ES2402963B1 - Intercambiador de calor de placas apiladas. - Google Patents

Intercambiador de calor de placas apiladas. Download PDF

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Abstract

Intercambiador de calor de placas apiladas.#Intercambiador de calor (1) de placas apiladas, que comprende una pluralidad de placas apiladas (2) entre las cuales circulan el fluido a refrigerar y el fluido refrigerante entre dos circuitos independientes definidos por dichas placas (2), en capas alternadas, una carcasa (4) prevista para alojar en su interior el conjunto de placas (2), y medios de sujeción (5, 6) del conjunto de placas (2) a los extremos de la carcasa (4), siendo dichos medios de sujeción (5, 6) susceptibles de ser fijados mediante soldadura en horno. Se caracteriza por el hecho de que dichos medios de sujeción comprenden una pluralidad de lengüetas (5, 6) situadas en los extremos de la carcasa (4) y ajustables mecánicamente a los extremos libres del conjunto de placas (2), de modo que dichas lengüetas (5, 6) son susceptibles de recubrir sensiblemente los orificios existentes en dichas zonas de unión entre el conjunto de placas (2) y la carcasa (4). Se obtiene una nueva configuración con un diseño robusto y seguro de las partes a ensamblar mediante soldadura en horno.

Description

Intercambiador de calor de placas apiladas
La presente invención se refiere a un intercambiador de calor de placas apiladas.
La invención se aplica especialmente a todo tipo de intercambiadores de calor dentro del ámbito del motor, especialmente se aplica a intercambiadores de recirculación de gases de escape de un motor (Exhaust Gas Recirculation Coolers o EGRC),
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La configuración actual de los intercambiadores EGR en el mercado se corresponde con un intercambiador de calor metálico fabricado generalmente de acero inoxidable o aluminio.
Básicamente, hay dos tipos de intercambiadores de calor EGR: un primer tipo consiste en una carcasa en cuyo interior se dispone un haz de tubos para el paso de los gases, circulando el refrigerante por la carcasa, exteriormente a los tubos, y el segundo tipo consta de una serie de placas paralelas que constituyen las superficies de intercambio de calor, de manera que los gases de escape y el refrigerante circulan entre dos placas, en capas alternadas, pudiendo incluir aletas para mejorar el intercambio de calor.
Son conocidos algunos intercambiadores de placas apiladas en los que cada placa incluye una pared lateral longitudinal de cierre, estando cada par de placas montadas con sus respectivas paredes laterales dispuestas en los extremos longitudinales para la separación y cierre de los circuitos de los gases y de fluido refrigerante.
Asimismo, cada circuito puede ser de tipo lineal, también denominado en forma de “I”, en el cual la entrada y salida de fluido están dispuestas en extremos opuestos; o bien puede ser en forma de “U” en el cual la entrada y salida de fluido están dispuestas adyacentes en un mismo extremo abierto, estando el extremo opuesto cerrado, y definiendo un paso de ida y un paso de retorno. En este último caso, el extremo cerrado para el retorno de fluido suele estar constituido por un depósito cerrado.
La mayor parte de los componentes de los intercambiadores EGR son metálicos, de modo que están ensamblados por medios mecánicos y después soldados en horno o soldados por arco o láser para asegurar una adecuada estanqueidad requerida para esta aplicación.
En algunos casos, el intercambiador EGR también puede incluir algunos componentes fabricados de plástico, los cuales pueden realizar una única o varias funciones fabricados en una única pieza.
La función principal de los intercambiadores EGR es el intercambio de calor entre los gases de escape y el fluido refrigerante, con el fin de enfriar los gases. Adicionalmente, los intercambiadores EGR tienen que satisfacer otras funciones secundarias como pueden ser el ensamblaje con el bloque motor, la conexión con el fluido refrigerante, o la conexión con el circuito de escape de gases.
En todos estos casos el proceso de fabricación requiere un elevado número de juntas de soldadura en horno o soldadura por arco o láser, y en consecuencia resulta en una operación compleja y de elevado coste.
En intercambiadores de calor de placas apiladas, es necesario cerrar dos circuitos diferentes: fluido caliente y fluido frío. Usualmente, este tipo de intercambiadores de calor está fabricado mediante soldadura en horno.
Para evitar caídas de presión elevadas, los fluidos entran directamente en el intercambiador de calor. No es posible utilizar tuberías, por lo que las soluciones típicas consisten en utilizar depósitos o accesorios para insertar el fluido dentro del intercambiador de calor.
El ensamblaje y soldadura en horno de este tipo de interfaces con las placas apiladas puede generar problemas de calidad, es decir, fugas, por lo que es necesario que ambos circuitos de fluido refrigerante y gases estén adecuadamente cerrados para evitar posibles fugas.
Una vez que las placas han sido apiladas, el conjunto de placas define dos circuitos diferentes, uno para el gas y otro pare el fluido refrigerante, presentando el circuito del fluido refrigerante una entrada y una salida usualmente dispuestas en la parte superior del conjunto de placas apiladas.
Debido a que el mercado tiende a reducir el tamaño de los motores, y a la aplicación de los intercambiadores de calor EGR no solo en aplicaciones de alta presión (HP) sino también en los de baja presión (LP), el espacio disponible para el intercambiador y sus componentes es cada vez menor. Los entornos donde el intercambiador EGR debe ser integrado son cada vez más complicados. De este modo, es importante desarrollar intercambiadores EGR compactos provistos de partes integradas que puedan ser colocados en el espacio disponible.
El diseño de las placas provistas de áreas planas supone un riesgo de fugas internas o externas, debido a la existencia de orificios resultantes del ensamblaje de los componentes, del conjunto de placas y de las placas superior e inferior de cierre del conjunto de placas apiladas.
En la mayoría de diseños de intercambiadores de calor conocidos, el cierre del circuito de gases se consigue utilizando partes muy complejas y caras, lo cual resulta en un producto y procedimiento de fabricación muy complejo.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El objetivo del intercambiador de calor de placas apiladas de la presente invención es solventar los inconvenientes que presentan los intercambiadores conocidos en la técnica, proporcionando una nueva configuración con un diseño robusto y seguro de las partes a ensamblar mediante soldadura en horno.
El intercambiador de calor de placas apiladas, objeto de la presente invención, es del tipo que comprende una pluralidad de placas apiladas entre las cuales circulan el fluido a refrigerar y el fluido refrigerante entre dos circuitos independientes definidos por dichas placas, en capas alternadas, incluyendo cada placa una pared lateral longitudinal de cierre, y estando cada par de placas montadas con sus respectivas paredes laterales dispuestas en los extremos longitudinales para la separación y cierre de los circuitos, una carcasa prevista para alojar en su interior el conjunto de placas apiladas, y medios de sujeción del conjunto de placas apiladas a los extremos de la carcasa, siendo dichos medios de sujeción susceptibles de ser fijados mediante soldadura en horno, y se caracteriza por el hecho de que dichos medios de sujeción comprenden una pluralidad de lengüetas situadas en los extremos de la carcasa y ajustables mecánicamente a los extremos libres del conjunto de placas apiladas, de modo que dichas lengüetas son susceptibles de recubrir sensiblemente los orificios existentes en dichas zonas de unión entre el conjunto de placas apiladas y la carcasa.
Gracias al conjunto de lengüetas se consigue el cierre de todos los orificios existentes en las zonas de unión entre los extremos libres del conjunto de placas apiladas y la carcasa, por lo que se mejora considerablemente la unión por soldadura en horno.
Esta solución ha permitido reducir prácticamente a cero la probabilidad de fugas en esta área de unión, que es la más crítica en el intercambiador de calor. Asimismo, la robustez de este diseño ha sido demostrada durante la validación del intercambiador.
Ventajosamente, los medios de sujeción incluyen una pluralidad de primeras lengüetas ajustables susceptibles de ser dobladas, para sujetar las paredes laterales de las placas, así como la placa superior e inferior de cierre del conjunto de placas apiladas.
De este modo, se consigue reducir notablemente los orificios existentes en dichas zonas de unión entre las placas y las paredes de la carcasa, siendo esta reducción crítica apara alcanzar unas juntas de soldadura en horno robustas y estables.
También ventajosamente, los medios de sujeción incluyen una pluralidad de segundas lengüetas ajustables susceptibles de cubrir respectivamente unos puntos de unión triple correspondientes a la unión entre los extremos de cada dos placas adyacentes y las paredes laterales de la carcasa.
En este caso, el efecto de capilaridad proporciona un proceso de soldadura en horno estable. Debido al ajuste de las segundas lengüetas directamente sobre los extremos de las placas apiladas se consigue rellenar el espacio existente en dichos puntos de unión triple mediante un metal rellenador durante el proceso de soldadura en horno. En consecuencia, la aparición de posibles fugas se reduce considerablemente.
Preferentemente, el intercambiador comprende un depósito de gas en al menos un extremo de la carcasa y una brida auxiliar destinada a ensamblar dicho depósito de gas con el conjunto de placas apiladas. Dicha brida auxiliar es necesaria para conseguir un correcto ensamblaje.
Ventajosamente, dicha brida auxiliar presenta un espesor de aproximadamente 6 mm. De esta manera, se consigue una brida con un espesor más reducido que las bridas conocidas en la técnica que suelen ser de 8 mm.
Preferiblemente, dicha brida auxiliar está fabricada mediante un proceso de corte fino sin mecanizado. De este modo, se obtiene una reducción en el coste del intercambiador.
De acuerdo con una realización de la invención, la carcasa incluye dos depósitos laterales unidos entre sí destinados a recibir el flujo lateral de entrada y salida de fluido refrigerante en el conjunto de placas apiladas.
Asimismo, el intercambiador comprende un pozo de entrada y un pozo de salida del fluido refrigerante dispuestos en los depósitos laterales de la carcasa.
Este diseño de placas laterales permite la conexión lateral de los pozos del fluido refrigerante, para proporcionar al intercambiador una distribución del flujo de fluido refrigerante lateral, lo cual presenta muchos beneficios para integrar un intercambiador de calor EGR de placas apiladas en un espacio reducido o complicado del entorno del bloque motor.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Con el fin de facilitar la descripción de cuanto se ha expuesto anteriormente se adjuntan unos dibujos en los que, esquemáticamente y tan sólo a título de ejemplo no limitativo, se representa un caso práctico de realización del intercambiador de calor de placas apiladas de la invención, en los cuales:
la figura 1 es una vista en perspectiva del intercambiador de calor de la invención;
la figura 2 es una vista en perspectiva de la carcasa mostrando la pluralidad de lengüetas de sujeción;
la figura 3 es una vista frontal del intercambiador de calor de la invención;
la figura 4 es una vista ampliada de las zonas de unión entre el conjunto de placas apiladas y la carcasa, mostrando las primeras lengüetas antes de su doblado y las segundas lengüetas cubriendo los puntos de unión triples; y
la figura 5 es una vista ampliada de las zonas de unión según la figura 4, mostrando las primeras lengüetas dobladas.
DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA
Haciendo referencia a las figuras 1 a 3, el intercambiador de calor 1 comprende una pluralidad de placas apiladas 2 entre las cuales circulan el fluido a refrigerar y el fluido refrigerante entre dos circuitos independientes definidos por dichas placas 2, en capas alternadas.
Cada placa 2 incluye una pared lateral longitudinal de cierre 3, tal como se puede apreciar en las figuras 4 y 5, estando cada par de placas 2 montadas con sus respectivas paredes laterales 3 dispuestas en los extremos longitudinales para la separación y cierre de los circuitos.
El intercambiador 1 también incluye una carcasa 4 prevista para alojar en su interior el conjunto de placas apiladas 2.
Dicha carcasa 4 está provista de una pluralidad de lengüetas de sujeción 5,6 situadas en los extremos de la carcasa 4 y ajustables mecánicamente a los extremos libres del conjunto de placas apiladas 2, de modo que dichas lengüetas 5,6 son susceptibles de recubrir sensiblemente los orificios existentes en dichas zonas de unión entre el conjunto de placas apiladas 2 y la carcasa 4. Una vez ajustadas las lengüetas 5,6, se procede a fijar dichas zonas de unión mediante soldadura en horno.
Gracias al conjunto de lengüetas 5,6, se consigue el cierre de todos los orificios existentes en las zonas de unión entre los extremos libres del conjunto de placas apiladas 2 y la carcasa 4, por lo que se mejora considerablemente la unión por soldadura en horno.
Esta solución ha permitido reducir prácticamente a cero la probabilidad de fugas en esta área de unión, que es la más crítica en el intercambiador de calor 1. Asimismo, la robustez de este diseño ha sido demostrada durante la validación del intercambiador 1.
Tal como puede apreciarse en las figuras 4 y 5, la carcasa 4 incluye dos tipos de lengüetas 5, 6, tal como se describirá a continuación.
Por una parte, se prevé una pluralidad de primeras lengüetas 5 ajustables susceptibles de ser dobladas, para sujetar las paredes laterales 3 de las placas 2, así como la placa superior 2a e inferior 2b de cierre del conjunto de placas apiladas 2. En la figura 4 se pueden observar las primeras lengüetas 5 colocadas antes de ser dobladas, mientras que en la figura 5 se muestras dichas primeras lengüetas 5 dobladas.
De este modo, se consigue reducir notablemente los orificios existentes en dichas zonas de unión entre las placas 2 y las paredes de la carcasa 4, siendo esta reducción crítica apara alcanzar unas juntas de soldadura en horno robustas y estables.
Por otra parte, se prevé también una pluralidad de segundas lengüetas 6 ajustables susceptibles de cubrir respectivamente unos puntos de unión triple 7 correspondientes a la unión entre los extremos de cada dos placas 2 adyacentes y las paredes laterales de la carcasa 4.
En este caso, el efecto de capilaridad proporciona un proceso de soldadura en horno estable. Debido al ajuste de las segundas lengüetas 6 directamente sobre los extremos de las placas apiladas 2 se consigue rellenar el espacio existente en dichos puntos de unión triple 7 mediante un metal rellenador durante el proceso de soldadura en horno. En consecuencia, la aparición de posibles fugas se reduce considerablemente.
5 El intercambiador 1 también comprende un depósito de gas 8 en al menos un extremo de la carcasa 4 y una brida auxiliar 9 destinada a ensamblar dicho depósito de gas 8 con el conjunto de placas apiladas 2. Dicha brida auxiliar 9 es necesaria para conseguir un correcto ensamblaje.
Dicha brida auxiliar 9 presenta un espesor de aproximadamente 6 mm, que es más reducido que las bridas conocidas en la técnica que suelen ser de 8 mm.
10 Asimismo, dicha brida auxiliar 9 está fabricada mediante un proceso de corte fino (fine blanking) sin mecanizado, con la consiguiente reducción de su coste.
De acuerdo con una realización de la invención, la carcasa 4 incluye dos depósitos laterales 4a unidos entre sí destinados a recibir el flujo lateral de entrada y salida de fluido refrigerante en el conjunto de placas apiladas 2, tal como se muestra en la figura 2.
15 El intercambiador 1 también comprende un pozo de entrada 10 y un pozo de salida 11 del fluido refrigerante dispuestos en laterales opuestos de la carcasa 4, tal como puede observarse en las figuras 1 y 3.
En este caso, la configuración del circuito de gas es también lineal utilizando un depósito de gas 8 en el extremo de entrada de gases y una brida 12 en el otro extremo de salida de gases, según se muestra en la figura 1.
En consecuencia, este diseño de placas 2 laterales puede permitir la conexión lateral de los pozos 10,11
20 del fluido refrigerante, para proporcionar al intercambiador 1 una distribución del flujo de fluido refrigerante lateral, lo cual presenta muchos beneficios para integrar un intercambiador de calor EGR 1 de placas apiladas 2 en un espacio reducido o complicado del entorno del bloque motor.

Claims (9)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Intercambiador de calor (1) de placas apiladas, que comprende una pluralidad de placas apiladas
    (2) entre las cuales circulan el fluido a refrigerar y el fluido refrigerante entre dos circuitos independientes definidos por dichas placas (2), en capas alternadas, incluyendo cada placa (2) una pared lateral longitudinal de cierre (3), y estando cada par de placas (2) montadas con sus respectivas paredes laterales (3) dispuestas en los extremos longitudinales para la separación y cierre de los circuitos, una carcasa (4) prevista para alojar en su interior el conjunto de placas apiladas (2), y medios de sujeción (5,6) del conjunto de placas apiladas (2) a los extremos de la carcasa (4), siendo dichos medios de sujeción (5,6) susceptibles de ser fijados mediante soldadura en horno, caracterizado por el hecho de que dichos medios de sujeción comprenden una pluralidad de lengüetas (5,6) situadas en los extremos de la carcasa (4) y ajustables mecánicamente a los extremos libres del conjunto de placas apiladas (2), de modo que dichas lengüetas (5,6) son susceptibles de recubrir sensiblemente los orificios existentes en dichas zonas de unión entre el conjunto de placas apiladas (2) y la carcasa (4).
  2. 2.
    Intercambiador (1), según la reivindicación 1, en el que los medios de sujeción incluyen una pluralidad de primeras lengüetas (5) ajustables susceptibles de ser dobladas, para sujetar las paredes laterales (3) de las placas (2), así como la placa superior (2a) e inferior (2b) del conjunto de placas apiladas (2).
  3. 3.
    Intercambiador (1), según la reivindicación 1 o 2, en el que los medios de sujeción incluyen una pluralidad de segundas lengüetas (6) ajustables susceptibles de cubrir respectivamente unos puntos de unión triple (7) correspondientes a la unión entre los extremos de cada dos placas (2) adyacentes y las paredes laterales de la carcasa (4).
  4. 4.
    Intercambiador (1), según la reivindicación 1, que comprende un depósito de gas (8) en al menos un extremo de la carcasa (4) y una brida auxiliar (9) destinada a ensamblar dicho depósito de gas (8) con el conjunto de placas apiladas (2).
  5. 5.
    Intercambiador (1), según la reivindicación 4, en el que dicha brida auxiliar (9) presenta un espesor de aproximadamente 6 mm.
  6. 6.
    Intercambiador (1), según la reivindicación 4 o 5, en el que dicha brida auxiliar (9) está fabricada mediante un proceso de corte fino sin mecanizado.
  7. 7.
    Intercambiador (1), según la reivindicación 1, en el que la carcasa (4) incluye dos depósitos laterales (4a) unidos entre sí destinados a recibir el flujo lateral de entrada y salida de fluido refrigerante en el conjunto de placas apiladas (2).
  8. 8.
    Intercambiador (1), según la reivindicación 7, que comprende un pozo de entrada (10) y un pozo de salida (11) del fluido refrigerante dispuestos en los depósitos laterales (4a) de la carcasa (4).
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 201031907
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 22.12.2010
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : F28D9/00 (2006.01)
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    A
    WO 2010003807 A1 (VALEO SYSTEMES THERMIQUES et al.) 14.01.2010, 1-8
    página 25, línea 15 – página 26, línea 9; figuras 11-13.
    A
    DE 102009012509 A1 (MODINE MFG CO) 16.09.2010, 1-8
    párrafo [22]; figuras 1,3-5.
    A
    US 4350201 A (STEINEMAN ROBERT J) 21.09.1982, 1-8
    columna 1, líneas 30-48; reivindicaciones 1,3; figuras 2,3.
    A
    US 2010089548 A1 (BRAIC VIOREL et al.) 15.04.2010, 1-8
    resumen; figuras 7,11.
    A
    US 2007017661 A1 (GESKES PETER et al.) 25.01.2007, 1-8
    párrafo [22]; reivindicaciones 1,2; figura 1.
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 03.04.2013
    Examinador M. González Rodríguez Página 1/4
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud: 201031907
    Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) F28D Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de
    búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI, TXTUS3
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201031907
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 03.04.2013
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones 1-8 Reivindicaciones SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones 1-8 Reivindicaciones SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201031907
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    WO 2010003807 A1 (VALEO SYSTEMES THERMIQUES et al.) 14.01.2010
    D02
    DE 102009012509 A1 (MODINE MFG CO) 16.09.2010
    D03
    US 4350201 A (STEINEMAN ROBERT J) 21.09.1982
  9. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    El objeto de la invención es un intercambiador de calor de placas que comprende una pluralidad de placas apiladas, una carcasa que aloja en su interior el conjunto de placas y unos medios de sujeción situados en los extremos de la carcasa en forma de lengüetas ajustables mecánicamente a los extremos libres de las placas.
    El documento D01 divulga un intercambiador de calor de placas apiladas, que comprende una pluralidad de placas alojadas en una carcasa que dispone de unas patas de engarzado situadas en sus extremos, que tienen por función la unión de la carcasa con la caja colectora (Ver página 25, línea 15-página 26, línea 9, figuras 11-13).
    El documento D02 divulga un intercambiador de tubos planos apilados donde la placa tubular dispone de pestañas para la unión de la misma a los cabezales de entrada y salida del equipo (Ver párrafo 22, Figura 1, 3-5).
    El documento D03 divulga un intercambiador de placas apiladas en el que las placas disponen de lengüetas en sus extremos para facilitar el apilamiento de las mismas durante el ensamblaje (Ver columna 1, líneas 30-48, reivindicaciones 1,3 y figuras 2 y 3).
    Ninguno de los documentos citados, ni ninguna combinación relevante de los mismos divulga un intercambiador de calor con placas apiladas que comprenda una pluralidad de placas, una carcasa y medios de sujeción del conjunto de placas apiladas en forma de lengüetas situadas en los extremos de la carcasa, ajustables mecánicamente a los extremos libres del conjunto de placas apiladas y susceptibles de recubrir los orificios existentes en las zonas de unión entre placas y carcasa, tal y como se recoge en la reivindicación 1 de la solicitud.
    En consecuencia, la invención tal y como se recoge en las reivindicaciones 1-8 de la solicitud es nueva e implica actividad inventiva (Art. 6 y 8 LP).
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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