs canaux (12) séparés par au moins une cloison longitudinale (68) et sont disposés suivant une rangée unique, parallèle à deux grandes faces (Fl, F2 ) de l' échangeur, en ce que la circulation du fluide s'effectue dans au moins deux nappes (SN1, SN2 ; SN3, SN4) parallèles aux grandes faces de l'échangeur et formées chacune d'une partie (Gl ; G2) des canaux (12) des tubes, et en ce que l'une au moins des boîtes à fluide (28, 46) comprend une cloison longitudinale interne (48, 68) propre à diviser la boîte collectrice en au moins deux compartiments longitudinaux communiquant respectivement avec les deux nappes.
2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'une au moins (28) des boîtes à fluide comprend au moins une cloison transversale (52) propre à diviser la boîte à fluide en au moins deux compartiments transversaux (58, 60 ; 64) dont l'un au moins établit une communication entre deux nappes.
3. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque nappe est divisée en au moins deux sous-nappes (SN1, SN2 ; SN3, SN4 ) reliées en série et dans lesquelles la circulation du fluide s'effectue à contre- courant d'une sous-nappe à la suivante.
4. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque collecteur (16) comporte des ouvertures (18) entourées de collets (20) pour l'introduction des extrémités (14) des tubes (10) du faisceau et est muni d'une surface plane (22, 24) pour le brasage d'une boîte à fluide (28, 46).
5. Echangeur de chaleur selon la revendication 4 , caracté- risé en ce que chaque boîte à fluide (28, 46) comprend un pourtour plan (30, 66) et au moins une cloison coplanaire
(48, 52 ; 68) propres à être brasés contre la surface plane
(24) du collecteur (16).
6. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que la surface plane (24) de chaque collecteur (16) fait partie d'une plaque collectrice (22) rapportée par brasage sur le collecteur et comportant des ouvertures (26) alignées avec les ouvertures (18) du collec- teur.
7. Echangeur de chaleur selon la revendication 6 , caractérisé en ce qu'il comprend au moins une patte (45) issue d'un bord du collecteur (16) ou de la plaque collectrice (22), ou de la boîte à fluide (28 ; 46), ladite patte étant repliée respectivement sur un bord de la boîte à fluide (28 ; 46), ou sur un bord du collecteur (16) ou de la plaque collectrice (22).
8. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 4 à
7, caractérisé en ce que l'extrémité (14) d'au moins une cloison longitudinale (78) du tube (10) est positionnée sensiblement au niveau de la surface plane (22, 24), de sorte que cette cloison longitudinale (78) du tube peut se braser à une cloison longitudinale interne (48, 68) de la boîte à fluide.
9. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 5 à
8, caractérisé en ce que les boîtes à fluide (28, 46) sont formées chacune par emboutissage d'une plaque métallique pour définir le pourtour plan (30, 66) et la (les) cloison(s) coplanaire(s) .
10. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à
9, caractérisé en ce que l'une au moins des boîtes à fluide (28, 46) comprend au moins une tubulure (54, 56) d'entrée ou de sortie de fluide.
11. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à
10, caractérisé en ce que chaque tube (10) est un tube extrudé.
12. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que chaque tube (10) est formé à partir d'une tôle (80) pliée et fermée par des joints brasés longitudinaux (88).
13. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 a 10, caractérisé en ce que chaque tube (10) est formé de deux plaques de tôle embouties (90) qui sont mutuellement brasées de manière étanche.
14. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que les canaux (12) des tubes (10) sont séparés par des cloisons (78) ayant des épaisseurs respectives (A,B,C,D,E) qui décroissent depuis une région centrale du tube vers la périphérie.
15. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous la forme d'un évaporateur pour un appareil de climatisation.
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