Echangeur de chaleur à plaques
L'invention se rapporte aux échangeurs de chaleur notamment pour les véhicules automobiles, par exemple les refroidisseurs d'air de suralimentation (RAS).
Elle concerne plus particulièrement un echangeur de chaleur comprenant un faisceau d'échange de chaleur constitué par une multiplicité de plaques empilées assemblées entre deux plaques d'extrémité pour délimiter de premiers canaux d'écoulement pour un premier fluide qui alternent avec de seconds canaux d'écoulement pour un deuxième fluide, au moins certaines desdites plaques comportant de premiers passages de communication pour permettre le passage du premier fluide d'un premier canal d'écoulement à l'autre, des chambres collectrices étant prévues alternativement en regard des premiers passages de communication pour interdire le mélange des premier et deuxième fluides, chaque chambre collectrice débouchant dans un premier canal d' écoulement par un second passage de communication.
Dans les échangeurs de ce type, les plaques ont le plus souvent la forme générale d'un rectangle allongé ayant deux petits côtés de largeur donnée, chaque plaque comportant deux premiers passages de communication, par exemple, circulaires ménagés respectivement dans le fond de deux cuvettes situées le long d'un même petit côté de la plaque, ces cuvettes formant chambres collectrices sont en appui sur les cuvettes d'une plaque successive pour former respectivement un collecteur d'entrée et un collecteur de sortie pour le premier fluide.
Pour permettre l'introduction du premier fluide dans le collecteur d'entrée et son évacuation par le collecteur de sortie, il est connu d'utiliser des tubulures d'entrée et de sortie de fluide de forme cylindrique et raccordées à l' echangeur de chaleur. Ces tubulures sont disposées dans le prolongement des collecteurs d'entrée et de sortie, c'est- à-dire qu'elles sont alignées avec les premiers passages de communication. En conséquence, la position des tubulures de raccordement est déterminée par la position des premiers passages de communication qui sont généralement situés aux deux extrémités d'un même petit côté. Une telle conception d' echangeur ne permet pas de positionner librement les tubulures de raccordement, en particulier, indépendamment de la position et/ou de l'entraxe des premiers passages de communication. Cette conception est d'autant plus contraignante dans le cas où on souhaite faire circuler le premier fluide dans un deuxième echangeur monté en parallèle sur le premier echangeur.
FEUILLE DE REMPLACEMENT (Règle 26)
L'invention à précisément pour but de réaliser un echangeur de chaleur qui remédie aux inconvénients précités. L' echangeur de chaleur selon l'invention prévoit, à cet effet, qu'au moins l'une des chambres collectrices, dite chambre d'extrémité, est de forme généralement oblongue et/ou allongée, ladite chambre d'extrémité étant formée entre l'une au moins des plaques d'extrémité et une plaque adjacente, telle que la largeur "L" de ladite chambre d'extrémité est supérieure à la largeur "1" du second passage de communication de ladite chambre d'extrémité et où "L" et "1" représentent respectivement la plus grande dimension de la chambre d'extrémité et du second passage de communication.
Grâce à cette caractéristique, le raccordement d'une tubulure à un echangeur de chaleur peut se faire n'importe où le long de la chambre collectrice d'extrémité. En conséquence, l'invention permet une plus grande liberté dans le positionnement des tubulures de l'art antérieur. Par ailleurs, les fuites du deuxième fluide qui mettent en communication directe le collecteur d'entrée et le collecteur de sortie dans les échangeurs de l'art antérieur peuvent être supprimées comme il sera expliqué plus loin.
Dans un mode de réalisation particulier, l'échangeur de chaleur comprend au moins deux chambres collectrices d'extrémité dont l'une au moins est de forme généralement oblongue et/ou allongée, lesdites chambres étant formées entre l'une au moins des plaques d'extrémité et une plaque adjacente.
Dans un autre mode de réalisation, les deux chambres collectrices d'extrémité sont de forme généralement oblongue et/ou allongée. Avantageusement, ces deux chambres d'extrémité sont sensiblement identiques et/ou symétriques suivant l'axe médian perpendiculaire aux petits côtés desdites plaques, ce qui permet l'utilisation de plaques identiques dans tout l'échangeur, sauf peut être les plaques d'extrémité.
Avantageusement encore, "Li" est égale à "L2" et/ou 'V est égale à "12" ; où "Li" et "L2" représentent respectivement la plus grande dimension des première et deuxième chambres collectrices d'extrémité, et où "li" et "12" représentent respectivement la plus grande dimension des seconds passage de communication desdites première et deuxième chambres collectrices d'extrémité.
De préférence, les deux plaques d'extrémité sont reliées entre-elles par au moins deux joues latérales.
FEUILLE DE REMPLACEMENT (Règle 26)
Avantageusement, les joues latérales sont constituées par des prolongements de l'une au moins des plaques d'extrémité.
Avantageusement encore, les joues latérales recouvrent deux côtés opposés de l'échangeur de chaleur pour former, avec les plaques d'extrémité, au moins une partie d'un boîtier recevant le faisceau d'échange dudit echangeur.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la ou les chambres collectrices d'extrémité sont constituées au moins en partie par des cuvettes formées dans l'une au moins des plaques d'extrémité et/ou dans l'une au moins des plaques adjacentes aux plaques d'extrémité. La caractéristique particulière selon laquelle la ou les chambres collectrices d'extrémité sont constituées au moins en partie par des cuvettes formées dans l'une au moins des plaques d'extrémité permet d'assurer encore plus de liberté quant au positionnement des tubulures dans la mesure où la ou les chambres d'extrémité peuvent être formées ailleurs que le long d'un même petit côté des plaques.
Avantageusement, les cuvettes sont réalisées par emboutissage.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la ou les chambres collectrices d'extrémité comportent au moins un troisième passage de communication pour permettre l'entrée et/ou la sortie du premier fluide dans l'échangeur de chaleur. Le ou les troisièmes passages de communication sont raccordés à au moins une tubulure.
Dans une réalisation particulièrement avantageuse, l'échangeur de chaleur comporte deux, trois, quatre ou davantage de passes sur le premier fluide, ce qui permet de réaliser un echangeur à passes multiples de sorte que le rendement thermique de l'échangeur de chaleur est amélioré.
Dans une réalisation particulière, les seconds canaux d'écoulement sont ouverts pour permettre l'écoulement du second fluide depuis une première boîte collectrice vers une seconde boîte collectrice, les boîtes collectrices étant situées de part et d'autre dudit echangeur.
Avantageusement, les première et seconde boîtes collectrices sont assemblées sur deux côtés opposés de l'échangeur, adjacents aux joues latérales et aux plaques d'extrémité, pour former une partie complémentaire du boîtier recevant le faisceau d'échange de chaleur dudit echangeur.
FEUILLE DE REMPLACEMENT (Règle 26)
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, des intercalaires sont prévus entre les plaques délimitant les seconds canaux d'écoulement, ce qui permet d'augmenter l'échange thermique entre le premier et le deuxième fluide. Avantageusement ces intercalaires se présentent sous la forme d'ailettes ondulées comportant une paroi inclinée s'étendant obliquement par rapport aux parois de fond des plaques de l'échangeur.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la ou les chambres collectrices d'extrémité occupent l'essentiel de la largeur des plaques dans une zone de passage délimitée par les joues latérales et la paroi inclinée terminale de chacun des intercalaires ondulés.
De préférence, l'échangeur est brasé. Avantageusement, les première et seconde boîtes collectrices sont assemblées à l'échangeur par tous moyens connus, comme par exemple, brasage, sertissage, collage.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le premier fluide est un fluide de refroidissement tel que de l'eau circulant dans un circuit de refroidissement d'un véhicule automobile, par exemple, l'eau du circuit de refroidissement du moteur.
Enfin, selon encore une autre caractéristique de l'invention, le second fluide est un fluide à refroidir tels que des gaz d'échappement d'un véhicule automobile. Alternativement, le second fluide peut être de l'air de suralimention du moteur d'un véhicule automobile.
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 est une vue en perspective d'un echangeur de chaleur conforme à l'art antérieur ;
La figure 2 est une vue en coupe partielle à échelle agrandie de l'échangeur de chaleur de l'art antérieur de la figure 1 ;
La figure 3 est une vue en perspective, partiellement éclatée, d'un echangeur de chaleur conforme à un premier mode de réalisation de l'invention ;
FEUILLE DE REMPLACEMENT (Règle 26)
La figure 4 est une vue de détail montrant une des plaques utilisées pour réaliser l'échangeur de chaleur représenté sur la figure 3 ;
La figure 5 est une vue schématique et partielle d'un deuxième mode de réalisation d'un echangeur de chaleur conforme à la présente invention ;
La figure 6 est une vue de détail montrant une des plaques utilisées pour réaliser l'échangeur de chaleur représenté sur la figure 5 ;
On a représenté sur les figures 1 et 2 respectivement une vue en perspective et une vue en coupe partielle d'un echangeur de chaleur à plaques, dans l'exemple un refroidisseur d'air de suralimentation d'un véhicule automobile, conforme à l'art antérieur. Il est constitué d'un faisceau d'échange de chaleur contenu à l'intérieur d'un boîtier désigné par la référence générale 19. Le faisceau est constitué par la superposition d'une pluralité de plaques embouties 1 de forme générale rectangulaire. Chaque plaque 1 comporte une paroi de fond, sensiblement plane, entourée par un rebord périphérique terminé par un méplat 22. Le fond et le rebord déterminent une demie-lame peu profonde destinée à la circulation d'un fluide de refroidissement.
Comme on peut le voir plus particulièrement sur la figure 2, les plaques 1 sont groupées par paires et assemblées par leurs méplats 22. De la sorte, les demie-lames de la plaque supérieure la et de la plaque inférieure adjacente lb d'une paire de plaques s'ajoutent pour constituer un canal d'écoulement 2 pour la circulation du fluide de refroidissement. Par ailleurs, deux cuvettes sensiblement identiques 6 et 7 (une seule cuvette est représentée sur les figures 1 et 2) sont formées dans la largeur du rectangle formé par chacune des plaques, le long d'un petit côté. Le fond des cuvettes 6 et 7 comporte respectivement des passages de communication 3 et 4 (un seul passage est représenté sur les figures 1 et 2) pour permettre la circulation du fluide de refroidissement. Les cuvettes d'une paire de plaques la, lb sont en appui sur les cuvettes des paires de plaques successives. On réalise ainsi un collecteur d'entrée 27 et un collecteur de sortie (non référencé) pour le fluide de refroidissement. Le fluide de refroidissement pénètre dans le faisceau comme schématisé par la flèche 28, puis circule, de gauche à droite selon la figure 2, dans les canaux de circulation 2 comme schématisé par les flèches 29. La sortie du fluide de l'échangeur s'effectue en sens inverse.
Les cuvettes de deux paires de plaques déterminent entre-elles des canaux d'écoulement 5 pour la circulation du fluide à refroidir, généralement un gaz. Comme on peut le voir sur la figure 1, les canaux d'écoulement 5 du gaz à refroidir, l'air de suralimentation dans
FEUILLE DE REMPLACEMENT (Règle 26)
l'exemple, sont perpendiculaires aux canaux d'écoulement 2 du liquide de refroidissement, généralement l'eau du circuit de refroidissement du moteur du véhicule. La circulation de ces deux fluides s'effectue ainsi à courants croisés. Afin d'améliorer l'échange de chaleur, des intercalaires 25 sont disposés dans chacun des canaux d'écoulement 5. Ils se présentent sous la forme d'ailettes ondulées comportant une paroi inclinée 34 s'étendant obliquement par rapport aux parois de fond des plaques 1 de l'échangeur. Ces intercalaires forment des surfaces d'échange secondaire et/ou des éléments perturbateurs de flux.
Le boîtier 19 est constitué d'un demi-carter supérieur 16 et d'un demi-carter inférieur 15 emboîtés l'un dans l'autre de manière à loger le faisceau d'échange de chaleur. Dans l'exemple de réalisation, chaque demi-carter 15 et 16 présente une forme générale en U dont l'âme est constitué par une plaque dite d'extrémité superposée aux plaques de l'échangeur et dont les ailes sont constituées par deux joues latérales respectivement 17, 18 et 17', 18'. Deux ouvertures 11 et 12 (une seule ouverture est représentée sur la figure 1) sont prévues dans le demi-carter supérieur 16 du boîtier pour l'entrée et la sortie du fluide de refroidissement par les cuvettes de la paire de plaque formée par l'âme du demi-carter supérieur 16 et la plaque inférieure adjacente le. Le demi-carter supérieur 16 et le demi-carter inférieur 15 ont une forme générale rectangulaire. Leur largeur est légèrement supérieure à la largeur des plaques 1 de manière à ménager, le long de chacun des grands côtés des plaques, respectivement un collecteur d'entrée et un collecteur de sortie pour le fluide à refroidir.
Une boîte collectrice d'entrée et une boîte collectrice de sortie (non représentées) sont adaptées à la périphérie du boîtier 19 pour l'amenée et l'évacuation de l'air de suralimentation. Comme on peut le constater, les ouvertures 11 et 12 auxquelles sont raccordées des tubulures d'entrée et de sortie de fluide (non représentées) sont disposées dans le prolongement des collecteurs d'entrée (27) et de sortie (non référencé). Une telle conception d'échangeur ne permet pas de positionner librement les tubulures de raccordement, en particulier, indépendamment de l'entraxe des passages de communication 3 et 4 de l'échangeur.
Par ailleurs, les intercalaires ondulés 25 s'étendent sur toute la longueur des plaques, à l'exception de la partie qui comporte les cuvettes 26. Il existe donc entre les joues de chacun des demi-carters 15 et 16 et la paroi inclinée terminale 34 de chacun des intercalaires ondulés, des passages 38 qui mettent directement en communication le collecteur d'entrée et le collecteur de sortie du gaz à refroidir, sans que ce gaz traverse la surface d'échange de chaleur matérialisée par les intercalaires ondulés 25. Les passages
FEUILLE DE REMPLACEMENT (Règle 26)
38 constituent donc des fuites préjudiciables au bon fonctionnement de l'échangeur, comme montré par les flèches F de la figure 1.
On a représenté à la figure 3, une vue en perspective, partiellement éclatée, d'un refroidisseur d'air de suralimentation conforme à l'invention. Ce mode de réalisation diffère de celui décrit précédemment en ce que les cuvettes 6 et 7 d'une même plaque présentent des formes différentes, respectivement, circulaire et oblongue. Les cuvettes oblongues s'étendent dans le sens de la largeur des plaques, le long des petits côtés. Les passages de communication 3 et 4 ménagés dans le fond desdites cuvettes 6 et 7 présentent respectivement une section circulaire et une section oblongue. Dans cet exemple, la forme du passage de communication 4 est semblable à celle de la cuvette 7 comportant ledit passage mais cette caractéristique n'est pas indispensable, dans un autre exemple de réalisation (non représentée) la forme pourrait être différente.
Les cuvettes 6 et 7 de la paire de plaque formée par la plaque d'extrémité 16 (non représentée) et la plaque adjacente le à ladite plaque d'extrémité, appelées cuvettes d'extrémité, ont une forme homologue aux cuvettes 6 et 7 des paires de plaques successives de l'échangeur mais cette caractéristique n'est pas indispensable, dans un autre exemple de réalisation (non représentée), la forme des cuvettes d'extrémité pourrait être différente. Soit "L" la plus grande dimension de la cuvette oblongue d'extrémité 7 et "1" la largeur du passage de communication 9 (voir aussi figure 4) entre ladite cuvette oblongue d'extrémité 7 et le canal d'écoulement 2. Dans l'échangeur conforme à l'invention, la largeur "L" est supérieure à la largeur "1". Grâce à cette inégalité, il est possible de prévoir une ouverture (non représentée) dans la cuvette oblongue d'extrémité 7, opposée au passage de communication 4 de la plaque adjacente le, n'importe où le long de ladite cuvette oblongue d'extrémité pour l'entrée ou la sortie du fluide de refroidissement dans l'échangeur de chaleur. Ainsi, la tubulure de sortie de fluide (non représentée) raccordée à ladite ouverture peut être positionnée n'importe où le long de ladite cuvette oblongue d'extrémité. De plus, du fait que les cuvettes oblongues occupent l'essentiel de la largeur des plaques dans la zone des passages 38, les fuites entre les collecteurs d'entrée et de sortie du fluide à refroidir sont limitées.
A la figure 4, on a représenté une plaque utilisée dans l'échangeur de chaleur représenté à la figure 3. Le fond de cette plaque 1 présente un canal d'écoulement 2 qui "serpente" entre les cuvettes 6 et 7 et débouchent dans ces dernières par des passage de communication respectivement 8 et 9, cette circulation particulière du fluide de refroidissement permet de réaliser un echangeur à passes multiples. Dans l'exemple
FEUILLE DE REMPLACEMENT (Règle 26)
choisi, il y a quatre passes 2a, 2b, 2c, 2d. Il va de soi que cet exemple n'est pas limitatif et qu'un nombre de passes différent peut être choisi.
A la figure 5, on a représenté schématiquement un refroidisseur d'air de suralimentation conforme à l'invention. Cet autre mode de réalisation diffère de celui décrit en relation avec les figures 3 et 4 en ce que les cuvettes 60 et 70 présentent toutes deux une forme sensiblement oblongue. Les passages de communication 30 et 40 ménagés dans le fond desdites cuvettes 60 et 70 présentent une section oblongue. Dans cet exemple, la forme de chaque passage de communication est semblable à celle de la cuvette comportant ledit passage mais cette caractéristique n'est pas indispensable, dans un autre exemple de réalisation (non représentée), la forme pourrait être différente. De même, il est prévu de réaliser des cuvettes 60 et 70 identiques et symétriques suivant l'axe médian perpendiculaire aux petits côtés des plaques de l'échangeur mais dans un autre mode de réalisation (non représentée), lesdites cuvettes oblongues peuvent être différentes.
Les cuvettes 60 et 70 de la paire de plaque formée par la plaque d'extrémité 16 et la plaque adjacente 10c (non référencée) à ladite plaque d'extrémité, appelées cuvettes d'extrémité, ont une forme homologue aux cuvettes 60 et 70 des paires de plaques successives mais cette caractéristique n'est pas indispensable, dans un autre exemple de réalisation (non représentée), la forme des cuvettes d'extrémité pourrait être différente. Soit "Li" la plus grande dimension de la cuvette oblongue d'extrémité 60 et "U" la largeur du passage de communication 80 entre ladite cuvette oblongue d'extrémité 60 et le canal d'écoulement 20, soit "L2" la plus grande dimension de la cuvette oblongue d'extrémité 70 et "V la largeur du passage de communication 90 entre ladite cuvette oblongue d'extrémité 70 et le canal d'écoulement 20 (voir figure 6). Dans l'échangeur conforme à l'invention, la largeur "Lr" est supérieure à la largeur "V et la largeur "L2" est supérieure à la largeur "12". Grâce à ces inégalités, il est possible de prévoir, dans les cuvettes oblongues d'extrémité 60 et 70, des ouvertures 11 et 12, opposées aux passages de communication 30 et 40 de la plaque adjacente 10c, n'importe où le long desdites cuvettes oblongues d'extrémité pour l'entrée et la sortie du fluide de refroidissement dans l'échangeur de chaleur. Ainsi, les tubulures d'entrée et de sortie de fluide 11 et 12 raccordées auxdites ouvertures peuvent être positionnées n'importe où le long desdites cuvettes oblongues d'extrémité. Dans l'exemple représenté, on a choisi Lι= L2 et lι= 12 mais dans d'autres exemples (non représentées), on peut aussi choisir Li ≠L2 et/ou li ≠l2. De plus, du fait que les cuvettes oblongues occupent l'essentiel de la largeur des plaques dans la zone des passages 38, les fuites entre les collecteurs d'entrée et de sortie du fluide à refroidir sont limitées.
FEUILLE DE REMPLACEMENT (Règle 26)
A la figure 6, on a représenté une plaque utilisée dans l'échangeur de chaleur représenté à la figure 5. Le fond de cette plaque 10 présente un canal d'écoulement 20 qui "serpente" entre les cuvettes 60 et 70 et débouchent dans ces dernières par des passage de communication 80 et 90 respectivement, cette circulation particulière du fluide de refroidissement permet de réaliser un echangeur à passes multiples. Dans l'exemple choisi, il y a quatre passes 20a, 20b, 20c, 20d. Il va de soi que cet exemple n'est pas limitatif et qu'un nombre de passes différent peut être choisi.
Naturellement, d'autres modes de mise en œuvre, à la portée de l'homme de l'art, auraient pu être envisagés sans pour autant sortir du cadre de l'invention. De plus, l'invention ne se limite pas à des refroidisseurs d'air de suralimentation et s'applique aussi à d'autres types d' échangeurs de chaleur comme par exemple aux refroidisseurs de gaz d'échappement recirculés également appelés "EGR cooler".
FEUILLE DE REMPLACEMENT (Règle 26)