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WO2004020927A1 - Module d'echange de chaleur pour un vehicule automobi: et systeme comportant ce module - Google Patents

Module d'echange de chaleur pour un vehicule automobi: et systeme comportant ce module Download PDF

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WO2004020927A1
WO2004020927A1 PCT/FR2003/002387 FR0302387W WO2004020927A1 WO 2004020927 A1 WO2004020927 A1 WO 2004020927A1 FR 0302387 W FR0302387 W FR 0302387W WO 2004020927 A1 WO2004020927 A1 WO 2004020927A1
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WO
WIPO (PCT)
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heat exchange
high temperature
low temperature
attributable
section
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/FR2003/002387
Other languages
English (en)
Inventor
Pascal Guerrero
Jean-Louis Laveran
Jérôme GENOIST
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo Thermique Moteur SA
Original Assignee
Valeo Thermique Moteur SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to AU2003293682A priority patent/AU2003293682A1/en
Priority to EP03756512A priority patent/EP1532413A1/fr
Priority to US10/525,803 priority patent/US7322399B2/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • F28F2009/0285—Other particular headers or end plates
    • F28F2009/0287—Other particular headers or end plates having passages for different heat exchange media

Definitions

  • Heat exchange module for a motor vehicle and system comprising this module
  • the invention relates to the field of heat exchangers, in particular for motor vehicles, whether they are heat exchangers constituted by a single row of tubes or by several rows of superimposed tubes traversed by the same flow of air.
  • These tubes can be straight tubes or even U tubes.
  • the invention relates to a heat exchange module for a motor vehicle with a thermal engine equipped with a high temperature cooling circuit, in particular for cooling the engine, and a low temperature cooling circuit for cooling vehicle equipment, this module comprising at least one row of heat exchange tubes connected to at least one inlet manifold and at least one outlet manifold, these tubes forming an exchange surface heat.
  • Modern motor vehicles include, in addition to the internal combustion engine itself, numerous pieces of equipment which exchange heat with an external medium, either to be cooled or, on the contrary, to be heated.
  • the condenser of the air conditioning circuit in the passenger compartment of the vehicle the charge air cooler or even the radiator for heating the passenger compartment.
  • these vehicles are generally equipped with two circuits, namely a high temperature circuit which is used for cooling the heat engine and equipment with the highest temperature, and a low temperature cooling circuit which is used for cooling equipment with the lowest temperature, such as the air conditioning system condenser in the passenger compartment of the motor vehicle.
  • the exchange surface of the high temperature radiator and the exchange surface of the low temperature radiator are fixed.
  • the high temperature radiator is used exclusively for cooling the equipment of the high temperature circuit, while the low temperature radiator is used exclusively for cooling and / or heating the equipment of the low temperature circuit.
  • the engine coolant circulates through a bypass line which bypasses the high temperature radiator so that the cooling capacity of the latter is not used. There is therefore a loss of cooling capacity.
  • the object of the invention is precisely to provide a heat exchange module which overcomes this problem by making the best use of the heat exchange surface available for the needs of the high temperature circuit and of the low temperature circuit.
  • the heat exchange module comprises surface distribution means which make it possible to split, advantageously in a modular manner, the heat exchange surface into a section d a high temperature heat exchange used for cooling the high temperature circuit and a low temperature heat exchange section used for cooling the low temperature circuit.
  • these distribution means it is possible to vary the distribution of the overall exchange surface of the module according to the needs of the cooling circuits with high temperature and low temperature. It is thus possible to increase the heat exchange surface available for the high temperature circuit by decreasing the cooling surface available for the low temperature circuit. Conversely, the heat exchange area allocated to the high temperature circuit can be reduced, which simultaneously makes it possible to increase that of the low temperature circuit. In particular, when the engine does not need to be cooled vigorously, a greater cooling capacity can be allocated to the circuit at low temperature and this achieves a better level of performance for cooling the equipment of the circuit at low temperature.
  • the invention can be generalized to the case where the motor vehicle comprises more than two cooling circuits, for example three, the heat exchange module of the invention could then comprise three heat exchange sections and the surface of The module's overall heat exchange could be distributed between these three exchange sections as required.
  • the fluids which circulate in the high temperature circuit and in the low temperature circuit can be the same fluid at different temperatures or two fluids of different nature.
  • the heat exchange module comprises a fixed heat exchange section permanently integrated into the high temperature cooling circuit, a fixed low temperature heat exchange section permanently integrated into the heating circuit. cooling at low temperature and an assignable heat exchange section comprising an inlet manifold and an outlet manifold and which can be allocated in whole or in part either to the fixed heat exchange section at high temperature, either to the exchange section of fixed heat at low temperature.
  • the high temperature heat exchange section respectively the exchange section heat at low temperature
  • the high temperature heat exchange section consists of a permanent fixed part, namely the fixed heat exchange section at high temperature, respectively at low temperature, increased by the attributable heat exchange section.
  • the attributable heat exchange section can also be divided between the high temperature and low temperature circuits.
  • the high temperature heat exchange section consists of its fixed part increased by the fraction of the attributable heat exchange section which is allocated to it.
  • the low temperature heat exchange section consists of its fixed part increased by the fraction of the attributable heat exchange section which has not been allocated to the high temperature circuit.
  • the heat exchange module comprises a single row of tubes.
  • the heat exchange module comprises a first row of tubes and a second row of tubes, the first row belonging to the fixed exchange section of the high temperature circuit, respectively of the low temperature circuit, the second row of tubes being split into a fixed section at high temperature, into a fixed section at low temperature and into an attributable intermediate heat exchange section, the fixed section at high temperature, respectively the fixed section at low temperature, being connected in series to the first row of tubes.
  • the heat exchange module comprises three rows of tubes, the first row of tubes belonging to the fixed exchange section of the high temperature circuit, the second row of tubes belonging to the exchange section attributable intermediate heat, the third row of tubes belonging to the fixed low-temperature exchange section.
  • the second intermediate row which will preferably be placed between the first and the third row of tubes, is connected in series, generally entirely, either to the first row of tubes, or to the second row of tubes.
  • said distribution means make it possible to control, for example individually and / or by group, the number of tubes assigned to one or the other of the sections at low temperature or at high temperature.
  • at least three groups of assignable tubes will be provided.
  • the heat exchange module comprises a row of U-shaped tubes, each of which is connected on the one hand to the attributable inlet manifold and on the other hand to the attributable outlet manifold.
  • the surface distribution means are constituted by adjustable partition means of the inlet manifold of the attributable section and by adjustable means of the manifold outlet of the attributable section, these means of partition allowing modular splitting of the assignable inlet manifold into an inlet chamber attributable to the high temperature circuit and an inlet chamber attributable to the low temperature circuit, and the outlet manifold assignable into a output attributable to the circuit at high temperature and an outlet chamber attributable to the low temperature circuit, the distribution of the inlet manifold and the outlet manifold between these chambers being adjustable.
  • Said partitioning means will advantageously make it possible to control, tube by tube or group of tubes by group of tubes, whether the said tube or tubes are allocated to the low temperature section or to the high temperature section, this over at least part of the height of manifolds.
  • the distribution is varied the overall heat exchange surface of the heat exchange module between the high temperature heat exchange section and the low temperature heat exchange section.
  • the continuously adjustable partition means are constituted by a piston mounted to slide in the attributable inlet manifold and by a piston mounted to slide in the attributable outlet manifold, these pistons being moved by means of actuation.
  • the actuating means can be constituted, for example, by endless screws driven in rotation by actuators external to the manifolds.
  • the partitioning means of the assignable inlet manifold and the assignable outlet manifold are discreetly adjustable.
  • the discrete adjustment means can consist of a series of partitions actuated by actuators distributed over the length of the attributable inlet manifold and over the length of the attributable outlet manifold, each of these partitions being able to split the inlet manifold, respectively the outlet manifold, into two chambers.
  • the partitions are isolated from the middle of the heat exchange module by sealing membranes and they are actuated by actuators external to the manifolds.
  • the heat exchange module comprises switching means which make it possible to connect the heat exchange section that can be allocated entirely, either to the fixed heat exchange section at high temperature, or to the fixed heat exchange section at low temperature.
  • the switching means are constituted by passage orifices provided between the manifolds of the fixed sections at high temperature and at low temperature and the manifolds of the attributable intermediate heat exchange section and by valves which allow these passage openings to be opened or closed selectively.
  • the valves are connected by a rod to a control member. They are preferably located in the manifolds of the attributable intermediate section disposed between the high temperature and low temperature sections.
  • a simple reciprocating movement of the valves makes it possible to alternately close either the communication of the intermediate section with the high temperature section, or o the communication of the intermediate section with the low temperature section.
  • the valves are arranged in the manifolds of the high temperature and low temperature sections.
  • the heat exchange module comprises logic control means, means for distributing the heat exchange surface which receive information on control parameters such as the water temperature of the high temperature circuits and at low temperature, the engine load, the engine speed, the power released by the engine to the water, at least one of these parameters governing the distribution of the heat exchange surface.
  • These logic means can be controlled electronically, pneumatically, electromagnetically and / or thermostatically.
  • the tubes can be fitted with cooling fins common to all the rows of the module.
  • the cooling fins can be common to the two rows of tubes.
  • the manifolds of the heat exchange module of the invention may consist of a collecting plate and a cover assembled by brazing, these elements preferably being made of aluminum.
  • the manifolds of the heat exchange module may consist of a manifold plate and a cover, in particular made of plastic, fixed mechanically on the collector plate.
  • the invention relates to a thermal energy management system developed by a thermal engine of a motor vehicle, comprising a high temperature cooling circuit comprising a high temperature radiator for cooling in particular the vehicle engine, and a circuit low temperature cooling system comprising a low temperature radiator for cooling equipment of the motor vehicle.
  • the high temperature radiator is constituted by the high temperature heat exchange section of a heat exchange module according to the present invention and the low temperature radiator is constituted by the section d heat exchange at low temperature of this same module.
  • the logic means for controlling the means for distributing the heat exchange surface are coupled to management by a four-way valve for cooling the engine, said valve comprising an inlet channel connected to the outlet of the engine, and by three output channels connected respectively to one air heater, to the bypass pipe of the engine and to the heat exchange module according to the invention.
  • FIG. 1 schematically shows a thermal energy management system developed by a thermal engine of a motor vehicle according to the present invention
  • - Figure 2 is a schematic perspective view of a heat exchange module according to the present invention
  • - Figure 3 is a schematic perspective view of another heat exchange module according to the present invention, comprising two rows of tubes;
  • FIG. 4 is a sectional representation of an exemplary embodiment of a heat exchange module with a single row of tubes comprising means for continuously adjusting the distribution of the heat exchange surface;
  • FIG. 5 is a sectional representation of a heat exchange module according to the invention, comprising means for continuously adjusting the distribution of the heat exchange surface comprising two rows of tubes;
  • FIG. 6 and 7 are detail views which show discrete partition means of a manifold of a heat exchange module according to the present invention
  • FIG. 8a to 8e show the successive stages of actuation of discrete partitioning means such as those of Figures 6 and 7;
  • FIG. 12 and 13 are perspective views which illustrate another embodiment of the discrete partition means
  • FIGS. 14 to 16 are sectional views which show an embodiment of a heat exchange module according to the invention comprising three rows of tubes and switching means;
  • FIG. 17 is a perspective view of a heat exchange module with U-shaped tubes comprising means for continuously adjusting the distribution of the heat exchange surface;
  • FIGS. 19A to 19F show different positions of the means for adjusting the distribution of the exchange surface of the heat exchange module of FIG. 17.
  • FIG. 1 shows an overview of a system for managing the thermal energy released by a heat engine, in particular from a motor vehicle, in accordance with the present invention.
  • This system includes a high temperature cooling circuit, designated by general reference 2, and a low temperature cooling circuit designated by general reference 4.
  • the high temperature circuit comprises an engine inlet pipe 6 connected to the engine 8 of the vehicle and an engine outlet pipe 10 connected to a four-way valve 12.
  • a mechanical or electric pump 14 circulates a cooling fluid coolant through the engine block, as shown by the arrows 15.
  • the high temperature cooling circuit also includes a heating pipe 16 on which is mounted an air heater 18.
  • the circulation pump 14 also makes it possible to circulate the coolant in 1 heater 18, as shown by arrow 19.
  • the heat transfer fluid can also pass through a pipe 20 of a high temperature radiator connected to a heat exchange module 22 according to the present invention.
  • the heat exchange module 22 is traversed by the heat transfer fluid, as shown schematically by the. arrows 23.
  • a bypass pipe or short circuit pipe 24 allows the heat transfer fluid to return to the motor 8 without having passed through the heat exchange module 22, as shown by arrow 25. _. . ..
  • the four-way valve 12 comprises an inlet channel designated by the reference 12-1 and three outlet channels, respectively a channel 12-2 connected to the radiator pipe 16, a channel 12-3 connected to the radiator pipe at high temperature 20 and a channel 12-4 connected to the short-circuit pipe 24.
  • the secondary cooling circuit 4 comprises a low temperature radiator pipe 28 on which is mounted an electric low temperature circulation pump 30 and one or more heat exchangers 32.
  • a single heat exchanger 32 has been shown. intended for cooling or possibly heating vehicle equipment.
  • the heat exchanger 32 can be, for example, a condenser of an air conditioning circuit or a charge air cooler. It is cooled by heat exchange with the low temperature heat transfer fluid which circulates in the low temperature cooling circuit 4, as shown diagrammatically by the arrow 34.
  • the low temperature fluid is cooled in the heat exchange module 22.
  • the high temperature cooling circuit and the low temperature cooling circuit comprise separate cooling exchangers which do not communicate with each other. Consequently, the cooling surface allocated respectively to the high temperature cooling circuit and to the low temperature cooling circuit are fixed. It often happens that the cooling capacity of the high temperature circuit is not used, for example in the event of a low load or a moderate load of the heat engine 8. In this case, the high temperature cooling radiator is bypassed by the pipe. short-circuit 24, so that the cooling capacity of the vehicle is not used to the best.
  • the heat exchange module 22 comprises means for distributing the overall heat exchange surface of the module 22.
  • These distribution means designated by the general reference 40, comprise means mechanical 42 controlled by power means 44 able to train them.
  • the power means can be controlled by logic control means 46 which receive information from sensors arranged at appropriate locations in the high temperature cooling circuit and the low temperature cooling circuit.
  • These control parameters can be the water temperature at the outlet of the engine 8 in the line 10, the engine rotation speed, the thermal power rejected by the engine in the high temperature cooling circuit.
  • the logic control means can be controlled by one or more of these parameters combined.
  • the logic control means 46 are coupled to a management of the four-way valve 12, as shown schematically by the dashed line 48.
  • the heat exchange module 22 comprises a heat exchange surface made up of parallel heat exchange tubes in which circulates a cooling fluid which exchanges heat with a external environment, for example atmospheric air.
  • the surface distribution means make it possible to modulably split the overall heat exchange surface of the heat exchange module 22 into a high temperature heat exchange section mounted on the high temperature radiator line 20 and traversed by the high temperature coolant, as shown by arrow 23, and a low temperature heat exchange section (not referenced in Figure 1) used for cooling the fluid at low temperature, as shown by arrow 34.
  • the distribution of the overall cooling capacity of the heat exchange module 22 is controlled as a function of the cooling needs of the high temperature 2 and low temperature 4 circuits.
  • these cooling needs are small and most of the high temperature cooling fluid flows through the short-circuit pipe 24.
  • most, if not all, of the overall exchange surface of the heat exchange module 22 can be recovered for cooling low-temperature equipment shown diagrammatically by the heat exchanger 32.
  • Their performance is thus improved, for example the thermal performance of the air conditioning circuit, by providing a condenser whose cooling capacity is higher.
  • the mechanical means for distributing the heat exchange surface of the heat exchange module 22 make it possible to distribute this surface in any way.
  • the high temperature heat exchange section and the low temperature heat exchange section consist of a single zone of contiguous tubes.
  • they can be distributed in any manner in the heat exchange module 22.
  • the overall heat exchange surface of the heat exchange module 22 is broken down into three sections, namely a high temperature heat exchange section 52 , a low temperature heat exchange section 54 and an intermediate section 56 disposed between sections 52 and 54.
  • Sections 52 and 54 are fixed. In other words, they are always present and they comprise a determined, fixed number of heat exchange tubes of the heat exchange module 22.
  • the intermediate section 56 can be assigned either to the circuit of high temperature cooling, i.e. to the low temperature cooling circuit.
  • the heat exchange surface of the high temperature circuit consists of the sum of the exchange section 52 and the exchange section 56.
  • the cooling surface of the circuit to low temperature is made up of the sum of the low temperature heat exchange section 54 and the intermediate section 56.
  • the intermediate heat exchange section 56 can also be distributed between the sections 52 and 54.
  • One can, for example, allocate three quarters of the intermediate heat exchange section 56 to the low temperature cooling circuit (section 54 ) and the remaining quarter in the high temperature cooling system (section 52).
  • this proportion can vary, either continuously from 0 to 100%, or by increment, for example by 10% each time.
  • FIG. 2 a perspective view of a heat exchange module 22 according to the present invention, schematically consisting of a single row of tubes. It comprises a bundle of parallel, generally flat tubes, designated by the general reference 50. These tubes are preferably in contact with surfaces intended to increase the heat exchange with the external medium, for example flat fins arranged perpendicular to the tubes. , or corrugated spacers arranged between the tubes.
  • the tubes of the heat exchange module 22 are connected, at each of their two ends, to manifolds, ie namely an inlet manifold for the heat transfer fluid and an outlet box for the outlet of the heat transfer fluid.
  • the tubes of the high temperature heat exchange section 52 are connected to a high inlet temperature manifold 58 and to a high outlet temperature manifold 60.
  • the tubes of the low temperature heat exchange section 54 are connected respectively to a low temperature inlet manifold 62 and to a low temperature outlet manifold 64.
  • the tubes of the assignable intermediate section 56 are connected, at their inlet end, to an assignable inlet manifold 66 and, at their outlet end, to a attributable manifold 68.
  • the manifolds 66 and 68 are said to be "attributable” because it is, in fact, via the manifolds 66 and 68 that the intermediate heat exchange surface 56 will be distributed.
  • the high temperature inlet manifold 58 and the intermediate inlet manifold 66 are placed in communication, and simultaneously in communication with the high temperature outlet manifold 60 in communication with the intermediate outlet manifold 68.
  • the procedure is the same with regard to the low temperature cooling circuit 54. And, when it is desired to distribute the intermediate exchange surface 56 between the high temperature and low temperature circuits, one distributes, in the same proportion, the assignable inlet manifold 66 and the assignable outlet manifold 68 between the high temperature and low temperature circuits. - --.-. , - ....
  • the high temperature heat transfer fluid enters the inlet manifold 58, as shown by the arrow 59, and it emerges from the outlet manifold 60, as shown by the arrow 61, after passing through the exchange section of high temperature heat 52, as shown by the arrow 55.
  • the coolant at low temperature enters the low temperature inlet manifold 62, as shown in the arrow 63, and emerges from the low temperature manifold 64, as shown by arrow 65, after having passed through the low temperature exchange section 54, as shown schematically by arrow 57.
  • the intermediate inlet manifold 66 and the intermediate outlet manifold 68 do not have any inlet manifold and clean outlet.
  • the entry of the high temperature heat transfer fluid or the entry of the low temperature heat transfer fluid into the manifolds 66 and 68 is done indirectly, via the inlet and outlet boxes 58, 60, 62, 64 of the high temperature and low temperature circuits.
  • FIG. 2 a basic embodiment of a heat exchange module according to the present invention comprising a single row of tubes.
  • the heat exchange module can be more complex and in particular comprise several rows of tubes, for example two. It is a module of this type which has been represented in Figure 3.
  • FIG. 3 a heat exchange module according to the invention 22, identical in principle to the heat exchange module of Figure 2, but having two rows of tubes instead of one. It consists of a first row of tubes 72 comprising manifolds at each of their two ends and a second row of tubes 74 comprising manifolds at each of their two ends.
  • the heat exchange module identical in principle to the heat exchange module of Figure 2, but having two rows of tubes instead of one. It consists of a first row of tubes 72 comprising manifolds at each of their two ends and a second row of tubes 74 comprising manifolds at each of their two ends.
  • the second row of tubes 74 is broken down into three parts, namely a part 52 at high temperature, a part 54b at low temperature and an attributable intermediate part 56.
  • the manifolds d the inlet and outlet are divided into three parts, namely respectively an inlet manifold 58 at high temperature, an outlet manifold at high temperature 60, an inlet manifold at low temperature 62, an outlet manifold of low temperature outlet 64, an intermediate inlet manifold 66 and an intermediate outlet manifold 68.
  • the constitution of the second row of tubes 74 is therefore identical to the constitution of the heat exchange module shown in Figure 2.
  • the first row of tubes 72 is added to the heat exchange section at low temperature 54b of the second row of tubes 74.
  • the coolant at low temperature enters the inlet chamber 62 limited by the partition 78, as shown by the arrow 63. It is distributed in this room, as shown by arrow 80, and it traverses the first pass of the tubes 72 in the direction from left to right, according to Figure 3, to reach the manifold 82 of the first row of tubes. It is distributed in this manifold, as shown schematically by the arrow 84, and enters the lower pass to circulate from right to left, according to Figure 3, and reach the chamber 86 limited by the partition 78.
  • the low temperature fluid enters the inlet manifold 62 which is part of the second row of tubes 74, as shown schematically by the arrows 88 and 90, through the opening 92.
  • the ambient air crosses the row 72 then row 74.
  • the low temperature fluid leaves the module according to arrow 65.
  • the fixed heat exchange section at low temperature permanently assigned to the low temperature circuit, consists of two distinct parts, namely on the one hand all the tubes of the first row 72 and a fraction of the tubes of the second row 74.
  • the heat exchange section at low temperature is much larger than the high temperature heat exchange section.
  • the attributable intermediate part 56 can be integrated, by the means for distributing the heat exchange surface area according to the invention, into the low temperature heat exchange section, the proportion of which relative to the surface heat exchange is thus increased. Conversely, it is possible to assign the intermediate exchange section 56 to the high temperature cooling circuit.
  • FIG. 4 a sectional view of a heat exchange module according to the invention comprising heat distribution means in which the intermediate heat exchange section 56 can be distributed continuously between the fixed section at high temperature 52 and the fixed section at low temperature 54.
  • the bundle of tubes 50 consists of flat tubes 102 between which are arranged corrugated intermediate elements 104.
  • the tubes 102 are connected at each of their ends to collector plates 106 closed by a cover 108.
  • the tubes 102, the intermediates 104, the collector plates 106 and the covers 108 can be assembled by soldering in a single operation.
  • the covers 108 made for example of plastic, can be mechanically fixed, for example by means of folded tabs, on the collector plates 106.
  • a transverse partition 110 forming a piston able to move in translation in the manifolds is moved by an endless screw 42 driven in rotation, by example by an electric motor 44 disposed in a housing located outside the heat exchange module.
  • the electric motors 44 are supplied by a cable 112 which brings, at the same time as the electric power necessary for driving the motors, control signals making it possible to control on, off, the speed of rotation and the direction of rotation of the latter.
  • the worm 42 cooperating with the piston 110 constitutes the mechanical means for distributing the heat exchange surface 50, while the motor 44 constitutes the power means which drive the mechanical means 42.
  • Each of the pistons 110 can move over a stroke equal to the length of the threaded part of the worm 42. It is the length of the threaded part 42 which determines the extent of the attributable intermediate heat exchange surface 52 which can be distributed between high temperature and low temperature cooling circuits.
  • each of the pistons 1.1.0 has been shown in abutment against a shoulder 114 of the rod 42.
  • the whole of the heat exchange surface intermediate heat has been allocated to the high-temperature cooling circuit 2.
  • the threaded rod 42 has a stop 116.
  • the pistons 110 which move simultaneously and in synchronism, come into abutment against the stop 116, the all of the intermediate exchange surface 56 is allocated to the low-temperature cooling circuit 4.
  • the pistons 110__ can occupy each of the intermediate positions between the extremes described above, so that the distribution of the intermediate exchange surface may vary continuously. It should however be observed that in practice this surface varies in increments because the pistons must be placed between two successive tubes.
  • FIG. 5 a sectional view of a heat exchange module according to the invention comprising means for adjusting the adjustment of the overall heat exchange surface 50 of the adjustable heat exchange module continuously identical to those of the embodiment shown in Figure 4.
  • the heat exchange module of Figure 5 has two rows of tubes instead of one.
  • the second row of tubes designated by the general reference 74, shown in section in Figure 5, consists of flat tubes 102 between which are corrugated spacers 104.
  • the tubes are connected to manifold plates 106 closed by lids 108
  • the first row of tubes (not referenced and not shown) is located behind the second row of tubes and is therefore not visible in the figure.
  • This. first row of tubes can have the same heat exchange surface as row 74, or it can be smaller or larger than it.
  • the first row of tubes is part of the fixed heat exchange section of the low temperature cooling circuit 4.
  • the coolant at low temperature enters the first row of tubes, as shown by the arrow 63. It traverses these tubes from left to right, according to Figure 5, to reach a manifold (not shown) located behind the cover 108 It emerges from this manifold through a passage orifice 92 so as to enter the low temperature inlet manifold 62 of the second row of tubes 74. It then runs through the tubes 102 from right to left, according to FIG. 5 , to enter the low temperature outlet manifold 64 located to the left of FIG. 5. It will be noted that, in this embodiment, the position of the low temperature inlet and outlet manifolds 62 and 64 is reversed by relative to the position they occupy in the embodiment of Figure 3.
  • the communication port 92 is located to the right of Figure 5, while it is located to the left of Figure 3.
  • FIGS. 6 and 7 Two detailed sectional views which show the embodiment of means for distributing the heat exchange surface of the heat exchange module of the invention in a discrete manner.
  • these means consist of a transverse partition 122 capable of dividing the manifold into two parts.
  • the partition 122 is moved by an actuator 124 which can be electric, pneumatic, electropneumatic or other.
  • the actuator 124 is constituted by a piston 126 which is moved, in a cylinder 128, pneumatically or hydraulically.
  • the actuator 124 makes it possible to pass the partition from the retracted position or open position shown in FIG. 6 to the extended position or closed position shown in FIG. 7.
  • the partition 122 When the partition 122 is retracted, the coolant can circulate freely in the manifold.
  • the partition When the partition is in the closed position, the partition closes the manifold.
  • the actuator 124 can actuate the partition 122 in "all or nothing" movement or in a progressive manner.
  • a sealing membrane 130. which envelops the partition 122 makes it possible to establish a seal between the medium inside the manifold and the outside of the heat exchange module.
  • the actuator 124 is disposed outside of the manifold. Its assembly is therefore easy. In addition, as the actuator is isolated from the aggressive internal medium which circulates in the exchanger, it is not corroded and its service life is extended. The thermomechanical stresses on the actuator are reduced. Only the membrane 130 is in direct contact with the heat transfer fluid which circulates in the manifold. The membrane adapts to the shape of the partition 122. It can lengthen in the case where the stroke of the partition 122 is short.
  • FIGS. 8a to 8e show the successive stages of a variation in the distribution of the heat exchange surface between the high temperature circuit and the low temperature circuit by means of partition walls such as the partitions 122 shown in Figures 6 and 7.
  • the heat exchange module shown in these figures schematically comprises a single row of tubes, but it goes without saying that it could include more, for example two or three, as described previously.
  • the heat exchange module has four partition walls distributed two by two.
  • the two upper partitions 122 are closed. They close off the manifold (position shown in Figure 7).
  • the two lower partitions are open (see Figure 6).
  • the partition walls 122 thus ensure a division of the overall heat exchange surface of the heat exchange module into three parts.
  • a high temperature heat exchange section 52 At the top there is a high temperature heat exchange section 52; at the lower part of the exchanger, a low temperature heat exchange section 54 and between these two sections an intermediate heat exchange section attributable to one or the other of the high temperature and low circuits temperature 56.
  • the high temperature fluid enters section 52 (arrow 59), crosses this section from left to right, as shown by arrow 55, then exits at 61.
  • the low temperature fluid enters section 54, as shown diagrammatically by arrow 63, crosses this section from left to right, as diagrammed by arrow 57, and emerges from the low-temperature manifold 64, as diagrammed by arrow 65.
  • FIG. 8c the closure is completed, so that the intermediate exchange surface 56 is isolated from both the high temperature circuit and the low temperature circuit.
  • This situation constitutes an intermediate state, the duration of which is generally less than one second.
  • This intermediate state can possibly be eliminated if one wishes to create a mixture between the two circuits or manage and balance the pressures between the circuits. We then open the two upper partition walls, as shown in Figure 8d.
  • the heat exchange module has only four partition walls 122, that is to say only two partitions for each manifold.
  • the intermediate exchange surface 56 can only be allocated by whole to the high temperature circuit or to the low temperature circuit.
  • the heat exchange module of the invention could comprise more than two partitions for each manifold, for example three, four, five or more. This would allow the intermediate heat exchange surface to be distributed in variable proportions between the two circuits. For example, one third of the intermediate exchange surface could be allocated to the high temperature circuit and two thirds of this surface to the low temperature circuit. It goes without saying that the greater the number of partition walls, the more it is possible to carry out a fine distribution of the heat exchange surface.
  • FIG. 9 There is shown in Figures 9, 10 and 11 an embodiment of a circular partition wall.
  • a fixing flange 132 is fixed to the cover 108 of the manifold.
  • a bell 134 having a flange 136 complementary to the fixing flange 132 is placed on the latter.
  • the sealing membrane 130 is clamped between the fixing flange 132 and the flange 136 of the bell 134.
  • the flange 132 and the flange 136 are held by fixing clips 136 or by any other similar means.
  • the membrane 130 comprises a stud 142 which engages in a hole 14.3 of a piston 144.
  • the piston comprises at its upper part an actuating rod 146 which is connected to the actuator 124 placed on the bell 134.
  • FIG. 12 and 13 a variant of the embodiment of Figures 9 to 11.
  • the partition wall has an elongated shape instead of being circular.
  • FIG. 14 to 16 Another embodiment of the invention is shown in Figures 14 to 16. It differs from the embodiments described above by the fact that it does not include means for partitioning a manifold allowing distribute the volume of this manifold continuously or incrementally between the high-temperature and low-temperature circuits, but switching means which make it possible to connect "all or nothing" a row of tubes to one or the other of its two cooling circuits.
  • the heat exchange module designated by the general reference 122 consists of three rows of tubes, namely a first row of tubes 152, a second row of tubes 154 and a third row of tubes 156 disposed between row 152 and row 154.
  • the rows of tubes 152, 154 and 156 are crossed by the same air flow, as shown by arrow 158.
  • the first row of tubes is a row of high temperature tubes and the second row of tubes a row of low temperature tubes.
  • the tubes of the first row have, at one end, a high temperature inlet manifold 58, and at their other end a high temperature outlet manifold 60.
  • the high temperature fluid enters the box inlet manifold 58 by an inlet manifold, as shown schematically by the arrow 59, and it emerges from the outlet manifold by an outlet manifold, as shown schematically by the arrow 61, after having crossed from left to right, according to Figure 14, the first row tubes 152.
  • the fluid at low temperature enters the inlet manifold 62 through an inlet manifold, as shown in the arrow 63, and emerges from the outlet manifold 64, as shown schematically by the arrow 65, after having traversed from left to right, according to FIG. 14, the tubes of the second row of tubes 154.
  • a passage orifice 162 allows a passage of the fluid between the manifold 62 and the box 66; a passage orifice 164 allows fluid communication between the outlet manifold 64 and the box 68; a passage orifice 166 allows passage of the fluid between the intermediate inlet manifold 66 and the inlet manifold 58; finally, a passage orifice 168 allows communication between the intermediate outlet manifold 68 and the outlet manifold 60. Switching means make it possible to selectively open or close the passage orifices 162, 164, 166, 168.
  • the means which allow the closing and opening of the passage orifices 162 and 166, located opposite one another, are constituted by a valve 172 disposed in the intermediate chamber 66, between the orifices 162 and 166.
  • the valve 172 is mounted on a rod 174 driven by an actuator 176 located outside of the manifold 58.
  • the switching means which make it possible to close and open the communication orifice 164 and the communication orifice 168 are constituted by a valve 180 located in the intermediate chamber 68.
  • the valve 180 is mounted on a rod 182 driven by an actuator 184 also located outside of the outlet manifold 60.
  • this embodiment is not limiting and one could consider other switching means, for example valves located in the manifolds 62 and 58 and in the manifolds 60 and 64, respectively.
  • valve 172 closes the passage orifice 162, while the valve 180 closes the orifice. of passage 1-64.
  • the tubes of intermediate row 156 are isolated from the low temperature circuit.
  • the tubes of the intermediate row are therefore attached to the high temperature stage by a communication of the fluid through the passages 166 and 168.
  • the fluid After its entry into the inlet manifold 58, the fluid is distributed between the two rows of tubes 152 and 156, then comes out by the single tube provided on the outlet manifold 60, as shown by arrow 61.
  • FIG. 15 which represents a detailed view of the right end of the heat exchange module 122 shown in FIG. 14, the valve 180 closes the passage orifice 168.
  • the valve 172 (not shown) closes the passage orifice 166 situated between the manifolds 58 and 66.
  • the tubes of the first row 152 are insulated and the tubes of the intermediate row 156 are attached to the circuit at low temperature. The circulation of the fluid takes place as described above by changing what must be changed.
  • the switching means which have just been described therefore make it possible to distribute the overall heat exchange surface of the heat exchange module 122, this overall heat exchange surface being constituted by the sum of the heat exchange surfaces of heat of each of the three rows 152, 154 and 156.
  • the tubes of rows 152 and 154 always belong, respectively, to the high temperature circuit and to the low temperature circuit, while the tubes of the intermediate row can be assigned to one either of these two circuits.
  • the tubes of row 156 are allocated "all or nothing". Their heat exchange surface cannot be divided between the high temperature circuit and the low temperature circuit.
  • FIG. 17 a perspective view of a ⁇ heat exchange module according to the invention having a row of U-tubes 190, also called tubes hairpin, each formed by two branches 192 and 194 connected by an elbow 196.
  • a corrugated interlayer 198 is placed between two successive U-shaped tubes.
  • the arms 192 of the tubes communicate with an attributable inlet manifold 66, while the branches 194 communicate with an attributable outlet manifold 68.
  • the manifolds 66 and 68 are formed respectively from two tubes 200 and 202 arranged parallel to each other and preferably in a substantially horizontal position.
  • the inlet manifold 66 is provided with an inlet manifold 204 adapted to be connected to a high temperature circuit and another inlet manifold 206 suitable for being connected to a low temperature circuit.
  • the outlet manifold 68 is provided with an outlet pipe 208 suitable for being connected to said high temperature circuit and another outlet pipe 210 suitable for being connected to said low temperature circuit.
  • each of the manifolds 66 and 68 is slidably mounted a piston 212 able to move in translation by an endless screw 214 driven in rotation.
  • the internal surface of the tubes 200 and 202 is treated with a material, for example of the polytetrafluoroethylene (PTFE) type, facilitating the sliding of the pistons 212 forming distributors.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • These pistons each receive a peripheral seal 216, advantageously made of PTFE, to ensure the seal between the high temperature part and the low temperature part.
  • An interface box 218 (FIG. 18) ensures the connection of the U-shaped tubes 190 with the manifold 66 and the manifold 68.
  • the sealing between each U-shaped tube is ensured by a partition made by stamping, in order to avoid an overflow of the tubes in the manifolds, which guarantees perfect sliding of the pistons 212.
  • the worms 214 are driven synchronously by an electric motor 220, for example of the stepping type, and by means of a transmission 222, for example a belt or a servo gear.
  • the electric motor 220 can be placed in a housing located outside the heat exchange module or else integrated into the module, for example embedded in the fluid circulating in the module.
  • the worms 214 cooperating with the pistons 212 constitute the mechanical means for distributing the heat exchange surface 50, while the motor 220 constitutes the power means which drive these mechanical means.
  • the pistons 212 thus move in synchronism over a stroke equal to the length of the threaded portion of the worms. The extent of the heat exchange surface can thus be distributed between the high temperature and low temperature cooling circuits.
  • a stop 224 ( Figure 19A) fixes the extreme position of the pistons 212, to ensure a minimum exchange surface for the high temperature circuit, for example for the cooling of the engine.
  • the sliding movement of the pistons 212 can be regulated in different ways, for example by generating a position signal, but preferably with a stepping motor.
  • Figures 19A to 19F show different positions of the pistons 212 from that of Figure 19A where the high temperature circuit has a minimum heat exchange surface to that of Figure 19F where the high temperature circuit has a heat exchange surface Max.
  • the module in Figure 17 allows the exchange surface to be adapted according to need, and this in a progressive and flexible manner.

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Abstract

Le module d'échange de chaleur, destiné à un vehicule automobile à moteur thermique equipé d'un circuit de refroidissement à haute température et d'un circuit de refroidissemf a basse température, comporte au moins un rang de tubes (102) d'échange de chaleur raccorde à au moins une boite collectrice d'entree (58, 64, 66) et à au moins une boite collectrice de sortie (60, 62, 68), ces tubes constituant une surface d'échange de chaleur. comporte des moyens (110, 42, 44) de répartition de surface qui permettent de scinder la surface d'échange de chaleur en une section d'échange de chaleur à haute température et section d'échange de chaleur à basse température. Le module comporte de préférence un( section fixe à haute température (52), une section fixe à basse température (54) et une section intermédiaire attribuable en tout ou en partie aux sections (52 et 54).

Description

Module d'échange de chaleur pour un véhicule automobile et système comportant ce module
L'invention se rapporte au domaine des échangeurs de chaleur, notamment pour véhicules automobiles, qu'il s'agisse d'échangeurs de chaleur constitués d'un rang de tubes unique ou de plusieurs rangs de tubes superposés traversés par un même flux d'air. Ces tubes peuvent être des tubes droits ou encore des tubes en U.
Plus précisément, l'invention concerne un module d'échange de chaleur pour un véhicule automobile à moteur thermique équipé d'un circuit de refroidissement à haute température, notamment pour le refroidissement du moteur, et d'un circuit de refroidissement à basse température pour le refroidissement d'équipements du véhicule, ce module comportant au moins un rang de tubes d'échange de chaleur raccordés à au moins une boîte collectrice d'entrée et à au moins une boîte collectrice de sortie, ces tubes formant une surface d'échange de chaleur.
Les véhicules automobiles modernes comprennent, en plus du moteur thermique lui-même, de nombreux équipements qui échangent de la chaleur avec un milieu extérieur, soit pour être refroidis, soit au contraire pour être réchauffés. A titre d'exemple, on peut citer le condenseur du circuit de climatisation de l'habitacle du véhicule, le refroidisseur d'air de suralimentation ou encore le radiateur de chauffage de l'habitacle. C'est pourquoi ces véhicules sont généralement équipés de deux circuits, à savoir un circuit à haute température qui est utilisé pour le refroidissement du moteur thermique et des équipements dont la température est la plus élevée, et un circuit de refroidissement à basse température qui est utilisé pour le refroidissement des équipements dont la température est la plus basse, comme le condenseur du circuit de climatisation de l'habitacle du véhicule automobile. Dans les véhicules connus, la surface d'échange du radiateur à haute température et la surface d'échange du radiateur à basse température sont fixes . Le radiateur à haute température est utilisé exclusivement pour le refroidissement des équipements du circuit à haute température, tandis que le radiateur à basse température est utilisé exclusivement pour le refroidissement et/ou le réchauffage des équipements du circuit à basse température. Or, dans certaines conditions de charge du moteur, en particulier à faible charge, il n'est pas nécessaire de refroidir énergiquement le moteur thermique. C'est pourquoi le liquide de refroidissement du moteur circule par une canalisation de dérivation qui contourne le radiateur à haute température de telle sorte que la capacité de refroidissement de ce dernier n'est pas utilisée. Il y a donc une perte de capacité de refroidissement.
L'invention a précisément pour but de procurer un module d'échange de chaleur qui surmonte ce problème en permettant d'utiliser au mieux la surface d'échange de chaleur disponible pour les besoins du circuit à haute température et du circuit à basse température.
Ce but est atteint, conformément à l'invention, par le fait que le module d'échange de chaleur comporte des moyens de répartition de surface qui permettent de scinder, avantageusement de manière modulable, la surface d'échange de chaleur en une section d'échange de chaleur à haute température utilisée pour le refroidissement du circuit à haute température et une section d'échange de chaleur à basse température utilisée pour le refroidissement du circuit à basse température .
Grâce à ces moyens de répartition, il est possible de faire varier la répartition de la surface d'échange globale du module en fonction des besoins des circuits de refroidissement à haute température et à basse température. On peut ainsi augmenter la surface d'échange de chaleur disponible pour le circuit à haute température en diminuant la surface de refroidissement disponible pour le circuit à basse température. Inversement, on peut diminuer la surface d'échange de chaleur attribuée au circuit à haute température, ce qui permet simultanément d'augmenter celle du circuit à basse température. En particulier, lorsque le moteur n'a pas besoin d'être refroidi énergiquement, une plus grande capacité de refroidissement peut être attribuée au circuit à basse température et on parvient ainsi à un meilleur niveau de performance pour le refroidissement des équipements du circuit à basse température.
On peut généraliser l'invention au cas où le véhicule automobile comporterait plus de deux circuits de refroidissement, par exemple trois, le module d'échange de chaleur de l'invention pourrait alors comporter trois sections d'échange de chaleur et la surface d'échange de chaleur globale du module pourrait être répartie entre ces trois sections d'échange en fonction des besoins.
Par ailleurs, les fluides qui circulent dans le circuit à haute température et dans le circuit à basse température peuvent être le même fluide à des températures différentes ou deux fluides de nature différente.
Dans une réalisation particulière avantageuse, le module d'échange de chaleur comporte une section d'échange de chaleur fixe intégrée en permanence au circuit de refroidissement à haute température, une section d'échange de chaleur fixe à basse température intégrée en permanence au circuit de refroidissement à basse température et une section d'échange de chaleur attribuable comportant une boîte collectrice d'entrée et une boîte collectrice de sortie et qui peut être attribuée en tout ou en partie soit à la section d'échange de chaleur fixe à haute température, soit à la section d'échange de chaleur fixe à basse température.
Si la section d'échange de chaleur attribuable est attribuée en totalité à l'une des sections d'échange de chaleur fixes à haute température ou à basse température, la section d'échange de chaleur à haute température, respectivement la section d'échange de chaleur à basse température, est constituée d'une partie fixe permanente, à savoir la section d'échange de chaleur fixe à haute température, respectivement à basse température, augmentée de la section d'échange de chaleur attribuable.
La section d'échange de chaleur attribuable peut également être répartie entre les circuits à haute température et à basse température. Dans ce cas, la section d'échange de chaleur à haute température est constituée de sa partie fixe augmentée de la fraction de la section d'échange de chaleur attribuable qui lui est attribuée. De la même manière, la section d'échange de chaleur à basse température est constituée de sa partie fixe augmentée de la fraction de la section d'échange de chaleur attribuable qui n'a pas été attribuée au circuit à haute température. - — -
Dans une réalisation particulière, le module d'échange de chaleur comporte un rang de tubes unique.
Dans une autre réalisation particulière, le module d'échange de chaleur comporte un premier rang de tubes et un second rang de tubes, le premier rang appartenant à la section d'échange fixe du circuit à haute température, respectivement du circuit à basse température, le second rang de tubes étant scindé en une section fixe à haute température, en une section fixe à basse température et en une section d'échange de chaleur intermédiaire attribuable, la section fixe à haute température, respectivement la section fixe à basse température, étant raccordées en série au premier rang de tubes. Dans une troisième réalisation particulière, le module d'échange de chaleur comporte trois rangs de tubes, le premier rang de tubes appartenant à la section d'échange fixe du circuit à haute température, le second rang de tubes appartenant à la section d'échange de chaleur intermédiaire attribuable, le troisième rang de tubes appartenant à la section d'échange fixe à basse température.
Ainsi, dans ce mode de réalisation, le second rang intermédiaire, qui sera de préférence placé entre le premier et' le troisième rang de tubes, est relié en série, généralement en totalité, soit au premier rang de tubes, soit au second rang de tubes .
Dans chaque cas, lesdits moyens de répartition permettent de contrôler, par exemple unitairement et/ou par groupe, le nombre de tubes affectés à l'une ou l'autre des sections à basse température ou à haute température. Afin de disposer d'un degré de modularité avantageux, il sera prévu au moins trois groupes de tubes attribuables distincts.
Dans un autre mode de réalisation, le module d'échange de chaleur comporte un rang de tubes en U dont chacun est relié d'une part à la boîte collectrice d'entrée attribuable et d'autre part à la boîte collectrice de sortie attribuable.
Dans une réalisation particulière, les moyens de répartition de surface sont constitués par des moyens de partition réglables de la boîte collectrice d'entrée de la section attribuable et par des moyens réglables de la boîte collectrice de- sortie de la section attribuable, ces moyens de partition permettant de scinder de manière modulable la boîte collectrice d'entrée attribuable en une chambre d'entrée attribuable au circuit à haute température et une chambre d'entrée attribuable au circuit à basse température, et la boîte collectrice de sortie attribuable en une chambre de sortie attribuable au circuit à haute température et une chambre de sortie attribuable au circuit à basse température, la répartition de la boîte collectrice d'entrée et de la boîte collectrice de sortie entre ces chambres étant réglable.
Lesdits moyens de partition permettront avantageusement de contrôler, tube par tube ou groupe de tubes par groupe de tubes, si le ou lesdits tubes sont attribués à la section à basse température ou à la section à haute température, ceci sur une partie au moins de la hauteur des boîtes collectrices.
En faisant varier simultanément et de manière synchronisée la répartition de la boîte collectrice d'entrée attribuable et de la boîte collectrice de sortie attribuable entre des chambres attribuées au circuit à haute température et des chambres attribuées au circuit à basse température, on fait varier la répartition de la surface d'échange de chaleur globale du module d'échange de chaleur entre la section d'échange de chaleur à haute température et la section d'échange de chaleur à basse température.
Dans une réalisation particulière, les moyens de partition réglables en continu sont constitués par un piston monté coulissant dans la boîte collectrice d'entrée attribuable et par un piston monté coulissant dans la boîte collectrice de sortie attribuable, ces pistons étant déplacés par des moyens d' actionnement .
Les moyens d' actionnement peuvent être constitués, par exemple, par des vis sans fin entraînées en rotation par des actionneurs extérieurs aux boîtes collectrices.
Dans un autre mode de réalisation, les moyens de partition de la boîte collectrice d'entrée attribuable et de la boîte collectrice de sortie attribuable sont réglables discrètement. Dans une réalisation particulière, les moyens de réglage discrets peuvent être constitués par une série de cloisons actionnées par des actionneurs répartis sur la longueur de la boîte collectrice d'entrée attribuable et sur la longueur de la boîte collectrice de sortie attribuable, chacune de ces cloisons étant apte à scinder la boîte collectrice d'entrée, respectivement la boîte collectrice de sortie, en deux chambres .
Avantageusement, les cloisons sont isolées du milieu du module d'échange de chaleur par des membranes d'étanchéité et elles sont actionnées par des actionneurs extérieurs aux boîtes collectrices .
Dans un troisième mode de réalisation, le module d'échange de chaleur comporte des moyens de commutation qui permettent de raccorder la section d'échange de chaleur attribuable en totalité, soit à la section d'échange de chaleur fixe à haute température, soit à la section d'échange de chaleur fixe à basse température.
Dans une réalisation particulière, les moyens de commutation sont constitués par des orifices de passage prévus entre les boîtes collectrices des sections fixes à haute température et à basse température et les boîtes collectrices de la section d'échange de chaleur intermédiaire attribuable et par des clapets qui permettent d'ouvrir ou de fermer sélectivement ces orifices de passage.
Avantageusement, les clapets sont reliés par une tige à un organe de commande. Ils sont de préférence situés dans les boîtes collectrices de la section intermédiaire attribuable disposée entre les sections à haute température et à basse température. Ainsi, un simple mouvement alternatif des clapets permet d'obturer alternativement soit la communication de la section intermédiaire avec la section à haute température, soit o la communication de la section intermédiaire avec la section à basse température. Bien entendu, on pourrait imaginer également que les clapets soient disposés dans les boîtes collectrices des sections à haute température et à basse température.
Avantageusement, le module d'échange de chaleur comporte des moyens logiques de commande, des moyens de répartition de la surface d'échange de chaleur qui reçoivent des informations sur des paramètres de contrôle tels que la température d'eau des circuits à haute température et à basse température, la charge moteur, le régime moteur, la puissance rejetée par le moteur sur l'eau, l'un au moins de ces paramètres régissant la répartition de la surface d'échange de chaleur.
Ces moyens logiques peuvent être commandés de manière électronique, pneumatique, électromagnétique et/ou thermostatique .
Lorsque le module d'échange de chaleur de l'invention comporte deux rangs de tubes ou plus, les tubes peuvent être équipés d'ailettes de refroidissement communes à tous les rangs du module. -
Ainsi, si le module comporte deux rangs de tubes, les ailettes de refroidissement, qu'il s'agisse d'ailettes planes ou d'intercalaires ondulés, peuvent être communes aux deux rangs de tubes .
Les boîtes collectrices du module d'échange de chaleur de l'invention peuvent être constituées d'une plaque_collectrice et d'un couvercle assemblé par brasage, ces éléments étant réalisés de préférence en aluminium.
En variante, les boîtes collectrices du module d'échange de chaleur peuvent être constituées d'une plaque collectrice et d'un couvercle, notamment en matière plastique, fixés mécaniquement sur la plaque collectrice.
Par ailleurs, l'invention concerne un système de gestion de l'énergie thermique développée par un moteur thermique de véhicule automobile, comprenant un circuit de refroidissement à haute température comportant un radiateur à haute température pour refroidir notamment le moteur du véhicule, et un circuit de refroidissement à basse température comprenant un radiateur à basse température pour refroidir des équipements du véhicule automobile.
Conformément à l'invention, le radiateur à haute température est constitué par la section d'échange de chaleur à haute température d'un module d'échange de chaleur conforme à la présente invention et le radiateur à basse température est constitué par la section d'échange de chaleur à basse température de ce même module .
Avantageusement, les moyens logiques de commande des moyens de répartition de la surface d'échange de chaleur sont couplés à une gestion par une vanne à quatre voies du refroidissement du moteur, ladite vanne comportant une voie d'entrée reliée à la sortie du moteur, et par trois voies de sortie reliées respectivement à 1 ' aérotherme, à la canalisation de dérivation du moteur et au module d'échange de chaleur selon l'invention.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées. Sur ces figures :
- la Figure 1 représente schématiquement un système de gestion de l'énergie thermique développée par un moteur thermique de véhicule automobile conforme à la présente invention ; - la Figure 2 est une vue schématique en perspective d'un module d'échange de chaleur conforme à la présente invention ; - la Figure 3 est une vue schématique en perspective d'un autre module d'échange de chaleur conforme à la présente invention, comportant deux rangs de tubes ;
- la Figure 4 est une représentation en coupe d'un exemple de réalisation d'un module d'échange de chaleur à un seul rang de tubes comportant des moyens de réglage en continu de la répartition de la surface d'échange de chaleur ;
- la Figure 5 est une représentation en coupe d'un module d'échange de chaleur conforme à l'invention, comportant des moyens de réglage en continu de la répartition de la surface d'échange de chaleur comportant deux rangs de tubes ;
- les Figures 6 et 7 sont des vues de détail qui montrent des moyens de partition discrets d'une boîte collectrice d'un module d'échange de chaleur conforme à la présente invention ; - les Figures 8a à 8e montrent les étapes successives d' actionnement de moyens de partition discrets tels que ceux des Figures 6 et 7 ;
- les Figures 9, 10 et 11 sont des vues de détail en perspective qui illustrent une première forme de réalisation de moyens de partition discrets ;
- les Figures 12 et 13 sont des vues en perspective qui illustrent une autre forme de réalisation des moyens de partition discrets ;
- les Figures 14 à 16 sont des vues en coupe qui montrent un mode de réalisation d'un module d'échange de chaleur conforme à l'invention comportant trois rangs de tubes et des moyens de commutation ;
- la Figure 17 est une vue en perspective d'un module d'échange de chaleur à tubes en U comportant des moyens de réglage en continu de la répartition de la surface d'échange de chaleur ;
- la Figure 18 représente le détail D de la Figure 17 ; et
- les Figures 19A à 19F montrent différentes positions des moyens de réglage de répartition de la surface d'échange du module d'échange de chaleur de la figure 17.
On a représenté sur la Figure 1 une vue d'ensemble d'un système de gestion de l'énergie thermique dégagée par un moteur thermique, notamment de véhicule automobile, conforme à la présente invention. Ce système comprend un circuit de refroidissement à haute température, désigné par la référence générale 2, et un circuit de refroidissement à basse température désigné par la référence générale 4.
Le circuit à haute température comprend une canalisation d'entrée de moteur 6 raccordée au moteur thermique 8 du véhicule et une canalisation de sortie de moteur 10 raccordée à une vanne à quatre voies 12. Une pompe 14 mécanique ou électrique fait circuler un fluide de refroidissement caloporteur à travers le bloc moteur, comme schématisé par les flèches 15. Le circuit de refroidissement à haute température comprend également une canalisation de chauffage 16 sur laquelle est monté un aérotherme 18. La pompe de circulation 14 permet également de faire circuler le fluide caloporteur dans 1' aérotherme 18, comme schématisé par la flèche 19.
A partir de la vanne à quatre voies 12, le fluide caloporteur peut encore emprunter une canalisation 20 de radiateur à haute température raccordée à un module d'échange de chaleur 22 conforme à la présente invention. Le module d'échange de chaleur 22 est traversé par le fluide caloporteur, comme schématisé par les. flèches 23. Enfin, une canalisation de dérivation ou canalisation de court-circuit 24 permet au fluide caloporteur de retourner vers le moteur 8 sans avoir traversé le module d'échange de chaleur 22, comme schématisé par la flèche 25. _ . . ..
La vanne à quatre voies 12 comporte une voie d'entrée désignée par la référence 12-1 et trois voies de sortie, respectivement une voie 12-2 raccordée à la canalisation de radiateur 16, une voie 12-3 raccordée à la canalisation de radiateur à haute température 20 et une voie 12-4 raccordée à la canalisation de court-circuit 24. Le circuit de refroidissement secondaire 4 comprend une canalisation de radiateur à basse température 28 sur laquelle est montée une pompe de circulation à basse température 30 électrique et un ou plusieurs échangeurs thermiques 32. Dans l'exemple représenté, on a figuré un seul échangeur thermique 32 destiné à refroidir ou éventuellement à réchauffer des équipements du véhicule. L' échangeur thermique 32 peut être, par exemple, un condenseur d'un circuit de climatisation ou un refroidisseur d'air de suralimentation. Il est refroidi par échange de chaleur avec le fluide caloporteur à basse température qui circule dans le circuit de refroidissement à basse température 4, comme schématisé par la flèche 34. Le fluide à basse température est refroidi dans le module d'échange de chaleur 22.
Dans les dispositifs actuellement connus, le circuit de refroidissement à haute température et le circuit de refroidissement à basse température comportent des échangeurs de refroidissement distincts qui ne communiquent pas entre eux. En conséquence, la surface de refroidissement attribuée respectivement au circuit de refroidissement à haute température et au circuit de refroidissement -à basse température sont fixes. Il arrive fréquemment que la capacité de refroidissement du circuit à haute température ne soit pas utilisée, par exemple en cas de faible charge ou de charge modérée du moteur thermique 8. Dans ce cas, le radiateur de refroidissement à haute température est contourné par la canalisation de court-circuit 24, de telle sorte que la capacité de refroidissement du véhicule n'est pas utilisée au mieux.
Au contraire, conformément à l'invention, le module d'échange de chaleur 22 comporte des moyens de répartition de la surface d'échange de chaleur globale du module 22. Ces moyens de répartition, désignés par la référence générale 40, comprennent des moyens mécaniques 42 commandés par des moyens de puissance 44 aptes à les entraîner. Les moyens de puissance peuvent être commandés par des moyens de commande logiques 46 qui reçoivent des informations à partir de capteurs disposés en des endroits appropriés du circuit de refroidissement à haute température et du circuit de refroidissement à basse température. Ces paramètres de contrôle peuvent être la température d'eau en sortie de moteur 8 dans la canalisation 10, le régime de rotation du moteur, la puissance thermique rejetée par le moteur dans le circuit de refroidissement à haute température. Les moyens logiques de commande peuvent être commandés par un ou plusieurs de ces paramètres combinés.
Avantageusement, les moyens logiques de commande 46 sont couplés à une gestion de la vanne à quatre voies 12, comme schématisé par le trait tireté 48.
Le module d'échange de chaleur 22, dont on- décrira ultérieurement plusieurs exemples de réalisation, comporte une surface d'échange de chaleur constituée de tubes d'échange de chaleur parallèles dans lesquels circule un fluide de refroidissement qui échange de la chaleur avec un milieu extérieur, par exemple l'air atmosphérique.
Les moyens de répartition de surface, et particulièrement les moyens mécaniques 42, permettent de scinder de manière modulable la surface d'échange de chaleur globale du module d'échange de chaleur 22 en une section d'échange de chaleur à haute température montée sur la canalisation de radiateur à haute température 20 et traversée par le fluide de refroidissement à haute température, comme schématisé par la flèche 23, et une section d'échange de chaleur à basse température (non référencée sur la Figure 1) utilisée pour le refroidissement du fluide à basse température, comme schématisé par la flèche 34.
La répartition de la capacité globale de refroidissement du module d'échange de chaleur 22 est pilotée en fonction des besoins de refroidissement des circuits à haute température 2 et à basse température 4. Ainsi, lorsque le moteur 8 fonctionne à faible charge ou à charge partielle, ces besoins en refroidissement sont peu importants et la plus grande partie du fluide de refroidissement à haute température circule par la canalisation de court-circuit 24. Dans ces conditions, la plus grande partie, voire la totalité, de la surface d'échange globale du module d'échange de chaleur 22 peut être récupérée pour le refroidissement des équipements à basse température schématisés par l' échangeur thermique 32. On améliore ainsi leurs performances , par exemple les performances thermiques du circuit de climatisation, en proposant un condenseur dont la capacité de refroidissement est plus élevée.
Conformément à l'invention, les moyens mécaniques de répartition de la surface d'échange de chaleur du module d'échange de chaleur 22 permettent de répartir cette surface de manière quelconque. En particulier, il n'est pas nécessaire que la section d'échange de chaleur à haute température et la section d'échange de chaleur à basse température soient constituées d'une seule zone de tubes contigus. Elles peuvent au contraire être réparties de manière quelconque dans le module d'échange de chaleur 22.
Toutefois, dans une réalisation particulière représentée schématiquement en perspective sur la Figure 2, la surface d'échange globale de chaleur du module d'échange de chaleur 22 se décompose en trois sections, a savoir une section d'échange de chaleur à haute température 52, une section d'échange de chaleur à basse température 54 et une section intermédiaire 56 disposée entre les sections 52 et 54. Les sections 52 et 54 sont fixes. En d'autres termes, elles sont toujours présentes et elles comportent un nombre déterminé, fixe, de tubes d'échange de chaleur du module d'échange de chaleur 22. La section intermédiaire 56 peut être attribuée soit au circuit de refroidissement à haute température, soit au circuit de refroidissement à basse température. Dans le premier cas, la surface d'échange de chaleur du circuit à haute température est constituée de la somme de la section d'échange 52 et de la section d'échange 56. Dans le second cas, la surface de refroidissement du circuit à basse température est constituée de la somme de la section d'échange de chaleur à basse température 54 et de la section intermédiaire 56.
La section d'échange de chaleur intermédiaire 56 peut également être répartie entre les sections 52 et 54. On peut, par exemple, attribuer les trois quarts de la section d'échange de chaleur intermédiaire 56 au circuit de refroidissement à basse température (section 54) et le quart restant au circuit de refroidissement à haute température (section 52). Bien entendu, cette proportion peut varier, soit de manière continue de 0 à 100%, soit par incrément, par exemple de 10% à chaque fois.
On a représenté sur la Figure 2 une vue en perspective d'un module d'échange de chaleur 22 conforme à la présente invention, constitué schématiquement d'un rang de tubes unique. Il comporte un faisceau de tubes parallèles, généralement plats, désignés par la référence générale 50. Ces tubes sont de préférence en contact avec des surfaces destinées à augmenter l'échange de chaleur avec le milieu extérieur, par exemple des ailettes planes disposées perpendiculairement aux tubes, ou des intercalaires ondulés disposés entre les tubes .
Les tubes du module d'échange de chaleur 22 sont raccordés, à chacune de leurs deux extrémités, a des boîtes collectrices,__à_ savoir respectivement une boîte collectrice d'entrée pour le fluide caloporteur et une boîte de sortie pour la sortie du fluide caloporteur.
Dans l'exemple représenté sur la Figure 2, les tubes de la section d'échange de chaleur à haute température 52 sont reliés à une boîte collectrice à haute température d'entrée 58 et à une boîte collectrice à haute température de sortie 60. Les tubes de la section d'échange de chaleur à basse température 54 sont raccordés respectivement à une boîte collectrice d'entrée à basse température 62 et à une boîte collectrice de sortie à basse température 64. Les tubes de la section intermédiaire attribuables 56 sont raccordés, à leur extrémité d'entrée, à une boîte collectrice d'entrée attribuable 66 et, à leur extrémité de sortie, à une boîte collectrice attribuable 68.
Les boîtes collectrices 66 et 68 sont dites "attribuables" parce que c'est, en effet, par l'intermédiaire des boîtes collectrices 66 et 68 que se fera la répartition de la surface d'échange de chaleur intermédiaire 56. Dans la pratique, pour ajouter la surface d'échange intermédiaire 56 à la surface d'échange de chaleur à haute température 52, on met en communication la boîte collectrice d'entrée à haute température 58 et la boîte collectrice d'entrée intermédiaire 66, et simultanément on met en communication la boîte collectrice de sortie à haute température 60 en communication avec la boîte collectrice intermédiaire de sortie 68.
On procède de la même manière en ce qui concerne 1e circuit de refroidissement à basse température 54. Et, lorsque l'on veut répartir la surface d'échange intermédiaire 56 entre les circuits à haute température et à basse température, on répartit, dans la même proportion, la boîte collectrice d'entrée attribuable 66 et la boîte collectrice de sortie attribuable 68 entre les circuits à haute température et à basse température. - --.- . ,- ....
Le fluide caloporteur à haute température pénètre dans la boîte collectrice d'entrée 58, comme schématisé par la flèche 59, et il ressort de la boîte collectrice de sortie 60, comme schématisé par la flèche 61, après avoir traversé la section d'échange de chaleur à haute température 52, comme schématisé par la flèche 55. De la même manière, le fluide caloporteur à basse température pénètre dans la boîte collectrice d'entrée à basse température 62, comme schématisé par la flèche 63, et il ressort de la boîte collectrice à basse température 64, comme schématisé par la flèche 65, après avoir traversé la section d'échange à basse température 54, comme schématisé par la flèche 57. La boîte collectrice d'entrée intermédiaire 66 et la boîte collectrice de sortie intermédiaire 68 ne comportent pas de tubulure d'entrée et de sortie propre. L'entrée du fluide caloporteur à haute température ou l'entrée du fluide caloporteur à basse température dans les boîtes collectrices 66 et 68 se fait indirectement, par l'intermédiaire des boîtes d'entrée et de sortie 58, 60, 62, 64 des circuits à haute température- et à basse température.
On a représenté sur la Figure 2 une réalisation de base d'un module d'échange de chaleur conforme à la présente invention comportant un rang de tubes unique. Toutefois, il va de soi que, dans la pratique, le module d'échange de chaleur peut être plus complexe et notamment comporter plusieurs rangées de tubes, par exemple deux. C'est un module de ce type qui a été représenté sur la Figure 3.
On a représenté sur la Figure 3 un module d'échange de chaleur conforme à l'invention 22, identique dans son principe au module d'échange de chaleur de la Figure 2, mais comportant deux rangs de tubes au lieu d'un seul. Il est constitué d'un premier rang de tubes 72 comportant des boîtes collectrices à chacune de leurs deux extrémités et d'un second rang de tubes 74 comportant des boîtes collectrices à chacune de leurs deux extrémités. En d'autres termes, le module d'échange de chaleur
22 est constitué de deux échangeurs de chaleur disposés côte à côte de telle sorte qu'ils sont traversés par un même flux d'air. Ces deux échangeurs peuvent être distincts et assemblés l'un à l'autre. Ou bien ils peuvent comporter des ailettes de refroidissement communes aux deux rangs de tubes. Dans ce mode de réalisation, le second rang de tubes 74 se décompose en trois parties, à savoir respectivement une partie 52 à haute température, une partie 54b à basse température et une partie intermédiaire attribuable 56. De la même manière, les boîtes collectrices d'entrée et de sortie sont scindées en trois parties, à savoir respectivement une boîte collectrice d'entrée 58 à haute température, une boîte collectrice de sortie à haute température 60, une boîte collectrice d'entrée à basse température 62, une boîte collectrice de sortie à basse température 64, une boîte collectrice d'entrée intermédiaire 66 et une boîte collectrice de sortie intermédiaire 68.
La constitution du second rang de tubes 74 est donc identique à la constitution du module d'échange de chaleur représenté sur la Figure 2. Toutefois, dans cette réalisation, le premier rang de tubes 72 s'ajoute à la section d'échange de chaleur à basse température 54b du second rang de tubes 74. Le fluide caloporteur à basse température pénètre dans la chambre d'entrée 62 limitée par la cloison de partition 78, comme schématisé par la flèche 63. Il se répartit dans cette chambre, comme schématisé par la flèche 80, et il parcourt la première passe des tubes 72 dans le sens de gauche à droite, selon la Figure 3, pour parvenir jusqu'à la boîte collectrice 82 du premier rang de tubes. Il se répartit dans cette boîte collectrice, comme schématisé par la flèche 84, et pénètre dans la passe inférieure pour circuler de droite à gauche, selon la Figure 3, et parvenir jusqu'à la chambre 86 limitée par la cloison 78. De la chambre 86, le fluide à basse température pénètre dans la boîte collectrice d'entrée 62 qui fait partie du second rang de tubes 74, comme schématisé par les flèches 88 et 90, par l'ouverture 92. L'air ambiant traverse le rang 72 puis le rang 74. Le fluide à basse température ressort du module selon la flèche 65.
Ainsi, dans cet exemple de réalisation, la section d'échange de chaleur fixe à basse température, attribuée en permanence au circuit à basse température, est constituée de deux parties distinctes, a savoir d'une part la totalité des tubes du premier rang 72 et une fraction des tubes du second rang 74. De la sorte, la section d'échange de chaleur à basse température est beaucoup plus importante que la section d'échange de chaleur à haute température. En outre, la partie intermédiaire attribuable 56 peut être intégrée, par les moyens de répartition de surface d'échange de chaleur conformes, à l'invention, à la section d'échange de chaleur à basse température dont la proportion par rapport à la surface d'échange à haute température se trouve ainsi augmentée. Inversement, il est possible d'attribuer la section d'échange intermédiaire 56 au circuit de refroidissement à haute température.
On a représenté sur la Figure 4 une vue en coupe d'un module d'échange de chaleur conforme à l'invention comportant des moyens de répartition de la chaleur dans lesquels la section d'échange de chaleur intermédiaire 56 peut être répartie de manière continue entre la section fixe à haute température 52 et la section fixe à basse température 54.
Le faisceau de tubes 50 est constitué de tubes plats 102 entre lesquels sont disposés des éléments intercalaires ondulés 104. Les tubes 102 sont raccordés à chacune de leurs extrémités à des plaques collectrices 106 fermées par un couvercle 108. Les tubes 102, les intercalaires 104, les plaques collectrices 106 et les couvercles 108 peuvent être assemblés par brasage en une seule opération. Ou bien les couvercles 108, réalisés par exemple en matière plastique, peuvent être fixés mécaniquement,., par exemple au moyen de pattes repliées, sur les plaques collectrices 106.
Une cloison transversale 110 formant un piston apte à se déplacer en translation dans les boîtes collectrices est déplacée par une vis sans fin 42 entraînée en rotation, par exemple par un moteur électrique 44 disposé dans un boîtier situé à l'extérieur du module d'échange de chaleur. Les moteurs électriques 44 sont alimentés par un cable 112 qui amène, en même temps que la puissance électrique nécessaire à l'entraînement des moteurs, des signaux de commande permettant de commander la marche, l'arrêt, la vitesse de rotation et le sens de rotation de ce dernier.
Ainsi, la vis sans fin 42 coopérant avec le piston 110 constituent les moyens mécaniques de répartition de la surface d'échange de chaleur 50, tandis que le moteur 44 constitue les moyens de puissance qui entraînent les moyens mécaniques 42. Chacun des pistons 110 peut se déplacer sur une course égale à la longueur de la partie filetée de la vis sans fin 42. C'est la longueur de la partie filetée 42 qui détermine l'étendue de la surface d'échange de chaleur intermédiaire attribuable 52 qui peut être répartie entre les circuits de refroidissement à haute température et à basse température.
Sur la Figure 4, chacun des pistons 1.1.0 a été représenté en butée contre un épaulement 114 de la tige 42. En d'autres termes, dans cette configuration des moyens de répartition de chaleur, la totalité de la surface d'échange de chaleur intermédiaire a été attribuée au circuit de refroidissement à haute température 2. A son autre extrémité, la tige filetée 42 comporte une butée 116. Lorsque les pistons 110, qui se déplacent simultanément et en synchronisme, viennent en butée contre la butée 116, la totalité de la surface d'échange intermédiaire 56 est attribuée au circuit de refroidissement à basse température 4. En outre, les pistons 110__peuvent occuper chacun des positions intermédiaires entre les extrêmes décrits précédemment, de telle sorte que la répartition de la surface d'échange intermédiaire peut varier de manière continue. Il convient toutefois de faire observer qu'en pratique cette surface varie par incrément parce que les pistons doivent être placés entre deux tubes successifs. On a représenté sur la Figure 5 une vue en coupe d'un module d'échange de chaleur conforme à l'invention comportant des moyens de répartition de réglage de la surface d'échange de chaleur globale 50 du module d'échange de chaleur réglable en continu identiques à ceux du mode de réalisation représenté sur la Figure 4. Toutefois, le module d'échange de chaleur de la Figure 5 comporte deux rangs de tubes au lieu d'un seul.
Le second rang de tubes, désigné par la référence générale 74, représenté en coupe sur la Figure 5, est constitué de tubes plats 102 entre lesquels sont disposés des intercalaires ondulés 104. Les tubes sont raccordés à des plaques collectrices 106 fermées par des couvercles 108. Le premier rang de tubes (non référencé et non représenté) est situé derrière le second rang de tubes et il n'est par conséquent pas visible sur la figure. Ce. premier rang de tubes peut avoir la même surface d'échange de chaleur que le rang 74, ou bien il peut être plus petit ou plus grand que lui. Dans l'exemple représenté, le premier rang de tubes fait partie de la section d'échange de chaleur fixe du circuit de refroidissement à basse température 4.
Le fluide caloporteur à basse température pénètre dans le premier rang de tubes, comme schématisé par la flèche 63. Il parcourt ces tubes de gauche à droite, selon la Figure 5, pour parvenir à une boîte collectrice (non représentée) située derrière le couvercle 108. Il ressort de cette boîte collectrice par un orifice de passage 92 de manière à pénétrer dans la boîte collectrice d'entrée à basse température 62 du second rang de tubes 74. Il parcourt ensuite les tubes 102 de droite à gauche, selon la Figure 5, pour pénétrer dans la boîte collectrice de sortie à basse température 64 située à la gauche de la Figure 5. On remarquera que, dans cette réalisation, la position des boîtes collectrices d'entrée et de sortie à basse température 62 et 64 est inversée par rapport à la position qu'elles occupent dans le mode de réalisation de la Figure 3. De la même manière, l'orifice de communication 92 se trouve à la droite de la Figure 5, alors qu'il se trouve à la gauche de la Figure 3. Ces différences s'expliquent par le fait que, dans le mode de réalisation de la Figure 5, le premier rang de tubes ne comporte qu'une seule passe. Ainsi, le fluide caloporteur à basse température circule une seule fois dans ces tubes alors que, dans le mode de réalisation de la Figure 3, il réalise un parcours en U. Toutefois, il va de soi que le premier rang de tubes pourrait également comporter deux passes ou plus de deux.
Dans le mode de réalisation de la Figure 5, les moyens mécaniques et les moyens de puissance 44 qui permettent le déplacement des cloisons 110 sont identiques à ceux qui ont été décrits en référence à la Figure 4. La position des cloisons formant piston 110 peut donc être réglée à toute position intermédiaire située entre les deux extrémités de la course définie par la tige filetée 42.
On a représenté sur les Figures 6 et 7 deux vues de détail en coupe qui montrent la réalisation de moyens de répartition de la surface d'échange de chaleur du module d'échange de chaleur de l'invention de façon discrète. Dans l'exemple représenté, ces moyens sont constitués par une cloison transversale 122 apte à scinder la boîte collectrice en deux parties. La cloison 122 est mue par un actionneur 124 qui peut être électrique, pneumatique, électropneumatique ou autre.
Dans l'exemple représenté, l' actionneur 124 est constitué par un piston 126 qui est mû, dans un cylindre 128, pneumatiquement ou hydrauliquement. L' actionneur 124 permet de faire passer la cloison de la position rétractée ou position d'ouverture représentée sur la Figure 6 à la position sortie ou position de fermeture représentée sur la Figure 7. Lorsque la cloison 122 est rétractée, le fluide de refroidissement peut circuler librement dans la boîte collectrice. Lorsque la cloison est en position de fermeture, la cloison obture la boîte collectrice. L' actionneur 124 peut actionner la cloison 122 en mouvement de "tout ou rien" ou de manière progressive. Une membrane d'étanchéité 130. qui enveloppe la cloison 122 permet d'établir une étanchéité entre le milieu intérieur à la boîte collectrice et l'extérieur du module d'échange de chaleur. L' actionneur 124 est disposé à l'extérieur de la boîte collectrice. Son montage est donc facile. De plus, comme l' actionneur est isolé du milieu interne agressif qui circule dans l' échangeur, il n'est pas corrodé et sa durée de vie est allongée. Les contraintes thermomécaniques sur l' actionneur sont réduites. Seule la membrane 130 est en contact direct avec le fluide caloporteur qui circule dans la boîte collectrice. La membrane s'adapte à la forme de la cloison 122. Elle peut s'allonger dans le cas où la course de la cloison 122 est faible.
Comme on peut le constater sur les Figures 6 et 7, elle peut se dérouler lorsque la course de la cloison 122 imposerait un allongement de matière trop important. Dans ce cas, il n'y a pas d'allongement de la matière de la membrane et donc l'effort de fermeture est plus faible.
Par ailleurs, les risques de fuite sont réduits car la membrane assure une bonne étanchéité. Cette étanchéité peut, en outre, être contrôlée aisément depuis l'extérieur du module d'échange de chaleur.
En outre, le fait que l' actionneur 124 est extérieur à la boîte collectrice réduit les pertes de charge, ce qui_est_un.avantage supplémentaire de ce mode de réalisation.
On a représenté sur les Figures 8a à 8e les étapes successives d'une variation de la répartition de la surface d'échange de chaleur entre le circuit à haute température et le circuit à basse température au moyen de cloisons de partition telles que les cloisons 122 représentées sur les Figures 6 et 7. Le module d'échange de chaleur représenté sur ces figures comporte schématiquement un seul rang de tubes, mais il va de soi qu'il pourrait en comporter davantage, par exemple deux ou trois, comme décrit précédemment.
Dans l'exemple représenté, le module d'échange de chaleur comporte quatre cloisons de partition réparties deux par deux. Les deux cloisons 122 situées a la partie supérieure de l' échangeur et les deux cloisons 122 situées à la partie inférieure de l'échangeur, respectivement, fonctionnent simultanément. Dans la position représentée sur la Figure 8a, les deux cloisons 122 supérieures sont fermées. Elles obturent la boîte collectrice (position représentée sur la Figure 7). Les deux cloisons inférieures sont ouvertes (voir Figure 6). Les cloisons de partition 122 assurent ainsi une division de la surface d'échange de chaleur globale du module d'échange de chaleur en trois parties.
A la partie supérieure, on trouve une section d'échange de chaleur à haute température 52 ; à la partie inférieure de l'échangeur, une section d'échange de chaleur à basse température 54 et entre ces deux sections une section d'échange de chaleur intermédiaire attribuable à l'un ou l'autre des circuits à haute température et à basse température 56. Le fluide à haute température pénètre dans la section 52 (flèche 59), traverse cette section de gauche à droite, comme schématisé par la flèche 55, puis ressort en 61. Le fluide à basse température pénètre dans la section 54, comme schématisé par la flèche 63, traverse cette section de gauche à droite, comme schématisé par la flèche 57, et ressort de la boîte collectrice à basse température 64, comme schématisé par la flèche 65.
Dans la position de la Figure 8a, la section d'échange de chaleur intermédiaire est attribuée au circuit à basse température 4. Comme représenté sur la Figure 8b, pour attribuer cette section intermédiaire au circuit à haute température, on ferme simultanément les deux cloisons 122 situées à la partie inférieure de l'échangeur.
Sur la Figure 8c, la fermeture est achevée, de telle sorte que la surface d'échange intermédiaire 56 est isolée à la fois du circuit à haute température et du circuit à basse température. Cette situation constitue un état intermédiaire dont la durée est généralement inférieure à une seconde. Cet état intermédiaire peut éventuellement être supprimé si l'on désire créer un mélange entre les deux circuits ou gérer et équilibrer les pressions entre les circuits. On ouvre ensuite les deux cloisons de partition supérieures, comme représenté sur la Figure 8d.
Sur la Figure- 8e, les deux cloisons supérieures sont entièrement ouvertes et le fluide à haute température occupe désormais la surface d'échange de chaleur 56 préalablement attribuée au circuit à basse température. On a ainsi réalisé un changement de la répartition de la surface d'échange de chaleur globale 50 du module d'échange de chaleur de l'invention. La surface d'échange attribuée au circuit à haute température a été augmentée et corrélativement,- la surface d'échange de chaleur attribuée au circuit à basse température a été diminuée.
Bien entendu, il est possible de revenir à la répartition inverse en fermant tout d'abord les deux cloisons supérieures, puis en ouvrant les deux cloisons inférieures.
Dans l'exemple représenté schématiquement sur les Figures 8a à 8e, le module d'échange de chaleur ne comporte que quatre cloisons de partition 122, c'est-à-dire seulement deux cloisons pour chaque boîte collectrice. De la sorte, la surface d'échange intermédiaire 56 peut seulement être attribuée en totalité au circuit à haute température ou au circuit à basse température. Toutefois, il va de soi que le module d'échange de chaleur de l'invention pourrait comporter plus de deux cloisons pour chaque boîte collectrice, par exemple trois, quatre, cinq ou davantage. Ceci permettrait de répartir en proportions variables la surface d'échange de chaleur intermédiaire entre les deux circuits. A titre d'exemple, on pourrait attribuer un tiers de la surface d'échange intermédiaire au circuit à haute température et deux tiers de cette surface au circuit à basse température. Il va de soi que plus le nombre de cloisons de partition est important, plus il est possible d'effectuer une répartition fine de la surface d'échange de chaleur.
On a représenté sur les Figures 9, 10 et 11 un exemple de réalisation d'une cloison de partition circulaire. Une bride de fixation 132 est fixée sur le couvercle 108 de la boîte collectrice. Une cloche 134 possédant une bride 136 complémentaire de la bride de fixation 132 vient se placer sur cette dernière. La membrane d' étanchéité 130 est pincée entre la bride de fixation 132 et la bride 136 de la cloche 134. La bride 132 et la bride 136 sont maintenues par des clips de fixation 136 ou par tout autre moyen analogue. La membrane 130 comporte un téton 142 qui vient s'engager dans un trou 14.3 d'un piston 144. Le piston comporte à sa partie supérieure une tige d' actionnement 146 qui est reliée à l' actionneur 124 placé sur la cloche 134.
On a représenté sur les Figures 12 et 13 une variante du mode de réalisation des Figures 9 à 11. Dans ce mode de réalisation, la cloison de partition est de forme allongée au -lieu d'être circulaire.
On a représenté sur les Figures 14 à 16 un autre mode de réalisation de l'invention. Il se distingue des modes de réalisation décrits précédemment par le fait qu'il ne comporte pas de moyen de partition d'une boîte collectrice permettant de répartir de manière continue ou par incrément le volume de cette boîte collectrice entre les circuits à haute température et à basse température, mais des moyens de commutation qui permettent de raccorder en "tout ou rien" un rang de tubes à l'un ou l'autre de ses deux circuits de refroidissement.
Sur la Figure 14, le module d'échange de chaleur désigné par la référence générale 122 est constitué de trois rangs de tubes, à savoir un premier rang de tubes 152, un deuxième rang de tubes 154 et un troisième rang de tubes 156 disposé entre le rang 152 et le rang 154. Les rangs de tubes 152, 154 et 156 sont traversés par un même flux d'air, comme schématisé par la flèche 158.
Dans l'exemple représenté, le premier rang de tubes est un rang de tubes à haute température et le deuxième rang de tubes un rang de tubes à basse température. Les tubes du premier rang comportent, à l'une de leurs extrémités, une boîte collectrice d'entrée à haute température 58, et à leur autre extrémité une boîte collectrice de sortie à haute température 60. Le fluide à haute température pénètre dans la boîte collectrice d'entrée 58 par une tubulure d'entrée, comme schématisé par la flèche 59, et il ressort de la boîte collectrice de sortie par une tubulure de sortie, comme schématisé par la flèche 61, après avoir traversé de gauche à droite, selon la Figure 14, les tubes du premier rang 152.
De la même manière, le fluide à basse température pénètre dans la boîte collectrice d'entrée 62 par une tubulure d'entrée, comme -schématisé par la flèche 63, et il ressort de la boîte collectrice de sortie 64, comme schématisé 'par la flèche 65, après avoir parcouru de gauche à droite, selon la Figure 14, les tubes du second rang de tubes 154.
Un orifice de passage 162 permet un passage du fluide entre la boîte collectrice 62 et la boîte 66 ; un orifice de passage 164 permet une communication du fluide entre la boîte collectrice de sortie 64 et la boîte 68 ; un orifice de passage 166 permet un passage du fluide entre la boîte collectrice d'entrée intermédiaire 66 et la boîte collectrice d'entrée 58 ; enfin, un orifice de passage 168 permet une communication entre la boîte collectrice de sortie intermédiaire 68 et la boîte collectrice de sortie 60. Des moyens de commutation permettent d'ouvrir ou de fermer sélectivement les orifices de passage 162, 164, 166, 168. Dans l'exemple représenté, les moyens qui permettent l'obturation et l'ouverture des orifices de passage 162 et 166, situés en regard l'un de l'autre, sont constitués par un clapet 172 disposé dans la chambre intermédiaire 66, entre les orifices 162 et 166. Le clapet 172 est monté sur une tige 174 mue par un actionneur 176 situé à l'extérieur de la boîte collectrice 58.
De la même manière, les moyens de commutation qui permettent d'obturer et d'ouvrir l'orifice de communication 164 et l'orifice de communication 168 sont constitués par un clapet 180 situé dans la chambre intermédiaire 68. Le clapet 180 est monté sur une tige 182 mue par un actionneur 184 situé également à l'extérieur de la boîte collectrice de sortie 60.
Bien entendu, cette réalisation n'est pas limitative et l'on pourrait envisager d'autres moyens de commutation, par exemple des clapets situés dans les boîtes collectrices 62 et 58 et dans les boîtes collectrices 60 et 64, respectivement.
Sur la Figure 14, le clapet 172 obture l'orifice de passage 162, tandis que le clapet 180 obture l'orifice. de passage 1-64. De la sorte, les tubes du rang intermédiaire 156 sont isolés du circuit à basse température. Les tubes du rang intermédiaire sont donc rattachés à l'étage à haute température par une communication du fluide grâce aux passages 166 et 168. Après son entrée dans la boîte collectrice d'entrée 58, le fluide se répartit entre les deux rangs de tubes 152 et 156, puis ressort par la tubulure unique prévue sur la boîte collectrice de sortie 60, comme schématisé par la flèche 61.
Au contraire, sur la Figure 15, qui représente une vue de détail de l'extrémité droite du module d'échange de chaleur 122 représenté sur la Figure 14, le clapet 180 obture l'orifice de passage 168. Il faut imaginer que, de la même manière, le clapet 172 (non représenté) obture l'orifice de passage 166 situé entre les boîtes collectrices 58 et 66. Dans ces conditions, les tubes du premier rang 152 sont isolés et les tubes du rang intermédiaire 156 sont rattachés au circuit à basse température. La circulation du fluide s'effectue comme décrit précédemment en changeant ce qui doit être changé.
Les moyens de commutation qui viennent d'être décrits permettent donc de répartir la surface d'échange de chaleur globale du module d'échange de chaleur 122, cette surface d'échange de chaleur globale étant constituée par la somme des surfaces d'échange de chaleur de chacun des trois rangs 152, 154 et 156. Les tubes des rangs 152 et 154 appartiennent toujours, respectivement, au circuit à haute température et au circuit à basse température, tandis que les tubes du rang intermédiaire peuvent être attribués à l'un ou l'autre de ces deux circuits. Toutefois, à la différence des modes de réalisation précédents, les tubes du rang 156 sont attribués en "tout ou rien". Leur surface d'échange de chaleur ne peut pas être répartie entre le circuit à haute température et le circuit à basse température.
On a représenté sur la Figure 17 une vue en perspective d'un^ module d'échange de chaleur conforme à l'invention comportant un rang de tubes en U 190, encore appelés tubes en épingle, formés chacun de deux branches 192 et 194 reliées par un coude 196. Entre deux tubes en U successifs est placé à chaque fois un intercalaire ondulé 198. Les branches 192 des tubes communiquent avec une boîte collectrice d'entrée attribuable 66, tandis que les branches 194 communiquent avec une boîte collectrice de sortie attribuable 68. Les boîtes collectrices 66 et 68 sont formées respectivement de deux tubes 200 et 202 disposés parallèlement entre eux et de préférence dans une position sensiblement horizontale.
La boîte collectrice d'entrée 66 est munie d'une tubulure d'entrée 204 propre à être raccordée à un circuit à haute température et d'une autre tubulure d'entrée 206 propre à être raccordée à un circuit à basse température. En outre la boîte collectrice de sortie 68 est munie d'une tubulure de sortie 208 propre à être raccordée audit circuit à haute température et d'une autre tubulure de sortie 210 propre à être raccordée audit circuit à basse température.
Dans chacune des boîte collectrices 66 et 68 est monté coulissant un piston 212 apte à se déplacer en translation par une vis sans fin 214 entraînée en rotation. La surface interne des tubes 200 et 202 est traitée avec un matériau, par exemple du type polytétrafluoréthylène (PTFE), facilitant le coulissement des pistons 212 formant répartiteurs. Ces pistons reçoivent chacun un joint périphérique 216, avantageusement en PTFE, pour assurer l'étanchéité entre la partie à haute température et la partie à basse température.
Une boîte d'interface 218 (Figure 18) assure la jonction des tubes en U 190 avec la boîte collectrice 66 et la boîte collectrice 68. L' étanchéité entre chaque tube en U est assurée par un cloisonnement réalisé par emboutissage, afin d'éviter un débordement des tubes dans les boîtes collectrices, ce qui garantit un parfait coulissement des pistons 212.
Les vis sans fin 214 sont entraînées en synchronisme par un moteur électrique 220, par exemple du type pas à pas, et par l'intermédiaire d'une transmission 222, par exemple une courroie ou un engrenage asservi. Le moteur électrique 220 peut être disposé dans un boîtier situé à l'extérieur du module d'échange de chaleur ou bien intégré dans le module, par exemple noyé dans le fluide circulant dans le module.
Ainsi, les vis sans fin 214 coopérant avec les pistons 212 constituent les moyens mécaniques de répartition de la surface d'échange de chaleur 50, tandis que le moteur 220 constitue les moyens de puissance qui entraînent ces moyens mécaniques. Les pistons 212 se déplacent ainsi en synchronisme sur une course égale à la longueur de la partie filetée des vis sans fin. L'étendue de la surface d'échange de chaleur peut ainsi être répartie entre les circuits de refroidissement à haute température et à basse température.
Une butée 224 (Figure 19A) fixe la position extrême des pistons 212, pour assurer uns surface d'échange minimale pour le circuit à haute température, par exemple pour le refroidissement du moteur.
La régulation du mouvement de coulissement des pistons 212 peut être réalisée de différentes manières, par exemple en générant un signal de position, mais de préférence avec un moteur pas à pas.
Les Figures 19A à 19F montrent différentes positions des pistons 212 depuis celle de la Figure 19A où le circuit à haute température a une surface d'échange minimale jusqu'à celle de la Figure 19F où le circuit à haute température a une surface d'échange maximale.
Le module de la Figure 17 permet d'adapter la surface d'échange en fonction du besoin, et ceci de manière progressive et en souplesse.

Claims

Revendications
1. Module d'échange de chaleur pour un véhicule automobile à moteur thermique équipé d'un circuit de refroidissement à haute température (2), notamment pour le refroidissement du moteur (8), et d'un circuit de refroidissement à basse température (4) d'équipement (32) du véhicule, le module (22, 122) comportant au moins un rang de tubes d'échange de chaleur (50, 152, 154, 156) raccordés à au moins une boîte collectrice d'entrée (58, 62) et à au moins une boîte collectrice de sortie (60, 64), ces tubes formant une surface d'échange de chaleur (50), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de répartition de surface (40, 42, 44, 46) qui permettent de scinder, avantageusement de manière modulable, la surface d'échange de chaleur (50) en une section d'échange de chaleur à haute température utilisée pour le refroidissement du circuit à haute température et une section d'échange de chaleur à basse température utilisée pour le refroidissement du circuit à basse température.
2. Module d'échange de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une section d'échange de chaleur fixe à haute température (52) intégrée en permanence au circuit de refroidissement à haute température (2) ; une section d'échange de chaleur fixe à basse température (54) intégrée en permanence au circuit de refroidissement à basse température (4) et une section de chaleur attribuable (56) comportant une boîte collectrice d'entrée attribuable (66) et une boîte collectrice de sortie attribuable (68) et qui peut être attribuée en tout ou en partie, soit à la section d'échange de chaleur fixe à haute température (52), soit à la section d'échange de chaleur fixe à basse température (54).
3. Module d'échange de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un rang de tubes unique.
4. Module d'échange de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un premier et un second rang de tubes (72, 74), le premier de ces rangs (72) appartenant soit à la section d'échange de chaleur fixe (52) du circuit à haute température, soit à la section d'échange de chaleur fixe (54b) du circuit de refroidissement à basse température, le second rang de tubes (72) étant scindé en une section fixe à haute température (52), en une section fixe à basse température (54b) et une section de chaleur intermédiaire attribuable (56), la section à haute température, respectivement la section à basse température, étant raccordées en série au premier rang de tubes (72).
5. Module d'échange de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte trois rangs de tubes, le premier rang (152) appartenant à la section d'échange de chaleur fixe du circuit à haute température (2), le second rang (154) appartenant à la section d'échange fixe du circuit à basse température (4), le troisième rang (156) appartenant à la section d'échange de chaleur intermédiaire attribuable.
6. Module d'échange de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un rang de tubes en U ( ) dont chacun communique d'une part avec la boîte collectrice d'entrée attribuable (66) et d'autre part avec la boîte collectrice de sortie attribuable (68).
7. Module d'échange de chaleur selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les moyens de répartition de surface (42) sont constitués, par des -moyens de partition réglables (110 ; 212) de la boîte collectrice d'entrée attribuable (66) et par des moyens de partition réglables (110; 212) de la boîte collectrice de sortie attribuable (68), ces moyens de partition permettant de scinder de manière modulable la boîte collectrice d'entrée attribuable (66) en une chambre d'entrée attribuable à haute température et une chambre d'entrée attribuable à basse température, et la boîte collectrice de sortie attribuable en une chambre de sortie attribuable à haute température et une chambre de sortie attribuable à basse température, la répartition de la boîte collectrice d'entrée attribuable (66) et de la boîte collectrice de sortie attribuable (68) entre ces chambres étant réglable.
8. Module d'échange de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de partition de la boîte collectrice d'entrée attribuable (66) et de la boîte collectrice de sortie attribuable (68) sont réglables en continu.
9. Module d'échange de chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens de partition réglables en continu sont constitués par un piston (110 ; 212) monté coulissant dans la boîte collectrice d'entrée attribuable (66) et par un piston coulissant (110 ; 212) monté dans la boîte collectrice de sortie attribuable (68), ces pistons étant déplacés par des moyens d' actionnement (44 ; 220).
10. Module d'échange de chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens d' actionnement sont constitués par des vis sans fin (42 ; 214) entraînées en rotation par des actionneurs (44) extérieurs aux boîtes collectrices (62, 64).
11. Module d'échange de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de partition de la boîte collectrice d'entrée attribuable (66) et de la boîte collectrice de sortie attribuable sont réglables discrètement.
12. Module d'échange de chaleur selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de partition réglables discrètement sont constitués par une série de cloisons (122) actionnées par des actionneurs (124) répartis sur la longueur de la boîte collectrice d'entrée attribuable (66) et sur la longueur de la boîte collectrice de sortie attribuable (68), chacune de ces cloisons (122) étant apte à scinder la boîte collectrice d'entrée attribuable (66), respectivement à la boîte collectrice de sortie attribuable (68), en deux chambres.
13. Module d'échange de chaleur selon la revendication 12, caractérisé en ce que les cloisons (122) sont isolées du milieu fluide du module d'échange de chaleur (22, 122) par des membranes d'étanchéité (130) et en ce qu'elles sont actionnées par des actionneurs (124) extérieurs aux deux boîtes collectrices (66, 68).
14. Module d'échange de chaleur selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commutation (172, 180) qui permettent de raccorder la surface d'échange de chaleur attribuable (156) en totalité, soit à la section d'échange de chaleur fixe à haute température (152), soit à la section d'échange de chaleur fixe à basse température (154).
15. Module d'échange de chaleur selon la revendication 14, caractérisé en ce que les moyens de commutation sont constitués par des orifices de passage (162, 164, 166, 168) prévus entre les boîtes collectrices des sections fixes à haute température et à basse température et les boîtes collectrices de la section d'échange de chaleur intermédiaire attribuable, et par des clapets (172, 180) qui permettent d'ouvrir ou de fermer sélectivement ces orifices de passage.
16. Module d'échange de chaleur selon la revendication 15, caractérisé en ce que les clapets (172, 180) sont reliés par une tige (174, 182) à un organe de commande (176, 184) extérieur aux boîtes collectrices (58, 60).
17. Module d'échange de chaleur selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens logiques (46) de commande des moyens de répartition de la surface d'échange de chaleur (42) qui reçoivent des informations sur des paramètres de contrôle tels que la température d'eau des circuits à haute température (2) et à basse température (4), la charge moteur, le régime moteur, la puissance rejetée par le moteur (8) sur l'eau, l'un au moins de ces paramètres régissant la répartition de surface d'échange de chaleur.
18. Module d'échange de chaleur selon l'une des revendications 4 à 17, caractérisé en ce qu'il comporte des ailettes de refroidissement (104) communes à tous les rangs du module.
19. Module d'échange de chaleur selon l'une des revendications 4 à 18, caractérisé en ce que les boîtes collectrices sont constituées d'une plaque collectrice et d'un couvercle assemblé par brasage.
20. Module d'échange de chaleur selon l'une des revendications 4 à 18, caractérisé en ce que les boîtes collectrices sont constituées par une plaque collectrice et un couvercle, notamment en matière plastique, fixés mécaniquement sur la boîte collectrice.
21. Système de gestion de l'énergie thermique développée par un moteur thermique de véhicule automobile, comprenant un circuit de refroidissement à haute température (2) comportant un radiateur à haute température pour refroidir le moteur ( 8 ) du véhicule et un circuit de refroidissement à basse température comprenant un radiateur à basse température pour refroidir des équipements (32) du véhicule, caractérisé en ce que le radiateur à haute température est constitué par la section d'échange de chaleur à haute température d'un module d'échange de chaleur (22) conforme à l'une des revendications 1 à 20, et en ce que le radiateur à basse température est constitué par la section d'échange de chaleur à basse température de ce même module.
22. Système de gestion de l'énergie thermique selon la revendication 21, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens logiques (46) de commande des moyens de répartition (42) de la surface d'échange de chaleur couplés à une gestion par une vanne à quatre voies (12) du refroidissement du moteur (8), la vanne (72) comportant une voie d'entrée (12-1) en sortie de moteur (8), et trois voies de sortie, une première voie (12-2) reliée à l' aérotherme (18), une deuxième voie (12-3) reliée au module d'échange de chaleur (22), et une quatrième voie (12-4) reliée à la canalisation de court-circuit (24).
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