FR2980840A1 - Plaque pour echangeur de chaleur et echangeur de chaleur muni de telles plaques - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une plaque (4, 12, 14) destinée à permettre un échange de chaleur entre un premier et un deuxième fluide circulant au contact de la plaque (4, 12, 14), ladite plaque (4, 12, 14) étant configurée pour définir un circuit (8) comprenant plusieurs passes successives (71, 72, 73, 74) dans lequel le premier fluide circule selon une direction d'écoulement en changeant de sens d'écoulement d'une passe à l'autre, chacune des passes (71, 72, 73, 74) possédant une section de passage du premier fluide. Selon l'invention, la section de passage d'une passe (71, 72, 73, 74), dite amont, est plus grande que la section de passage d'une autre passe (71, 72, 73, 74), dite avale, située en avale de la passe amont selon la direction d'écoulement du premier fluide dans le circuit (8). L'invention concerne aussi un échangeur de chaleur muni de telles plaques.

Description

Plaque pour échangeur de chaleur et échangeur de chaleur muni de telles plaques L'invention se rapporte aux plaques pour échangeurs de chaleur et aux échangeurs de chaleur à plaques, notamment pour véhicules automobiles.

Dans ce domaine, il est connu des échangeurs, dits refroidisseurs d'air de suralimentation, permettant un échange de chaleur entre de l'air de suralimentation, destiné à alimenter le moteur du véhicule, et un liquide de refroidissement. Ils comprennent un faisceau d'échange de chaleur constitué d'un empilement de plaques déterminant entre elles des canaux de circulation alternés pour l'air de suralimentation et pour le liquide de refroidissement. Il est connu des refroidisseurs d'air de suralimentation à plaques empilés tels qu'évoqués plus haut dans lesquels chaque plaque guide le liquide de refroidissement dans un circuit formant plusieurs passes de section identique et à l'intérieur desquelles le liquide de refroidissement circule selon une direction orthogonale au flux d'air de suralimentation. Entre chaque passe, le liquide de refroidissement change de sens de circulation.

En parcourant le circuit, la température du liquide de refroidissement augmente, ce qui entraîne une variation de ses propriétés physiques (notamment sa masse volumique, sa viscosité). Or, lorsque les propriétés physiques du liquide de refroidissement changent, la perte de charge évolue également.

Dans les solutions existantes, les largeurs des passes sont identique au sein d'un même circuit et ne s'adapte pas à l'évolution des pertes de charges évoquée précédemment, ce qui a pour conséquence de dégrader les performances de l'échangeur.

Les pertes de charges peuvent contribuer en effet de façon positive à l'efficacité thermique de l'échangeur car l'on sait que plus la perte de charge est importante, plus le mode d'écoulement du flux peut être turbulent, ce qui est favorable à l'échange thermique, au moins dans une certaine limite.

Cependant, les pompes mises en oeuvre pour la circulation du liquide de refroidissement possèdent des caractéristiques limitées, ceci afin d'éviter de trop pénaliser la consommation d'énergie prélevée sur le moteur du véhicule.

Il a ainsi été découvert dans le cadre de l'invention qu'une relation favorable existait entre l'évolution de la dimension des sections de passages des passes et l'évolution des changements des propriétés physiques du fluide de refroidissement afin de diminuer la perte de charge total du circuit sans trop pénaliser la performance thermique de l'échangeur. L'invention porte ainsi sur une plaque destinée à permettre un échange de chaleur entre un premier et un deuxième fluide circulant au contact de la plaque, ladite plaque étant configurée pour définir un circuit comprenant plusieurs passes successives dans lequel le premier fluide circule selon une direction d'écoulement en changeant de sens d'écoulement d'une passe à l'autre, chacune des passes possédant une section de passage du premier fluide. Selon l'invention, la section de passage d'une passe, dite amont, est plus grande que la section de passage d'une autre passe, dite avale, située en avale de la passe amont selon la direction d'écoulement du premier fluide dans le circuit. Ainsi, en parcourant le circuit, le premier fluide circule par des passes dont la section de passage va en diminuant ce qui a pour effet d'accompagner l'évolution 25 des pertes de charge dues à l'augmentation de sa température. Le coefficient de perte de charge peut alors être conservé relativement constant le long du circuit. Dans le cas des refroidisseurs d'air de suralimentation, le premier fluide correspond à un liquide de refroidissement et le deuxième fluide correspond à l'air de 30 suralimentation. Selon un aspect de l'invention ladite plaque comprend une passe initiale et une passe finale et les sections de passage des passes décroissent d'une passe à l'autre depuis la passe initiale vers la passe finale. Elles décroissent, par exemple, de manière linéaire ou proportionnelle. Selon un autre aspect de l'invention, la section de passage de la passe initiale 5 est entre 40 et 60% plus grande que la section de passage de la passe finale. Selon un mode de réalisation particulier, ladite plaque comprend quatre passes, dites première passe, deuxième passe, troisième passe et quatrième passe, 10 la première passe étant reliée à une entrée du circuit, la deuxième passe étant reliée à la première passe, la troisième passe étant relié à la deuxième passe et la quatrième passe étant reliée d'une part à la troisième passe et d'autre part à une sortie du circuit. La section de passage va alors en diminuant de la première passe jusqu'à la quatrième passe. 15 Avantageusement, la section de passage de la première passe est entre 5 et 15% plus grande que la section de passage de la deuxième passe. Toujours avantageusement, la section de passage de la deuxième passe est entre 20 et 40% plus grande que la section de passage de la troisième passe. En particulier, la 20 section de passage de la troisième passe est entre 5 et 15% plus grande que la section de passage de la quatrième passe. Selon un exemple de réalisation la distance entre des bordures définissant la première passe est comprise entre 30 et 35 mm, la distance entre des bordures 25 définissant la deuxième passe est comprise entre 27 et 32 mm, la distance entre des bordures définissant la troisième passe est comprise entre 22 et 25 mm et/ou la distance entre des bordures définissant la quatrième passe est comprise entre 20 et 23 mm. Les bordures définissant une passe sont, en particulier, parallèles entre elles de sorte que la section de passage d'une passe est constante. La section de 30 passage est mesurée dans un plan perpendiculaire à un plan d'extension de la plaque.

Selon un autre aspect de l'invention, les passes comprennent des perturbateurs de l'écoulement du fluide. L'invention concerne aussi un échangeur de chaleur, notamment destiné à un véhicule automobile, comprenant des plaques telles que définies précédemment, au moins deux desdites plaques étant empilées l'une sur l'autre en une paire de plaques de sorte que le circuit d'une des deux plaques est en miroir du circuit de l'autre des deux plaques. On comprend ici que deux plaques formant une paire de plaques sont empilées l'une sur l'autre de sorte que leur circuit forment ensemble un canal de circulation du premier fluide. 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 illustrant de façon éclatée un échangeur de chaleur conforme à l'invention comprenant des plaques à quatre passes; - la figure 2 est une vue de dessus d'une plaque comprenant quatre passes, destinée 20 à repérer les différences de sections de passages des différentes passes selon l'invention. Comme illustré à la figure 1, l'invention concerne un échangeur de chaleur 1 permettant un échange de chaleur entre un fluide à refroidir, notamment un gaz G, et 25 un liquide de refroidissement C. Il pourra s'agir d'un refroidisseur d'air de suralimentation dans lequel un flux d'air comprimé, destiné à alimenter un moteur thermique, par exemple un moteur de véhicule automobile, est refroidi par un liquide de refroidissement, notamment un mélange d'eau et de glycol. 30 L'échangeur 1 comprend un faisceau 2 d'échange de chaleur constitué d'un empilement de plaques 4 déterminant entre elles des circuits 6, 8 alternés pour le fluide à refroidir et pour le liquide de refroidissement. Le faisceau est ici de forme globalement parallélépipédique et présente une face de sortie 10 et une face d'entrée opposée, non visible, du fluide à refroidir. Il est terminé de part et d'autre de l'empilement d'une plaque, dite supérieure, 12 et d'une plaque, dite inférieure, 14. L'échangeur 1 pourra également comprendre un boîtier 5 dans lequel le faisceau 2 est situé. Il guide le fluide à refroidir entre les plaques de la face d'entrée à la face de sortie 10 du faisceau 2. Il est ici constitué de deux parois latérales 18, venant chacune contre des bords 16, 16' latéraux des plaques 4, 12, 14, d'une paroi supérieure 20, venant au contact de la plaque supérieure 12 et d'une paroi inférieure 22, venant au contact de la plaque inférieure 14. La paroi supérieure 20 pourra être munie d'orifices 24, 26 permettant le passage, en sortie et en entrée, du liquide de refroidissement C dans le faisceau 2. L'échangeur 1 pourra encore comprendre de tubulures 28, 30 de sortie et/ou d'entrée du liquide de refroidissement communiquant avec lesdits orifices 24, 26 prévus dans le boîtier. Les différents composants de l'échangeur sont, par exemple, en aluminium ou alliage d'aluminium. Ils sont, notamment, brasés entre eux.

Chaque plaque 4, 12, 14 comporte, par exemple, un fond 31, sensiblement plan, entouré par une bordure périphérique 32 terminé par un méplat 34, permettant le brasage des plaques entre elles. Le circuit 8 de liquide de refroidissement est défini, d'une part, par ladite bordure périphérique 32 et, d'autre part, par une ou des bordures 60, 60', par exemple issues de matière du fond 31 de la plaque.

Les plaques 4, 12, 14 sont groupées par paires et assemblées par leurs méplats 34 et/ou les bordures 60, 60'. De la sorte, le circuit d'une plaque supérieure 4 et d'une plaque inférieure 4 d'une même paire de plaques se complètent pour constituer un canal de circulation du liquide de refroidissement C. Autrement dit, les plaques 4 sont empilées par paire de sorte que le circuit 8 de liquide de refroidissement C d'une des deux plaques est en vis-à-vis du circuit 8 de liquide de refroidissement C de l'autre des deux plaques de la même paire afin de former le canal de circulation du liquide de refroidissement C. Les circuits 6 pour la circulation du fluide à refroidir sont prévus entre deux plaques 4 en vis-à-vis de deux paires de plaques 4 adjacentes. Dans l'exemple illustré, les plaques supérieure 12 et inférieure 14 de l'empilement sont assemblées avec les parois supérieure 20 et inférieure 22 du boîtier pour définir un canal de circulation de liquide de refroidissement. Les plaques 4, 12, 14 ont, par exemple, la forme générale d'un rectangle allongé ayant deux grands côtés et deux petits côtés, chaque plaque comportant deux bossages 38, un premier des bossages 38 présentant une entrée 42 du canal 8 de circulation de liquide de refroidissement C et l'autre des bossages 38 présentant une sortie 40 du canal de circulation du liquide de refroidissement C. Les bossages 38 sont situés le long d'un même petit côté de la plaque 4, 12, 14. Ils sont ici percés d'un orifice 50 de passage du liquide de refroidissement C et sont destinés à venir en contact avec les bossages 38 d'une plaque 4 adjacente pour former respectivement un collecteur d'entrée 44, et un collecteur de sortie, non visible, pour le fluide de refroidissement C. Le collecteur d'entrée 44 débouche, par exemple, dans la tubulure d'entrée 30 par l'orifice d'entrée 26 du boîtier et/ou le collecteur de sortie débouche, par exemple, dans la tubulure de sortie 28 par l'orifice de sortie 24 du boîtier. Autrement dit, le fluide de refroidissement pénètre dans le faisceau par la tubulure d'entrée 30 puis est réparti entre les plaques 4 dans les circuits 8 de circulation de liquide de refroidissement par le collecteur d'entrée 44. Il s'écoule dans les circuits 8 de circulation du liquide de refroidissement C depuis leurs entrées 42 jusqu'au à leurs sorties 40 où il pénètre dans le collecteur de sortie. Il sort alors de l'échangeur par la tubulure de sortie 30.

Les bossages 38 de deux paires de plaques 4 déterminent entre eux la hauteur des circuits 6 de circulation pour le fluide à refroidir.

Une boîte collectrice d'entrée et une boîte collectrice de sortie (non représentées) pourront être adaptées à la périphérie du boîtier pour amener et évacuer le fluide à refroidir.

L'échangeur pourra aussi comprendre des surfaces d'échanges secondaires, par exemple, des perturbateurs ondulés rapportés entre les plaques 4 dans les circuits 6 de circulation du fluide à refroidir G. Ces perturbateurs permettent de perturber le flux du fluide à refroidir G de manière à améliorer l'échange thermique entre les deux fluides.

Chaque plaque 4, 12, 14 comprend par exemple des corrugations 52 disposés dans les circuits 8 de circulation du liquide de refroidissement C. Ces corrugations 52 s'étendent entre les poches 38 constituant le collecteur d'entrée et le collecteur de sortie 44 du liquide de refroidissement C et la deuxième extrémité longitudinale des plaques 4, 12, 14. Les corrugations 52 sont, par exemple, issues de matière du fond 31 des plaques 4, 12, 14, notamment par emboutissage des plaques 4, 12, 14. Le circuit 8 défini par les plaques 4, 12, 14 permet de guider le liquide de refroidissement C en un nombre n de passes successives, ici quatre, dans lequel le liquide circule entre l'entrée 42 et la sortie 40 du circuit 8. Deux passes adjacentes sont séparées, par exemple, par les bordures 32, 60, 60' des plaques 4, 12, 14. Les passes sont disposées parallèlement les unes aux autres selon une direction d'extension, ici le grand côté des plaques. Elles pourront être prévues en série les unes à la suite des autres. Les bordures 60, 60' sont ainsi orientées selon le grand côté des plaques 4 pour définir une circulation en serpentin du liquide de refroidissement dans chacune des passes de chacun des circuits 8 de circulation du liquide de refroidissement C.

Certaines 60 des bordures s'étendent depuis le bord 16 muni des bossages 38 vers le bord opposé 16' tout en laissant un passage pour que le fluide puisse s'écouler de la passe se trouvant d'un côté de la bordure 60 à l'autre passe. Elles alternent avec des bordures 60' s'étendant depuis le bord 16' opposé à celui 16 muni des bossages 38 vers le bord 16 muni des bossages 38 tout en laissant un passage pour que le fluide puisse s'écouler de la passe se trouvant d'un côté de la bordure 60' à l'autre. Dans l'exemple illustré sur les figures 1 et 2 où la plaque est munie de quatre passes, on observe une première passe 71, ou passe initiale 71, s'étendant depuis l'entrée 40 jusqu'au bord 16' opposé à celui 16 muni des bossages 38 ; une deuxième passe 72 liée à la première et s'étendant depuis le bord 16' opposé au bord 16 muni des bossages 38 jusqu'au bord 16 muni des bossages 38 ; une troisième passe 73 liée à la deuxième passe et s'étendant depuis le bord 16 muni des bossages 38 jusqu'au bord 16' opposé à celui 16 muni des bossages 38 ; et une quatrième passe 74 liée d'une part à la troisième passe 73 et d'autre part à la sortie 42 de sorte qu'elle s'étend depuis le bord 16' opposé au bord 16 muni des bossages 38 jusqu'au bord 16 muni des bossages 38.

La circulation du fluide à refroidir D dans les circuits 6 de circulation du fluide à refroidir s'effectue ainsi dans une direction globalement perpendiculaire à celle de l'écoulement du liquide de refroidissement, le liquide de refroidissement changeant de sens d'écoulement d'une passe à l'autre.

Une plaque conforme à l'invention est représentée sur la figure 2. Une telle plaque présente une longueur L selon la direction d'extension des passes et une largeur I dans une direction D orthogonale à la direction d'extension des passes. Dans l'échangeur, la direction D correspond ainsi à la direction d'écoulement du fluide à refroidir. De la même manière, dans une plaque comprenant n passes, chaque passe présente une largeur In correspondant à la distance suivant la direction D entre deux bordures 32, 60, 60' définissant cette passe. Ainsi, dans l'exemple illustré, la première passe 71 présente une largeur 11, la deuxième passe 72 une largeur 12, la troisième passe une largeur 13 et la quatrième passe 74 une largeur 14.

Selon l'invention, la section de passage d'une passe, dite amont, est plus grande que la section de passage d'une autre passe, dite avale, située en avale de la passe amont selon la direction d'écoulement du liquide de refroidissement dans le circuit 8 de circulation du liquide de refroidissement. Le liquide de refroidissement s'écoulant de la passe initiale vers la passe finale, c'est-à-dire ici de la première passe 71 vers la quatrième passe 74, la section de passage décroît de la première passe 71 vers la quatrième passe 74. On observe ainsi une optimisation du ratio perte de charge/performance thermique. On définit la section de passage d'une passe par sa largeur multiplié par la hauteur des bordures 32, 60, 60' qui la définissent. Les bordures 32, 60, 60' étant ici sensiblement parallèle entre elles et de hauteur identique, la comparaison des largeurs de passes équivaut dans la suite de la description à une comparaison des sections de passages de chaque passe. Selon un aspect de l'invention, la largeur li de la première passe 71 est entre 5 et 15% plus grande que la largeur 12 de la deuxième passe 72.

La largeur 12 de la deuxième passe est ici entre 20 et 40% plus grande que la largeur 13 de la troisième passe 73. La largeur 13 de la troisième passe 73 est par exemple entre 5 et 15% plus grande que la largeur 14 de la quatrième passe 74. Dans un exemple de réalisation, la largeur de la passe initiale, ici la première passe 71, est entre 40 et 60% plus grande que la largeur de la passe finale, ici la quatrième passe 74 .

Dans l'exemple illustré sur la figure 2 la plaque la largeur I de la plaque 4, 12, 14 est, notamment, égale à 120 mm et sa longueur L est, par exemple, égale à 200 mm. Dans ce cas, la largeur li de la première passe 71 est, notamment, comprise entre 30 et 35 mm, la largeur 12 de la deuxième passe 72 est, par exemple, comprise entre 27 et 32 mm, la largeur 13 de la troisième passe 73 est, en particulier, comprise entre 22 et 25 mm et la largeur 14 de la quatrième passe 74 est avantageusement comprise entre 20 et 23 mm.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Plaque (4, 12, 14) destinée à permettre un échange de chaleur entre un premier et un deuxième fluide (C, G) circulant au contact de la plaque (4, 12, 14), ladite plaque (4, 12, 14) étant configurée pour définir un circuit (8) comprenant plusieurs passes successives (71, 72, 73, 74) dans lequel le premier fluide (C) circule selon une direction d'écoulement en changeant de sens d'écoulement d'une passe à l'autre, chacune des passes (71, 72, 73, 74) possédant une section de passage du premier fluide (C), caractérisé par le fait que la section de passage d'une passe (71, 72, 73, 74), dite amont, est plus grande que la section de passage d'une autre passe (71, 72, 73, 74), dite avale, située en avale de la passe amont selon la direction d'écoulement du premier fluide dans le circuit (8).
2. 2. Plaque (4, 12, 14) selon la revendication 1, ladite plaque (4, 12, 14) comprenant une passe initiale (71) et une passe finale (74), les sections de passage des passes (71, 72, 73, 74) décroissent d'une passe à l'autre depuis la passe initiale (71) vers la passe finale (74).
3. 3. Plaque (4, 12, 14) selon la revendication 2, dans laquelle la section de passage de la passe initiale (71) est entre 40 et 60% plus grande que la section de passage de la passe finale (74).
4. 4. Plaque (4, 12, 14) selon l'une quelconque des revendications précédentes, ladite plaque (4, 12, 14) comprenant quatre passes (71, 72, 73, 74), dites première passe (71), deuxième passe (72), troisième passe (73) et quatrième passe (74), la première passe (71) étant reliée à une entrée (42) du circuit (8), la deuxième passe (72) étant reliée à la première passe (71), la troisième passe (73) étant relié à la deuxième passe (72) et la quatrième passe (74) étant reliée d'une part à la troisième passe (73) et d'autre part à une sortie du circuit (40).
5. 5. Plaque (4, 12, 14) selon la revendication 4, dans laquelle la section de passage de la première passe (71) est entre 5 et 15% plus grande que la section de passage de la deuxième passe (72).
6. 6. Plaque (4, 12, 14) selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, dans laquelle la section de passage de la deuxième passe (72) est entre 20 et 40% plus grande que la section de passage de la troisième passe (73).
7. 7. Plaque (4, 12, 14) selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans laquelle la section de passage de la troisième passe (73) est entre 5 et 15% plus grande que la section de passage de la quatrième passe (74).
8. 8. Plaque (4, 12, 14) selon l'une des revendications 4 à 7, dans laquelle la distance entre des bordures (38, 60) définissant la première passe (71) est comprise entre 30 et 35 mm, la distance entre des bordures (60, 60') définissant la deuxième passe (72) est comprise entre 27 et 32 mm, la distance entre des bordures (60', 60) définissant la troisième passe (73) est comprise entre 22 et 25 mm et/ou la distance entre des bordures (60, 38) définissant la quatrième passe (74) est comprise entre et 23 mm.
9. 9. Plaque (4, 12, 14) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les passes (71, 72, 73, 74) comprennent des perturbateurs (52) de 20 l'écoulement du fluide.
10. 10. Echangeur de chaleur (1), notamment destiné à un véhicule automobile, comprenant des plaques (4) selon l'une quelconque des revendications précédentes, au moins deux desdites plaques (4) étant empilées l'une sur l'autre en une paire de plaques de sorte que le circuit (8) d'une des deux plaques (4) est en miroir du circuit (8) de l'autre des deux plaques (4).