FR2762900A1 - Radiator for motor vehicle internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
Echangeur de chaleur à faisceau de tubes horizontaux. en particulier pour véhicule automobile
L'invention concerne un échangeur de chaleur à faisceau de tubes horizontaux destiné à être utilisé notamment comme radiateur de refroidissement d'un moteur de véhicule automobile.Horizontal tube bundle heat exchanger. especially for a motor vehicle
The invention relates to a heat exchanger with a bundle of horizontal tubes intended to be used in particular as a radiator for cooling a motor vehicle engine.
On connaît déjà des échangeurs de chaleur de ce type qui comprennent un faisceau de tubes horizontaux dont les extrémités communiquent, par l'intermédiaire de plaques collectrices, avec une première boîte collectrice et une deuxième boîte collectrice, et dans lequel la première boîte collectrice comporte un compartiment supérieur muni d'une tubulure d'entrée pour l'admission d'un fluide caloporteur parcourant un circuit fermé.Heat exchangers of this type are already known which comprise a bundle of horizontal tubes, the ends of which communicate, via collector plates, with a first collector box and a second collector box, and in which the first collector box comprises a upper compartment fitted with an inlet pipe for the admission of a heat transfer fluid passing through a closed circuit.
Dans un échangeur de chaleur de ce type, le fluide caloporteur parcourt le circuit fermé sous l'action d'une pompe de circulation, pénètre dans le compartiment supérieur de la première boîte collectrice, parcourt ensuite les tubes du faisceau en une ou plusieurs passes, et quitte l'échangeur de chaleur par une tubulure de sortie prévue dans un compartiment inférieur de la première boîte collectrice ou de la deuxième boîte collectrice.In a heat exchanger of this type, the heat transfer fluid travels through the closed circuit under the action of a circulation pump, enters the upper compartment of the first manifold, then travels through the bundle tubes in one or more passes, and leaves the heat exchanger through an outlet pipe provided in a lower compartment of the first manifold or of the second manifold.
Au cours de son parcours dans l'échangeur de chaleur, le fluide caloporteur subit un échange thermique avec un flux d'air qui balaie le faisceau.During its course in the heat exchanger, the heat transfer fluid undergoes a heat exchange with an air flow which scans the beam.
Lorsqu'un tel échangeur de chaleur est utilisé pour le refroidissement d'un moteur de véhicule automobile, le fluide caloporteur est habituellement de l'eau additionnée d'un antigel qui pénètre à température élevée dans l'échangeur de chaleur pour y être refroidi.When such a heat exchanger is used for cooling a motor vehicle engine, the heat transfer fluid is usually water added with an antifreeze which penetrates at high temperature into the heat exchanger to be cooled there.
Du fait de la structure d'un tel échangeur de chaleur, il arrive, lorsque le débit du fluide caloporteur est faible (moteur fonctionnant à faible régime et en hiver avec une température extérieure inférieure à 5"C) que le fluide caloporteur pénétrant dans le compartiment supérieur de l'échangeur de chaleur ne puisse accéder à l'un au moins des tubes supérieurs situés dans une région supérieure du faisceau.Due to the structure of such a heat exchanger, it happens, when the flow of the heat transfer fluid is low (engine operating at low speed and in winter with an outside temperature below 5 "C) that the heat transfer fluid entering the upper compartment of the heat exchanger cannot access at least one of the upper tubes located in an upper region of the bundle.
En effet, compte tenu du faible débit, le fluide a tendance, sous l'effet de la gravité, à gagner seulement les tubes situés en dessous d'un certain niveau du faisceau.Indeed, given the low flow rate, the fluid tends, under the effect of gravity, to reach only the tubes located below a certain level of the beam.
I1 en résulte que le ou les tubes situés au-dessus de ce niveau se trouvent à une température nettement plus basse que les autres tubes du faisceau, la différence de température pouvant dépasser, par exemple, une valeur de l'ordre de 40"C. As a result, the tube or tubes situated above this level are at a temperature significantly lower than the other tubes in the bundle, the temperature difference possibly exceeding, for example, a value of the order of 40 "C. .
Or, comme ces tubes sont réalisés généralement en aluminium, il en résulte une dilatation différentielle entre le ou les tube(s) supérieur(s) froid(s) et les tubes chauds pouvant atteindre des valeurs de l'ordre de plusieurs dixièmes de millimètre.However, as these tubes are generally made of aluminum, this results in differential expansion between the upper tube (s) cold (s) and the hot tubes which can reach values of the order of several tenths of a millimeter. .
Ceci ne constitue pas un inconvénient dans le cas des échangeurs de chaleur à assemblage mécanique car les tubes sont reliés aux plaques collectrices par des joints d'étanchéité qui absorbent les variations dimensionnelles dues aux différences de dilatation.This does not constitute a drawback in the case of heat exchangers with mechanical assembly because the tubes are connected to the collector plates by seals which absorb the dimensional variations due to the differences in expansion.
Par contre, ceci constitue un inconvénient sérieux dans le cas des échangeurs de chaleur brasés, dans lesquels les extrémités des tubes sont brasées aux plaques collectrices.On the other hand, this constitutes a serious drawback in the case of brazed heat exchangers, in which the ends of the tubes are brazed to the collector plates.
En effet, les variations dimensionnelles engendrées par les différences de dilatation peuvent occasionner une rupture des liaisons brasées entre l'un ou plusieurs des tubes supérieurs et une des plaques collectrices.Indeed, the dimensional variations caused by the differences in expansion can cause a break in the brazed connections between one or more of the upper tubes and one of the manifolds.
L'invention a notamment pour but de surmonter cet inconvénient. The object of the invention is in particular to overcome this drawback.
Elle propose à cet effet un échangeur de chaleur du type défini en introduction, lequel comprend des moyens de circulation propres à favoriser la circulation du fluide caloporteur dans l'un au moins des tubes supérieurs du faisceau, en sorte que le ou chaque tube supérieur soit parcouru par le fluide caloporteur, même lorsque ce fluide parcourt l'échangeur de chaleur avec un faible débit.To this end, it proposes a heat exchanger of the type defined in the introduction, which comprises circulation means suitable for promoting the circulation of the heat transfer fluid in at least one of the upper tubes of the bundle, so that the or each upper tube is traversed by the heat transfer fluid, even when this fluid traverses the heat exchanger with a low flow rate.
Autrement dit, l'échangeur de chaleur de l'invention comprend des moyens pour favoriser ou forcer la circulation du fluide caloporteur dans le ou chaque tube supérieur, en créant une différence de pression entre l'entrée et la sortie du tube supérieur.In other words, the heat exchanger of the invention comprises means for promoting or forcing the circulation of the heat transfer fluid in the or each upper tube, by creating a pressure difference between the inlet and the outlet of the upper tube.
Ainsi, même si le débit du fluide caloporteur est faible, les moyens précités permettent de faire passer une proportion du fluide caloporteur dans l'un au moins des tubes supérieurs.Thus, even if the flow rate of the heat transfer fluid is low, the aforementioned means make it possible to pass a proportion of the heat transfer fluid through at least one of the upper tubes.
I1 en résulte que tous les tubes du faisceau se trouvent pratiquement à la même température et qu'il n'existe donc pas de différences de dilatation notables entre les tubes. As a result, all the tubes in the bundle are at practically the same temperature and there are therefore no significant differences in expansion between the tubes.
Dans une première forme de réalisation de l'invention, les moyens de circulation comprennent des moyens de refoulement pour amener une proportion de fluide caloporteur à l'entrée de l'un au moins des tubes supérieurs, du côté de la première boîte collectrice.In a first embodiment of the invention, the circulation means comprise delivery means for bringing a proportion of heat transfer fluid to the inlet of at least one of the upper tubes, on the side of the first manifold.
De manière préférée, ces moyens de refoulement comprennent un conduit de circulation ayant une extrémité d'entrée débouchant dans la tubulure d'entrée et une extrémité de sortie débouchant en regard de l'un au moins des tubes supérieurs.Preferably, these discharge means comprise a circulation duct having an inlet end opening into the inlet pipe and an outlet end opening opposite at least one of the upper tubes.
Ainsi, ce conduit de circulation prélève directement une proportion du fluide caloporteur dans la tubulure d'entrée pour l'amener dans l'un au moins des tubes supérieurs. Thus, this circulation conduit directly takes a proportion of the heat transfer fluid from the inlet pipe to bring it into at least one of the upper tubes.
Selon une autre caractéristique de l'invention, ce conduit de circulation comporte une partie sensiblement verticale, son extrémité d'entrée et son extrémité de sortie étant coudées.According to another characteristic of the invention, this circulation duct has a substantially vertical part, its inlet end and its outlet end being bent.
Dans une deuxième forme de réalisation de l'invention, les moyens de circulation comprennent des moyens d'aspiration pour aspirer le fluide caloporteur en sortie de l'un au moins des tubes supérieurs, du côté de la deuxième boîte collectrice.In a second embodiment of the invention, the circulation means comprise suction means for aspirating the heat transfer fluid at the outlet of at least one of the upper tubes, on the side of the second manifold.
De manière préférée, ces moyens d'aspiration comprennent un compartiment supérieur formé dans la deuxième boîte collectrice et dans lequel débouchent l'un au moins des tubes supérieurs, ainsi qu'un tube d'aspiration raccordant le compartiment supérieur au circuit du fluide caloporteur.Preferably, these suction means comprise an upper compartment formed in the second manifold and into which at least one of the upper tubes open, as well as a suction tube connecting the upper compartment to the circuit of the heat transfer fluid.
Ainsi, la circulation du fluide dans le ou chaque tube supérieur s'effectue par aspiration.Thus, the circulation of the fluid in the or each upper tube is effected by suction.
Ce compartiment supérieur est de préférence séparé du reste de la deuxième boîte collectrice par une cloison transversale.This upper compartment is preferably separated from the rest of the second manifold by a transverse partition.
Avantageusement, ce conduit d'aspiration débouche dans un conduit de sortie issu de l'échangeur de chaleur, en un point situé en amont d'une pompe de circulation faisant partie du circuit.Advantageously, this suction duct opens into an outlet duct coming from the heat exchanger, at a point located upstream of a circulation pump forming part of the circuit.
Ainsi, l'aspiration de la pompe de circulation favorise la circulation du fluide caloporteur dans l'un au moins des tubes supérieurs du faisceau.Thus, the suction of the circulation pump promotes the circulation of the heat transfer fluid in at least one of the upper tubes of the bundle.
Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère au dessin annexé, sur lequel - la figure 1 est un schéma d'un circuit de fluide caloporteur comportant un échangeur de chaleur selon une première forme de réalisation de l'invention; - la figure 2 est un détail du compartiment supérieur de l'échangeur de chaleur de la figure 1; et - la figure 3 est un schéma d'un circuit de fluide caloporteur comportant un échangeur de chaleur selon une deuxième forme de réalisation de l'invention.In the description which follows, given only by way of example, reference is made to the appended drawing, in which - FIG. 1 is a diagram of a heat-transfer fluid circuit comprising a heat exchanger according to a first embodiment of the 'invention; - Figure 2 is a detail of the upper compartment of the heat exchanger of Figure 1; and - Figure 3 is a diagram of a heat transfer fluid circuit comprising a heat exchanger according to a second embodiment of the invention.
Le circuit représenté à la figure 1 comprend un échangeur de chaleur 10 qui, dans l'exemple, est un radiateur de refroidissement d'un moteur M de véhicule automobile. Le circuit est parcouru par un fluide caloporteur, ici de l'eau additionnée d'un antigel, qui quitte le moteur pour gagner l'échangeur de chaleur 10 par un conduit d'entrée 12 et qui quitte cet échangeur de chaleur par un conduit de sortie 14 pour gagner le moteur M. La circulation du fluide s'effectue sous l'action d'une pompe 16 entraînée par le moteur M.The circuit shown in FIG. 1 comprises a heat exchanger 10 which, in the example, is a radiator for cooling an engine M of a motor vehicle. The circuit is traversed by a heat transfer fluid, here water added with an antifreeze, which leaves the engine to gain the heat exchanger 10 by an inlet duct 12 and which leaves this heat exchanger by a duct outlet 14 to reach the motor M. The circulation of the fluid takes place under the action of a pump 16 driven by the motor M.
L'échangeur de chaleur 10 comprend un faisceau 18 formé d'une multiplicité de tubes horizontaux 20 qui peuvent être disposés sur une ou plusieurs rangées. Entre les tubes 20 sont disposées des ailettes ondulées 22. Les tubes 20 communiquent, à une extrémité, avec une première boîte collectrice 24 et, à une autre extrémité, avec une deuxième boîte collectrice 26, les boîtes collectrices 24 et 26 étant disposées verticalement.The heat exchanger 10 comprises a bundle 18 formed from a multiplicity of horizontal tubes 20 which can be arranged in one or more rows. Corrugated fins 22 are arranged between the tubes 20. The tubes 20 communicate, at one end, with a first manifold 24 and, at another end, with a second manifold 26, the manifolds 24 and 26 being arranged vertically.
Les tubes communiquent respectivement avec les boîtes collectrices 24 et 26 par des plaques collectrices 28 et 30, encore appelées "plaques à trous". Dans l'exemple, les extrémités des tubes sont brasées aux plaques collectrices 28 et 30, et ces dernières sont elles-mêmes fixées aux boîtes collectrices 24 et 26 par des moyens de fixation appropriés, connus en soi.The tubes communicate respectively with the manifolds 24 and 26 by manifolds 28 and 30, also called "hole plates". In the example, the ends of the tubes are brazed to the collector plates 28 and 30, and the latter are themselves fixed to the collector boxes 24 and 26 by suitable fixing means, known per se.
La boîte collectrice 24 comporte une cloison transversale 32, ce qui permet de la diviser en un compartiment supérieur 34 (compartiment d'entrée) et un compartiment inférieur 36 (compartiment de sortie). Le compartiment supérieur 34 est muni d'une tubulure d'entrée 38 à laquelle aboutit le conduit d'entrée 12, tandis que le compartiment inférieur 36 est muni d'une tubulure de sortie 40 d'où part le conduit de sortie 14.The manifold 24 has a transverse partition 32, which allows it to be divided into an upper compartment 34 (inlet compartment) and a lower compartment 36 (outlet compartment). The upper compartment 34 is provided with an inlet pipe 38 to which the inlet pipe 12 terminates, while the lower compartment 36 is provided with an outlet pipe 40 from which the outlet pipe 14 starts.
Dans un échangeur de chaleur de ce type, le fluide caloporteur pénètre dans le compartiment supérieur 34, parcourt ensuite une partie du faisceau (flèche F1), gagne la boîte collectrice 26 puis le compartiment inférieur 36 par une autre partie du faisceau (flèche F2) puis quitte ce compartiment par la tubulure de sortie 40. La circulation du fluide caloporteur dans le faisceau s'effectue selon un parcours en deux passes, ou parcours en U, comme montré par les flèches
F1 et F2.In a heat exchanger of this type, the heat transfer fluid penetrates into the upper compartment 34, then travels through part of the bundle (arrow F1), reaches the manifold 26 then the lower compartment 36 through another part of the bundle (arrow F2) then leaves this compartment via the outlet pipe 40. The circulation of the heat transfer fluid in the bundle is carried out in a course in two passes, or U-shaped course, as shown by the arrows
F1 and F2.
La tubulure d'entrée 38 est généralement située à un niveau le plus élevé possible du compartiment supérieur 34. Toutefois, lorsque la pompe 16 fonctionne à faible régime (moteur M fonctionnant au ralenti), le débit du fluide caloporteur est faible. Dans ces conditions, il arrive que le fluide caloporteur, qui pénètre dans le compartiment supérieur 34 par la tubulure 38, ait tendance, sous l'effet de la gravité, à alimenter seulement les tubes du faisceau qui se trouvent en dessous d'un certain niveau horizontal.The inlet manifold 38 is generally located at the highest possible level of the upper compartment 34. However, when the pump 16 operates at low speed (engine M operating at idle), the flow rate of the heat transfer fluid is low. Under these conditions, it sometimes happens that the heat transfer fluid, which penetrates into the upper compartment 34 through the tubing 38, tends, under the effect of gravity, to supply only the tubes of the bundle which are below a certain horizontal level.
Autrement dit, un ou plusieurs tubes supérieurs 20S situés dans une région supérieure du faisceau ne sont pas alimentés en fluide, ce qui entraîne des différences de température et donc de dilatation entre le ou les tubes 20S et les autres tubes du faisceau.In other words, one or more upper tubes 20S located in an upper region of the bundle are not supplied with fluid, which causes temperature differences and therefore expansion between the tube or tubes 20S and the other tubes of the bundle.
Pour pallier cet inconvénient, l'invention prévoit des moyens de circulation constitués dans l'exemple par un conduit de circulation 42 logé à l'intérieur du compartiment supérieur 34 pour prélever une proportion de fluide caloporteur directement dans la tubulure d'entrée 38 et l'amener, par refoulement, dans le tube supérieur 20S.To overcome this drawback, the invention provides circulation means constituted in the example by a circulation duct 42 housed inside the upper compartment 34 for withdrawing a proportion of heat transfer fluid directly from the inlet pipe 38 and l '' bring, by discharge, into the upper tube 20S.
Comme montré à la figure 2, le conduit de circulation 42 comporte une partie principale 44 généralement verticale, terminée par une extrémité d'entrée 46 de forme coudée, et une extrémité de sortie 48 également de forme coudée.As shown in FIG. 2, the circulation duct 42 has a generally vertical main part 44, terminated by an inlet end 46 of bent shape, and an outlet end 48 also of bent shape.
L'extrémité d'entrée 46 débouche coaxialement dans la tubulure d'entrée 38, tandis que l'extrémité de sortie 48 débouche en regard de l'entrée du tube supérieur 20S.The inlet end 46 opens coaxially into the inlet pipe 38, while the outlet end 48 opens opposite the inlet of the upper tube 20S.
Ainsi, en cas de faible débit du fluide caloporteur, le conduit de circulation 42 prélève une proportion de ce fluide directement dans la tubulure d'entrée 38 pour l'amener dans le tube supérieur 20S (ou plusieurs tubes supérieurs, le cas échéant).Thus, in the event of a low flow rate of the heat transfer fluid, the circulation duct 42 draws a proportion of this fluid directly from the inlet pipe 38 to bring it into the upper tube 20S (or several upper tubes, if applicable).
Dans la forme de réalisation de la figure 3, à laquelle on se réfère maintenant, on retrouve l'essentiel de la structure de la figure 1.In the embodiment of FIG. 3, to which we now refer, we find most of the structure of FIG. 1.
Dans cette forme de réalisation, la boîte collectrice 26 comporte une cloison transversale interne 50 de manière b délimiter un compartiment supérieur 52 dans lequel débouchent un ou plusieurs tubes supérieurs 20S et un compartiment inférieur 54 qui communique avec les autres tubes du faisceau. Le compartiment 52 comporte une tubulure de sortie 56 d'où sort un tube d'aspiration 58. Celui-ci débouche dans le conduit de sortie 14 en un point 60 situé en amont de la pompe de circulation 16. Ainsi, la circulation du fluide caloporteur dans le ou les tubes supérieurs 20S s'effectue par aspiration du fait que le compartiment 52 se trouve relié au côté aspiration de la pompe 16 par l'intermédiaire du conduit d'aspiration 58.In this embodiment, the manifold 26 has an internal transverse partition 50 so as to delimit an upper compartment 52 into which one or more upper tubes 20S open and a lower compartment 54 which communicates with the other tubes of the bundle. The compartment 52 comprises an outlet tube 56 from which a suction tube 58 emerges. The latter opens into the outlet conduit 14 at a point 60 located upstream of the circulation pump 16. Thus, the circulation of the fluid coolant in the upper tube (s) 20S is effected by suction because the compartment 52 is connected to the suction side of the pump 16 via the suction duct 58.
Par conséquent, même en cas de faible débit du fluide caloporteur, une proportion de celui-ci est prélevé par aspiration dans le compartiment de la bote collectrice 24 pour gagner le compartiment supérieur 52 de la bote collectrice 26 et rejoindre le conduit de sortie 14. Autrement dit, une proportion du fluide caloporteur est dérivée dès l'entrée de celui-ci dans l'échangeur de chaleur. Consequently, even in the event of a low flow rate of the heat-transfer fluid, a proportion of the latter is withdrawn by suction from the compartment of the manifold 24 to reach the upper compartment 52 of the manifold 26 and join the outlet duct 14. In other words, a proportion of the heat transfer fluid is derived as soon as it enters the heat exchanger.
Il en résulte que le ou les tubes supérieurs 20S se trouvent sensiblement à la même température que les autres tubes du faisceau, si bien que les écarts de température entre les tubes du faisceau et donc leurs écarts dimensionnels sont nuls ou négligeables.As a result, the upper tube or tubes 20S are at substantially the same temperature as the other tubes of the bundle, so that the temperature differences between the tubes of the bundle and therefore their dimensional differences are zero or negligible.
Dans une variante de réalisation, la cloison transversale 50 pourrait être supprimée.In an alternative embodiment, the transverse partition 50 could be omitted.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites précédemment à titre d'exemple et s'étend à d'autres variantes.Of course, the invention is not limited to the embodiments described above by way of example and extends to other variants.
Ainsi, il est possible de prévoir d'autres moyens pour forcer ou favoriser la circulation du fluide caloporteur dans un ou plusieurs tubes supérieurs du faisceau, que ce soit par refoulement ou par aspiration.Thus, it is possible to provide other means for forcing or promoting the circulation of the heat transfer fluid in one or more upper tubes of the bundle, either by delivery or by suction.
Egalement, bien que l'invention ait été décrite en référence particulière à un échangeur de chaleur servant au refroidissement d'un moteur de véhicule, elle peut être appliquée à d'autres types d'échangeur de chaleur.Also, although the invention has been described with particular reference to a heat exchanger used for cooling a vehicle engine, it can be applied to other types of heat exchanger.
Il est possible également de favoriser la circulation du fluide caloporteur dans d'autres régions du faisceau, par exemple dans une région inférieure, en utilisant des moyens analogues. It is also possible to promote the circulation of the heat transfer fluid in other regions of the bundle, for example in a lower region, by using similar means.
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FR2762900A1 true FR2762900A1 (en) | 1998-11-06 |
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