FR2855602A1 - Echangeur de chaleur a plaques, notamment refroidisseur des gaz d'echappement recircules - Google Patents
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Abstract
L'échangeur de chaleur pour l'échange de chaleur entre des gaz à refroidir et un liquide de refroidissement comprend un faisceau d'échange de chaleur (2) constitué par un empilement de plaques (8, 10, 12) déterminant entre elles des canaux de circulation des gaz à refroidir et des canaux de circulation du liquide de refroidissement. Chaque canal de circulation du gaz à refroidir est compris entre deux canaux de circulation du liquide de refroidissement. Ainsi, les parois de l'enveloppe qui entourent le faisceau d'échange de chaleur (2) sont refroidies par le liquide de refroidissement. Application au refroidissement des gaz d'échappement de moteurs de véhicules automobiles.
Description
Echangeur de chaleur à plaques, notamment refroidisseur des
gaz d'échappement recirculés.
L'invention concerne un échangeur de chaleur pour l'échange de chaleur entre des gaz à refroidir et un liquide de refroidissement, comprenant un faisceau d'échange de chaleur constitué par un empilement de plaques déterminant entre 10 elles des canaux de circulation des gaz à refroidir et des canaux de circulation du liquide de refroidissement.
Sur un certain nombre de moteurs à combustion interne, en particulier sur les moteurs diesel suralimentés, les normes 15 de pollution imposent un recyclage ou une recirculation d'une partie des gaz d'échappement. Préalablement à leur mélange avec les gaz de combustion frais, les gaz d'échappement recirculés, dont la température peut atteindre 500 C, doivent être refroidis.
Ce refroidissement est obtenu au moyen d'un échangeur de chaleur, appelé échangeur de refroidissement des gaz recirculés. Les échangeurs connus de ce type sont généralement réalisés en acier inoxydable. Ils comportent un faisceau 25 composé d'intercalaires et de plaques munies d'un rebord extérieur conçu pour assurer l'étanchéité aux gaz d'échappement. Des boîtes collectrices d'entrée et de sortie pour les gaz sont brasées aux extrémités du faisceau d'échange de chaleur.
Ces refroidisseurs connus présentent plusieurs inconvénients.
Les boîtes collectrices d'entrée et de sortie sont constituées par des pièces séparées qui doivent être assemblées par brasage. Cela nécessite un surplus de matière et entraîne un 35 encombrement supplémentaire. D'autre part, les parois de l'enveloppe de l'échangeur, qui sont en contact avec les gaz d'échappement, sont à une température très élevée. Elles doivent par conséquent être réalisées dans un matériau noble tel que l'acier inoxydable, qui est coûteux et qui est 40 difficile à mettre en forme.
L'invention a pour objet un échangeur de chaleur, en particulier un refroidisseur des gaz d'échappement recirculés, qui remédie à ces inconvénients.
Ces buts sont atteints par le fait que chaque canal de circulation des gaz à refroidir est compris entre deux canaux de circulation du liquide de refroidissement.
De préférence, le faisceau d'échange de chaleur est entouré 10 d'une enveloppe comportant une première paroi d'extrémité accolée à une première plaque d'extrémité du faisceau et une seconde paroi d'extrémité accolée à une seconde plaque d'extrémité du faisceau, chaque paroi d'extrémité de l'enveloppe définissant un canal de circulation du liquide de 15 refroidissement avec la plaque d'extrémité du faisceau à laquelle elle est associée.
Grâce à cette caractéristique, l'enveloppe de l'échangeur de chaleur est en contact avec le liquide de refroidissement. Il 20 est protégé du contact direct avec les gaz d'échappement et sa température est considérablement abaissée. Il peut, par conséquent, être réalisé en un matériau peu coûteux et facile à travailler tel qu'un alliage d'aluminium. Si besoin est, les parois en contact avec les gaz sont traitées pour 25 résister à la corrosion.
Dans une réalisation préférée, les plaques du faisceau sont des plaques embouties de manière à comporter une cavité délimitée par un rebord, ces plaques étant groupées par paire 30 et assemblées par leurs rebords pour définir les canaux de circulation du liquide de refroidissement, à l'exception de la première et de la seconde plaque d'extrémité qui sont assemblées par leur rebords respectivement à la première et à la seconde paroi d'extrémité de l'enveloppe pour former 35 avec chacune d'elles un canal de circulation du liquide de refroidissement.
Cette caractéristique permet de réaliser un échangeur de chaleur très plat, peu encombrant, qui peut être monté aisément sur un autre échangeur, par exemple un refroidisseur de l'air de suralimentation du moteur.
Avantageusement, les plaques comportent des nervures qui 5 délimitent des passes de circulation du liquide de refroidissement et/ou des éléments perturbateurs.
Dans une réalisation particulière, chaque plaque comporte un bossage embouti dans lequel est découpée une ouverture de 10 circulation du liquide de refroidissement, les bossages d'une paire de plaques étant en appui respectivement sur les bossages des paires de plaques adjacentes.
Ces bossages délimitent ainsi des espaces entre les surfaces 15 des plaques dans lesquelles peuvent circuler les gaz à refroidir. Une surface d'échange secondaire ou un élément perturbateur, par exemple un intercalaire ondulé, peut avantageusement être disposé dans les canaux de circulation des gaz à refroidir.
Toutefois, à chacune des extrémités de l'échangeur, les plaques d'extrémité sont associées aux parois de l'enveloppe.
Généralement, la première et la seconde paroi d'extrémité de 25 l'enveloppe présentent la forme générale d'un rectangle.
Avantageusement, la tubulure d'entrée et la tubulure de sortie du liquide de refroidissement sont situées sur une même paroi d'extrémité de l'enveloppe et le long d'un même 30 côté du rectangle, notamment le petit côté de ce rectangle.
Ainsi, les canalisations d'amenée et d'évacuation du liquide de refroidissement sont proches l'une de l'autre. Cette disposition facilite leur installation et réduit l'encombrement.
Avantageusement encore, la bride d'entrée et la bride de sortie des gaz à refroidir sont situées sur la même paroi d'extrémité que les tubulures d'entrée et de sortie du liquide de refroidissement. De cette manière, tous les raccordements sont situés d'un même côté de l'échangeur.
L'enveloppe de l'échangeur peut être réalisée de nombreuses manières différentes.
Dans une réalisation préférée, l'une au moins des parois d'extrémité comporte un rebord périphérique qui enveloppe, au moins partiellement, le faisceau d'échange de chaleur de 10 l'échangeur de manière à constituer un carter.
Chaque paroi d'extrémité peut ainsi constituer un demicarter, ces deux demi-carters se raccordant selon un plan de joint situé à mi-hauteur du faisceau d'échange de chaleur. Ou 15 bien, l'une des plaques peut constituer un carter complet fermé par une plaque d'extrémité plane.
L'enveloppe délimite des espaces libres de part et d'autre des canaux de circulation des gaz à refroidir afin de 20 constituer des boîtes collectrices d'entrée et de sortie pour ces gaz.
Les brides d'entrée et de sortie des gaz sont raccordées à l'enveloppe au niveau des espaces libres. Ainsi, il n'est pas 25 nécessaire de réaliser et de rapporter des boîtes collectrices d'entrée et de sortie séparées. La réalisation de l'échangeur est simplifiée.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 30 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 éclatée en perspective d'un 35 échangeur de chaleur à plaques conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue de dessus de l'échangeur de chaleur de la figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe partielle à échelle agrandie selon la ligne III-III de la figure 2; et - la figure 4 est une vue en coupe partielle à échelle agrandie selon la ligne IV-IV de la figure 2.
L'échangeur de chaleur représenté sur les figures 1 à 4 est un refroidisseur des gaz d'échappement recirculés provenant d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile. En 10 effet, la température de ces gaz est élevée et peut atteindre 500 C à leur sortie du moteur. Il est donc nécessaire de les refroidir avant de les remélanger aux gaz frais admis dans les chambres de combustion. Ce refroidissement est effectué par échange de chaleur avec un liquide de refroidissement, 15 généralement de l'eau glycolée.
Le refroidisseur comprend deux parties principales, à savoir un faisceau d'échange de chaleur, désigné par la référence générale 2, et une enveloppe qui entoure le faisceau 2. Dans 20 l'exemple, l'enveloppe est constituée de deux demi-carters, à savoir un demi-carter supérieur 6 et un demi-carter inférieur 7.
Le faisceau 2 est constitué d'un empilement de plaques de 25 forme générale rectangulaire allongée. Dans l'exemple, il comprend quatre plaques, à savoir une plaque d'extrémité supérieure 8, une plaque d'extrémité inférieure 10 et deux plaques courantes 12 appariées l'une à l'autre. Chaque plaque comporte une paroi de fond 14 et un rebord périphérique 16 30 qui délimite avec le fond 14 une cavité dans laquelle circule le liquide de refroidissement. De préférence, des nervures 18 sont formées dans la paroi de fond afin de déterminer des passes pour la circulation du liquide de refroidissement.
Dans l'exemple, chaque plaque comporte trois nervures qui déterminent quatre passes (c'est-à-dire deux allers et retours) pour le liquide de refroidissement. De plus, chaque plaque peut comporter des éléments perturbateurs, tels que des reliefs en saillie, destinés à perturber l'écoulement du liquide de refroidissement et à améliorer l'échange de chaleur. En outre, chaque plaque comporte un bossage (voir figure 3) situé à l'opposé du rebord 16 et des nervures 18.
Une ouverture 22 est prévue dans la paroi de fond de chaque bossage 20 pour le passage du liquide de refroidissement.
Le demi-carter supérieur 6 comporte une paroi d'extrémité plane 24 entourée par un rebord périphérique 26. De la même manière, le demicarter inférieur 7 comporte une paroi 10 d'extrémité inférieure 28 entourée par un rebord périphérique 30. Comme on peut le voir en particulier sur la figure 3, le rebord périphérique 26 du demi-carter supérieur et le rebord périphérique 30 du demi-carter inférieur se rejoignent selon un plan de joint de manière à constituer une enveloppe 15 étanche qui contient entièrement le faisceau 2 de l'échangeur. Les dimensions des rebords périphériques 26 et 30 sont déterminées de telle manière que, lorsque les deux demicarters sont assemblés, la paroi d'extrémité supérieure 24 du demi-carter supérieur vient en appui sur le rebord périphéri20 que 16 de la plaque d'extrémité supérieure et, de la même manière, la paroi d'extrémité 28 du demi-carter inférieur 7 vient en appui sur le rebord périphérique 16 de la plaque d'extrémité inférieure 10.
En outre, chacun des demi-carters 6 et 7 comporte des pattes de fixation 31 qui permettent de monter le refroidisseur des gaz d'échappement sur une structure. Une tubulure d'entrée 32 et une tubulure de sortie 34 pour le liquide de refroidissement sont prévues sur le demi-carter supérieur. Dans l'exem30 ple, ces deux tubulures sont disposées le long d'un petit côté du demi-carter supérieur, mais d'autres réalisations sont possibles. Le demi- carter supérieur 6 comporte également une bride 36 et une bride 38 permettant le raccordement d'une canalisation d'amenée des gaz à refroidir et 35 l'évacuation de ces gaz. Ces brides sont fixées à des collets 39 formés par emboutissage dans la tôle constituant le demi carter supérieur. Ainsi, dans l'exemple, les tubulures de liquide de refroidissement et de gaz sont toutes disposées du même côté de l'échangeur, ce qui facilite leur raccordement.
Comme on peut le voir en particulier sur la figure 3, la plaque d'extrémité supérieure 8 de l'échangeur est assemblée par son rebord périphérique 16 à la paroi d'extrémité 24 du demi-carter supérieur 6. On délimite ainsi, entre ces deux 5 parois, un canal de circulation 40 du liquide de refroidissement. De la même manière, la plaque d'extrémité inférieure 10 est assemblée par son rebord périphérique 16 à la paroi d'extrémité 30 du demi-carter inférieur 7 de manière à délimiter un canal de circulation 40 du liquide de refroidis10 sement. Les deux plaques courantes ou génériques 12 sont assemblées l'une à l'autre par leurs rebords périphériques 16 de manière à délimiter entre leur paroi de fond 14 un canal de circulation 42 pour le liquide de refroidissement.
Etant donné que, dans ce cas, le canal de circulation du fluide de refroidissement est délimité par la superposition de deux plaques, sa hauteur est le double de celle des canaux de circulation 40. Le bossage 20 de l'une des plaques 12 vient en appui avec le bossage 20 de la plaque d'extrémité 20 supérieure 8, tandis que le bossage de l'autre plaque 12 vient en appui sur le bossage 20 de la plaque d'extrémité inférieure 10. L'exemple représenté ne comporte que deux plaques génériques, mais il va de soi qu'il pourrait en comporter davantage, étant entendu que ces plaques sont 25 appariées.
Les ouvertures 22 pratiquées dans les différents bossages sont en coïncidence les unes avec les autres afin de permettre la circulation du liquide de refroidissement. Simultané30 ment, les bossages 20 déterminent un écartement entre les parois de fond 14 de chacune des plaques 8, 10 et 12. De préférence des surfaces d'échange secondaires 46, ou éléments perturbateurs, constitués par exemple par des intercalaires ondulés, sont disposées dans les canaux de circulation 44 des 35 gaz à refroidir. La hauteur de chaque canal est égale à deux fois la hauteur d'un bossage 20.
Conformément à l'invention, chaque canal 44 de circulation des gaz à refroidir est compris entre deux canaux de circula- i, . 2855602 tion du liquide de refroidissement. Le refroidisseur représenté dans l'exemple comporte deux canaux de circulation 44 entourés chacun, respectivement, par un canal 40 et par le canal central 42. Grâce à cette caractéristique, le demi5 carter supérieur 6 et le demi-carter inférieur 7, et particulièrement les parois de fond 24 et 28 de ces demi- carters ne sont pas en contact avec les gaz à refroidir. Au contraire, les parois 24 et 28 sont refroidies par la circulation du liquide de refroidissement dans les canaux 40. La température 10 des parois 24 et 28 est ainsi considérablement abaissée par rapport à la température des parois d'extrémité d'un échangeur classique. Elle peut par exemple être de l'ordre de 200 C. Ces parois peuvent donc être réalisées dans un matériau qui résiste moins à la température, comme 15 l'aluminium. Cet avantage est appréciable parce que l'aluminium est plus facile à travailler et revient moins cher que l'acier inoxydable.
La forme générale des demi-carters 6 et 7 correspond à la 20 forme des plaques du faisceau. Toutefois, les demi-carters comportent des prolongements 48 situés de part et d'autre des côtés allongés des plaques de l'échangeur. De cette manière, on définit des espaces libres de part et d'autre de l'entrée et de la sortie des canaux 44 de circulation des gaz à 25 refroidir. Ces espaces libres permettent de constituer respectivement une boîte collectrice d'entrée et une boîte collectrice de sortie pour les gaz d'échappement. Ils s'étendent sur toute la longueur des plaques, et particulièrement sur toute la longueur des canaux 44. Dans l'exemple, 30 les prolongements 48 présentent une forme de triangle très aplatie. Il va de soi qu'ils pourraient présenter d'autres formes, par exemple une forme sensiblement rectangulaire. Les brides de fixation 36 et 38 destinées respectivement à la fixation d'une canalisation d'amenée et d'une canalisation 35 d'évacuation des gaz à refroidir sont disposées sur les prolongements 48 du carter supérieur 6. Toutefois, en variante de réalisation, une bride 36 pourrait être disposée sur un demi- carter, tandis que l'autre bride 38 serait disposée sur l'autre demi- carter.
Grâce à cette caractéristique, il n'est pas nécessaire de réaliser des boîtes collectrices séparées pour les gaz, qui doivent être assemblées par brasage au reste de l'échangeur.
On réalise par conséquent une économie de matière et on 5 réduit le nombre d'opérations nécessaires à la fabrication de l'échangeur.
Le refroidisseur des gaz d'échappement qui vient d'être décrit présente une forme très plane, en raison notamment du 10 faible nombre de plaques qu'il comporte. Son encombrement est donc peu important et il peut être fixé aisément sur un autre échangeur, par exemple un refroidisseur d'air de suralimentation.
Claims (10)
1. Echangeur de chaleur pour l'échange de chaleur entre des gaz à refroidir et un liquide de refroidissement, comprenant 5 un faisceau d'échange de chaleur (2) constitué par un empilement de plaques (8, 10, 12) déterminant entre elles des canaux (44) de circulation des gaz à refroidir et des canaux (40, 42) de circulation du liquide de refroidissement, caractérisé en ce que chaque canal (44) de circulation du gaz 10 à refroidir est compris entre deux canaux (40, 42) de circulation du liquide de refroidissement.
2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau (2) est entouré d'une enveloppe comportant 15 une première paroi d'extrémité (24) accolée à une première plaque d'extrémité (8) du faisceau et une deuxième paroi d'extrémité (28) accolée à une deuxième plaque d'extrémité (10) du faisceau (2), chaque paroi d'extrémité, (24, 28) définissant un canal (40) de circulation du liquide de 20 refroidissement avec la plaque d'extrémité (8, 10) à laquelle elle est associée.
3. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les plaques (8, 10, 12) sont des 25 plaques embouties de manière à comporter une cavité délimitée par un rebord (16), ces plaques étant groupées par paires et assemblées par leurs rebords (16) pour définir des canaux (42) de circulation du fluide de refroidissement, à l'exception de la première et de la seconde plaque d'extrémité (8, 30 10) qui sont assemblées par leurs rebords (16) respectivement à la première et à la seconde paroi d'extrémité (24, 28) de l'enveloppe pour former avec elle un canal (40) de circulation du fluide à refroidir.
4. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les plaques comportent des nervures (18) qui délimitent des passes de circulation du liquide de refroidissement et/ou des éléments perturbateurs.
5. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque plaque comporte un bossage embouti (20) dans lequel est découpée une ouverture (22) de circulation du fluide de refroidissement, les bossages (20) 5 d'une paire de plaques (12) étant en appui respectivement sur les bossages des paires de plaques adjacentes.
6. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la première et la deuxième paroi 10 d'extrémité (24, 28) de l'enveloppe présentent la forme générale d'un rectangle et en ce qu'il comporte une tubulure d'entrée (32) et une tubulure de sortie (34) du liquide de refroidissement situées sur la même paroi d'extrémité (24) de l'enveloppe et le long d'un même côté du rectangle. 15
7. Echangeur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la tubulure d'entrée (32) et la tubulure de sortie (34) du liquide de refroidissement sont situées le long d'un petit côté du rectangle. 20
8. Echangeur selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comporte une bride d'entrée (36) et une bride de sortie (38) des gaz à refroidir situées sur la même paroi d'extrémité (24) que les tubulures d'entrée et de 25 sortie (32, 34) du liquide de refroidissement.
9. Echangeur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'une au moins des parois d'extrémité (24, 28), comporte un rebord périphérique (26) qui enveloppe au moins 30 partiellement le faisceau (2) d'échange de chaleur de manière à constituer un carter.
10. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'enveloppe délimite des espaces 35 libres de part et d'autre des canaux (44) de circulation des gaz à refroidir afin de constituer des boîtes collectrices d'entrée et de sortie pour ces gaz.
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