FR2738625A3 - Lightweight heat exchanger bundle e.g. for motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
Changeur de chaleur, en particulier pour véhicule automobile
L'invention concerne un échangeur de chaleur pouvant être utilisé notamment en tant que radiateur de refroidissement du moteur d'un véhicule automobile ou en tant que radiateur du chauffage de l'habitacle dun véhicule automobile.Heat changer, in particular for a motor vehicle
The invention relates to a heat exchanger which can be used in particular as a radiator for cooling the engine of a motor vehicle or as a radiator for heating the passenger compartment of a motor vehicle.
L'échangeur de chaleur de l'invention est du type comprenant une multiplicité de tubes agencés en faisceau et propres à être parcourus par un premier fluide, ainsi que des éléments conducteurs de la chaleur disposés en contact avec les tubes et propres à être balayés par un second fluide qui est en relation d'échange thermique avec le premier fluide
On connaît déjà de nombreux échangeurs de chaleur de ce type.The heat exchanger of the invention is of the type comprising a multiplicity of tubes arranged in a bundle and suitable for being traversed by a first fluid, as well as heat conducting elements arranged in contact with the tubes and suitable for being swept by a second fluid which is in heat exchange relationship with the first fluid
Many heat exchangers of this type are already known.
Dans le cas où un tel échangeur de chaleur est utilisé dans un véhicule automobile, le premier fluide est généralement de l'eau additionnée d'un antigel, tandis que le second fluide est généralement un flux d'air qui vient balayer le faisceau.In the case where such a heat exchanger is used in a motor vehicle, the first fluid is generally water with added antifreeze, while the second fluid is generally a flow of air which sweeps the beam.
Dans les échangeurs de chaleur connus, les éléments conducteurs de la chaleur sont traditionnellement constitués par des ailettes, c'est-à-dire de fines plaques métalliques, qui sont disposées parallèlement entre elles et perpendiculairement à la direction des tubes du faisceau, des trous étant aménagés dans les ailettes pour le passage des tubes.In known heat exchangers, the heat conducting elements are traditionally constituted by fins, that is to say thin metal plates, which are arranged parallel to each other and perpendicular to the direction of the bundle tubes, holes being arranged in the fins for the passage of the tubes.
Il existe aussi des échangeurs de chaleur dans lesquels les éléments conducteurs de la chaleur sont réalisés sous la forme d'intercalaires de forme ondulée qui sont disposés chacun entre deux tubes adjacents. Généralement, les tubes sont des tubes plats, c'est-à-dire de section oblongue, et les intercalaires ondulés ont chacun une première série d'ondulations en contact avec un premier tube et une seconde série d'ondulations en contact avec un second tube adjacent au premier. There are also heat exchangers in which the heat conducting elements are produced in the form of corrugated spacers which are each placed between two adjacent tubes. Generally, the tubes are flat tubes, that is to say of oblong section, and the corrugated spacers each have a first series of corrugations in contact with a first tube and a second series of corrugations in contact with a second tube adjacent to the first.
Ces éléments connus, ailettes ou intercalaires, ont pour inconvénient de présenter un volume et un poids élevé comparativement à la surface d'échange qu'ils procurent.These known elements, fins or spacers, have the disadvantage of having a high volume and weight compared to the exchange surface that they provide.
En outre, ces éléments conducteurs de la chaleur doivent être réalisés avec des dimensions très précises correspondant à chaque fois à un type d'échangeur de chaleur déterminé. I1 en résulte qu'il faut à chaque fois changer d'outil de production lorsqu'on doit changer les dimensions des éléments conducteurs de la chaleur, pour passer d'un type d'échangeur de chaleur à un autre.In addition, these heat conducting elements must be produced with very precise dimensions corresponding each time to a specific type of heat exchanger. As a result, it is necessary to change the production tool each time when the dimensions of the heat conducting elements have to be changed in order to pass from one type of heat exchanger to another.
L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients précités.The object of the invention is in particular to overcome the aforementioned drawbacks.
C'est en particulier un but de l'invention de procurer un échangeur de chaleur dans lequel les éléments conducteurs de la chaleur procurent une plus grande surface d'échange thermique à volume ou à poids égal par rapport aux élements de la technique antérieure.It is in particular an object of the invention to provide a heat exchanger in which the heat conductive elements provide a larger heat exchange surface at equal volume or weight compared to the elements of the prior art.
C'est encore un but de l'invention de procurer un échangeur de chaleur qui peut être obtenu avec une flexibilité accrue de l'outil de production en cas de changement de dimensions des éléments conducteurs de la chaleur.It is also an object of the invention to provide a heat exchanger which can be obtained with increased flexibility of the production tool in the event of a change in dimensions of the heat conducting elements.
L'invention propose à cet effet un échangeur de chaleur du type défini en introduction, dans lequel les éléments conducteurs de la chaleur comprennent au moins un bloc poreux formé d'un matériau conducteur de la chaleur et présentant une multiplicité de cavités communiquant entre elles, de telle sorte que le bloc poreux peut être traversé de part en part par le second fluide.To this end, the invention provides a heat exchanger of the type defined in the introduction, in which the heat conducting elements comprise at least one porous block formed of a heat conducting material and having a multiplicity of cavities communicating with each other, so that the porous block can be traversed right through by the second fluid.
Ainsi, au lieu d'utiliser des ailettes ou des intercalaires ondulés, on prévoit au moins un bloc poreux formé d'un matériau conducteur de la chaleur et disposé en contact avec les tubes du faisceau. Thus, instead of using fins or corrugated spacers, at least one porous block is provided, formed from a material that conducts heat and is placed in contact with the tubes of the bundle.
Ce bloc poreux comporte une multiplicité de cavités, cest- - dire d'interstices ou d'alvéoles de formes variées, qui communiquent entre elles et permettent au second fluide de traverser le bloc poreux, sur toute son épaisseur, et cela sans subir de pertes de charge notables.This porous block has a multiplicity of cavities, that is to say interstices or alveoli of various shapes, which communicate with each other and allow the second fluid to pass through the porous block, over its entire thickness, without suffering losses. of notable charges.
Du fait que le bloc poreux présente une structure poreuse, à cavités multiples, il offre une surface d'échange thermique beaucoup plus élevée, à poids ou volume égal, que les éléments conducteurs de la technique antérieure.Because the porous block has a porous structure, with multiple cavities, it offers a much higher heat exchange surface, for equal weight or volume, than the conductive elements of the prior art.
Dans une forme de réalisation de l'invention, le ou les blocs poreux comprennent un amas de fibres ou de rubans formés dans le matériau conducteur de la chaleur et assemblés de manière lâche pour constituer une laine ou analogue susceptible d'être traversée par le second fluide.In one embodiment of the invention, the porous block or blocks comprise a heap of fibers or ribbons formed in the heat-conducting material and loosely assembled to constitute a wool or the like capable of being traversed by the second fluid.
On comprendra que les fibres ou les rubans sont enchevêtrés ou entrelacés au hasard pour former un amas lâche définissant des cavités pour le passage du second fluide.It will be understood that the fibers or the ribbons are entangled or intertwined at random to form a loose mass defining cavities for the passage of the second fluid.
Dans une autre forme de réalisation de l'invention, le ou les blocs poreux comprennent une mousse à pores ouverts, formée dans le matériau conducteur de la chaleur.In another embodiment of the invention, the porous block or blocks comprise an open pore foam, formed in the heat conducting material.
Il est essentiel que les pores soient ouverts pour permettre une communication entre eux et, par suite, le passage du second fluide dans l'épaisseur du ou des blocs.It is essential that the pores are open to allow communication between them and, consequently, the passage of the second fluid in the thickness of the block or blocks.
Le matériau conducteur de la chaleur est de préférence un matériau métallique, bien que des matériaux non métalliques puissent être également utilisés.The heat conducting material is preferably a metallic material, although non-metallic materials can also be used.
Comme matériaux métalliques, on préfère tout particulièrement l'aluminium ou un alliage d'aluminium, ou encore le cuivre ou un alliage de cuivre. As metallic materials, aluminum or an aluminum alloy is particularly preferred, or else copper or a copper alloy.
Dans une forme de réalisation de l'invention, l'échangeur de chaleur comprend une multiplicité de blocs poreux dont chacun est intercalé entre deux tubes adjacents.In one embodiment of the invention, the heat exchanger comprises a multiplicity of porous blocks, each of which is interposed between two adjacent tubes.
Cette forme de réalisation convient tout particulièrement à un échangeur de chaleur dans lequel les tubes sont des tubes plats à section oblongue. En pareil cas, les blocs poreux sont de configuration générale parallélépipédique et assemblés aux tubes.This embodiment is particularly suitable for a heat exchanger in which the tubes are flat tubes with oblong section. In such a case, the porous blocks are of generally parallelepipedal configuration and assembled with the tubes.
Dans une autre forme de réalisation de l'invention, l'échangeur de chaleur comprend un seul bloc poreux comportant une multiplicité de passages propres à être traversés chacun par un tube du faisceau.In another embodiment of the invention, the heat exchanger comprises a single porous block comprising a multiplicity of passages capable of being traversed each by a tube of the bundle.
Ce second mode de réalisation convient tout particulièrement au cas où les tubes sont de section circulaire ou ovale, les passages ayant une section circulaire ou ovale adaptée à celle des tubes.This second embodiment is particularly suitable for the case where the tubes are of circular or oval section, the passages having a circular or oval section adapted to that of the tubes.
Dans ce dernier cas, le bloc assure en même temps la cohésion et l'assemblage de l'ensemble des tubes du faisceau.In the latter case, the block simultaneously ensures cohesion and assembly of all of the tubes of the bundle.
Quelle que soit la forme de réalisation choisie, le maintien entre les tubes et le ou les blocs poreux est assuré par une liaison mécanique et/ou une liaison brasée.Whatever the embodiment chosen, the support between the tubes and the porous block or blocks is ensured by a mechanical connection and / or a brazed connection.
Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère au dessin annexé, sur lequel - la figure 1 est une vue partielle en perspective du corps d'un échangeur de chaleur selon une première forme de réalisation de l'invention; et - la figure 2 est une vue partielle en perspective du corps d'un échangeur de chaleur selon une seconde forme de réalisation de l'invention. In the description which follows, given solely by way of example, reference is made to the appended drawing, in which - FIG. 1 is a partial perspective view of the body of a heat exchanger according to a first embodiment of the invention; and - Figure 2 is a partial perspective view of the body of a heat exchanger according to a second embodiment of the invention.
L'échangeur de chaleur représenté partiellement sur la figure 1 comprend un corps 1 formé d'une multiplicité de tubes 2 disposés parallèlement entre eux pour former un faisceau. Dans l'exemple, les tubes 2 sont des tubes dits "plats" et ont une section oblongue délimitée par deux grandes faces 3 parallèles entre elles et deux petites faces arrondies 4 de forme semi-circulaire.The heat exchanger partially shown in Figure 1 comprises a body 1 formed of a multiplicity of tubes 2 arranged parallel to each other to form a bundle. In the example, the tubes 2 are so-called "flat" tubes and have an oblong section delimited by two large faces 3 parallel to each other and two small rounded faces 4 of semi-circular shape.
Les tubes 2 sont propres à être parcourus par un premier fluide F1 qui peut être, par exemple, de l'eau additionnée d'un antigel et servant au refroidissement du moteur d'un véhicule automobile. L'échangeur de chaleur peut être, soit un radiateur de refroidissement du moteur, soit un radiateur de chauffage de l'habitacle du véhicule.The tubes 2 are adapted to be traversed by a first fluid F1 which can be, for example, water added with an antifreeze and used for cooling the engine of a motor vehicle. The heat exchanger can be either an engine cooling radiator or a radiator for heating the passenger compartment of the vehicle.
Les tubes 2 ménagent deux à deux un espace intercalaire qui est comblé à chaque fois par un bloc poreux 5 de forme générale parallélépipédique qui présente deux faces opposées 6 en contact avec deux tubes adjacents 2, le contact s'effectuant sur les grandes faces 3 des tubes.The tubes 2 provide two by two an intermediate space which is filled in each case by a porous block 5 of generally parallelepiped shape which has two opposite faces 6 in contact with two adjacent tubes 2, the contact taking place on the large faces 3 of the tubes.
Les blocs poreux 5 comprennent chacun, dans l'exemple, un amas de fibres ou de rubans formés dans un matériau conducteur de la chaleur. Dans l'exemple, il s'agit d'un matériau métallique tel que de l'aluminium ou un alliage d'aluminium, ou encore du cuivre ou un alliage de cuivre. Les fibres ou rubans sont enchevêtrés ou entrelacés de manière lâche pour constituer une laine ou analogue présentant une multiplicité de cavités qui communiquent entre elles en sorte que chacun des blocs 5 peut être traversé de part en part par un second fluide F2 comme montré par les flèches sur la figure 1.The porous blocks 5 each comprise, in the example, a heap of fibers or ribbons formed in a heat-conducting material. In the example, it is a metallic material such as aluminum or an aluminum alloy, or else copper or a copper alloy. The fibers or ribbons are loosely entangled or intertwined to constitute a wool or the like having a multiplicity of cavities which communicate with each other so that each of the blocks 5 can be traversed right through by a second fluid F2 as shown by the arrows in figure 1.
Ce fluide F2 est habituellement un flux d'air, le plus souvent pulsé au moyen d'une turbine de ventilateur ou analogue, non représentée.This fluid F2 is usually an air flow, most often pulsed by means of a fan turbine or the like, not shown.
L'assemblage lâche des fibres ou rubans du matériau conducteur de la chaleur permet au fluide F2 de traverser le corps 1, de part en part, sans subir de pertes de charge notables. The loose assembly of the fibers or ribbons of the heat-conducting material allows the fluid F2 to pass through the body 1, right through, without undergoing significant pressure losses.
Les tubes 2 et les corps poreux 5 sont de préférence réalisés dans le même matériau métallique et leur liaison s'effectue de préférence par brasage dans un four de brasage approprié.The tubes 2 and the porous bodies 5 are preferably made of the same metallic material and their connection is preferably carried out by brazing in a suitable brazing furnace.
Les extrémités des tubes 2 sont propores à être reliées à deux boîtes à fluide qui n'ont pas été représentées pour simplifier le dessin.The ends of the tubes 2 are suitable for being connected to two fluid boxes which have not been shown to simplify the drawing.
Dans la forme de réalisation de la figure 2, à laquelle on se réfère maintenant, l'échangeur de chaleur comprend une multiplicité de tubes 7 disposés parallèlement entre eux de manière à former un faisceau. Dans l'exemple, les tubes 7 sont de section circulaire et sont disposés en quinconce sur quatre rangées.In the embodiment of Figure 2, to which reference is now made, the heat exchanger comprises a multiplicity of tubes 7 arranged parallel to each other so as to form a bundle. In the example, the tubes 7 are of circular section and are staggered in four rows.
Les tubes 7 sont destinés à être parcourus par un fluide F1 tel que le fluide de refroidissement d'un moteur de véhicule automobile, par exemple de l'eau additionnée d'un antigel.The tubes 7 are intended to be traversed by a fluid F1 such as the coolant of a motor vehicle engine, for example water added with an antifreeze.
Les tubes 7 sont entourés par un seul bloc poreux 8 de forme générale parallélépipédique qui ménage une multiplicité de passages 9 de section circulaire qui s'étendent parallèlement entre eux et qui débouchent sur deux faces opposées 10 et 11 du bloc 8.The tubes 7 are surrounded by a single porous block 8 of generally parallelepiped shape which provides a multiplicity of passages 9 of circular section which extend parallel to each other and which open on two opposite faces 10 and 11 of the block 8.
Le bloc poreux 8 est avantageusement un bloc fibreux de constitution identique ou analogue à celle des blocs 5 de la figure 1. Ce bloc est propre à être traversé par un fluide
F2, de préférence un flux d'air en relation d'échange thermique avec le fluide F1 parcourant les tubes 7.The porous block 8 is advantageously a fibrous block of constitution identical or analogous to that of the blocks 5 of FIG. 1. This block is suitable for being traversed by a fluid
F2, preferably an air flow in heat exchange relation with the fluid F1 passing through the tubes 7.
Dans la forme de réalisation de la figure 2, le bloc poreux 8 et les tubes 7 sont maintenus par liaison mécanique. Le cas échéant, cette liaison peut être complétée par une liaison brasée, l'ensemble formé par les tubes 7 et le bloc 8 étant passé dans un four approprié.In the embodiment of Figure 2, the porous block 8 and the tubes 7 are held by mechanical connection. If necessary, this connection can be completed by a brazed connection, the assembly formed by the tubes 7 and the block 8 being passed through a suitable oven.
Les blocs 5 (figure 1) ou le bloc 8 (figure 2) offrent une plus grande surface d'échange avec le fluide F2, pour un même volume ou un même poids, que les éléments conducteurs de la chaleur utilisés de façon traditionnelle.The blocks 5 (FIG. 1) or the block 8 (FIG. 2) offer a larger exchange surface with the fluid F2, for the same volume or the same weight, than the heat conducting elements used in the traditional way.
Ils permettent en outre d'abaisser les coûts de production du fait d'une flexibilité accrue de l'outil de production en cas de changement de dimensions.They also make it possible to lower production costs due to increased flexibility of the production tool in the event of a change of dimensions.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites précédemment à titre d'exemple.Of course, the invention is not limited to the embodiments described above by way of example.
Ainsi, le ou les blocs fibreux pourraient être réalisés sous la forme d'une mousse à pores ouverts formée du matériau conducteur de la chaleur.Thus, the fibrous block or blocks could be produced in the form of an open-pore foam formed from the heat-conducting material.
Le matériau conducteur de la chaleur n'est pas nécessairement un matériau métallique, et il pourrait être constitué par exemple par un matériau de type céramique possédant de bonnes propriétés de conduction de la chaleur.The heat conducting material is not necessarily a metallic material, and it could be constituted for example by a ceramic type material having good heat conduction properties.
On comprendra également que l'invention peut être appliquée à des échangeurs de chaleur possédant une ou plusieurs rangées de tubes et que ces tubes peuvent avoir des sections transversales de formes variées. It will also be understood that the invention can be applied to heat exchangers having one or more rows of tubes and that these tubes can have cross sections of various shapes.
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