FR2982662A1

FR2982662A1 - Echangeur en forme de spirale et procede de fabrication d'un tel echangeur

Info

Publication number: FR2982662A1
Application number: FR1160354A
Authority: FR
Inventors: Frederic Greber
Original assignee: Faurecia Systemes dEchappement SAS
Current assignee: Faurecia Systemes dEchappement SAS
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2011-11-15
Publication date: 2013-05-17
Anticipated expiration: 2031-11-15
Also published as: US9481055B2; DE102012022302A1; US20150165573A1; FR2982662B1; US20130118722A1

Abstract

L'invention concerne un échangeur en forme de spirale, l'échangeur ayant un axe d'enroulement (X) et comprenant une feuille extérieure (10 ; 110 ; 210) et une feuille intérieure (20 ; 120 ; 220) fixées l'une à l'autre dans un plan de fixation (S) avant l'enroulement et délimitant entre elles un espace (30) pour un fluide, la feuille extérieure (10 ; 110 ; 210) et la feuille intérieure (20 ; 120 ; 220) étant enroulées sur elles mêmes et comprenant chacune une pluralité de zones souples (12, 22 ; 112 ; 212) et une pluralité de zones rigides (14, 24 ; 114 ; 214), les zones souples étant plus flexibles que les zones rigides lors d'un pliage, caractérisé en ce que les zones souples et les zones rigides sont allongées suivant l'axe d'enroulement, et au moins une zone souple (12 ; 112 ; 212) de la feuille extérieure (10 ; 110 ; 210) et au moins une zone souple (22) de la feuille intérieure (20; 120; 220) qui délimitent entre elles l'espace (30) forment une paire de zones souples qui sont alignées dans une même direction radiale. En outre, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un tel échangeur en forme de spirale.

Description

Echandeur en forme de spirale et procédé de fabrication d'un tel échangeur L'invention concerne un échangeur en forme de spirale, l'échangeur ayant un axe d'enroulement et comprenant une feuille extérieure et une feuille intérieure fixées l'une à l'autre dans un plan de fixation avant l'enroulement et délimitant entre elles un espace pour un fluide, la feuille extérieure et la feuille intérieure étant enroulées sur elles mêmes et comprenant chacune une pluralité de zones souples et une pluralité de zones rigides, les zones souples étant plus flexibles que les zones rigides lors d'un pliage. En outre, l'invention concerne une portion d'un échappement. En outre, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un échangeur en forme de spirale.

Dans l'état de la technique il existe plusieurs types d'échangeur en forme de spirale. Typiquement de tels échangeurs sont formés par deux tôles superposées qui sont ensuite enroulées et agencées dans un conduit d'échappement d'un moteur à combustion interne. Dans un type d'échangeur en forme de spirale, les tôles sont écartées avec des écarteurs. Par exemple, la demande FR 2 810 726 Al divulgue un échangeur en forme de spirale qui est fabriqué par deux tôles écartées qui comportent sur leurs faces respectivement en regard des éléments écarteurs internes et sur la face opposée des éléments écarteurs externes qui sont disposés pour que les éléments écarteurs internes et externes d'une feuille viennent en appui sur les éléments écarteurs internes et externes correspondants de l'autre tôle. Les éléments écarteurs ont sensiblement la même forme. Dans la demande FR 2 809 483 A1, une bande métallique ayant des éléments écarteurs est formée par un pliage des bords qui sont ensuite connectés l'un à l'autre par une soudure. Ensuite, la bande métallique pliée est enroulée pour former l'échangeur en forme de spirale.

La demande FR 2 874 080 Al concerne un échangeur comprenant deux feuilles métalliques enroulées. Les feuilles métalliques sont pourvues d'éléments écarteurs en forme de dentelle qui sont distribués sur leur surface. De plus, l'entrée et la sortie du fluide, par exemple l'eau, du dispositif se fait au centre de la spirale. Ceci implique que des tubes d'entrée et de sortie sortiront de part et d'autre de l'échangeur et ont une trajectoire compliquée, donc coûteuse. Typiquement, l'eau circulant dans un tel échangeur est au maximum à une température de 130° Celsius et donc très en deçà de celle du gaz d'échappement qui chauffe l'eau. Le fait qu'il y ait des dilatations différentielles entre ces tubes d'eau et des tubes d'échappement peut entraîner une fatigue des matériaux après une longue utilisation.

Généralement, lorsqu'on enroule deux tôles l'une sur l'autre, la tôle du côté extérieur, pour un nombre de tours d'enroulements équivalents, est toujours plus longue que la tôle intérieure du fait de son épaisseur et/ou l'espace entre les deux tôles. Si les deux tôles sont soudées avant l'enroulement, par exemple comme dans la demande FR 2 809 483 A1, des déformations vont apparaître sur la tôle intérieure. De ce fait, dans l'art antérieur les tôles sont souvent soudées au cours ou après l'enroulement, comme par exemple dans la demande FR 2 810 726 A1. Néanmoins, les soudages au cours de l'enroulement posent des problèmes de fabrication surtout pour les tôles de faible épaisseur. En effet, les tôles de faible épaisseur ne peuvent pas être soudées à l'arc électrique et on ne peut pas envisager des soudages à la mollette à cause des problèmes d'accès au talon qui assure le retour de courant. De plus, un soudage par laser s'avère difficile. Le problème de soudage devient encore plus épineux si on doit effectuer des soudures intermédiaires entre deux soudures latérales. L'objet de la présente invention est de surmonter les inconvénients de l'état antérieur et en particulier de mettre en oeuvre un échangeur en forme de spirale qui est facile à fabriquer, léger et peu coûteux. Ces buts sont atteints, conformément à l'invention, par un échangeur en forme de spirale, l'échangeur ayant un axe d'enroulement et comprenant une feuille extérieure et une feuille intérieure fixées l'une à l'autre dans un plan de fixation avant l'enroulement et délimitant entre elles un espace pour un fluide, la feuille extérieure et la feuille intérieure étant enroulées sur elles mêmes et comprenant chacune une pluralité de zones souples et une pluralité de zones rigides, les zones souples étant plus flexibles que les zones rigides lors d'un pliage. Les zones souples et les zones rigides sont allongées suivant l'axe d'enroulement, et au moins une zone souple de la feuille extérieure et au moins une zone souple de la feuille intérieure qui délimitent entre elles l'espace forment une paire de zones souples qui sont alignées dans une même direction radiale. Selon des caractéristiques avantageuses : les zones souples de la feuille extérieure et/ou de la une feuille intérieure sont sensiblement rectilignes ; la majorité des zones souples, en particulier toutes zones souples, de la feuille extérieure, forment avec une zone souple respective de la feuille intérieure une paire de zones souples qui sont alignées dans une même direction radiale ; considérées en coupe en direction de l'enroulement, les zones rigides sont formées par des plateaux et les zones souples sont formées par des profils en creux et des arêtes entre les profils en creux et les plateaux, les profils en creux étant en particulier formés vers l'axe d'enroulement ; chaque zone souple, en particulier chaque profil en creux, de la feuille extérieure présente sur toute une largeur de la feuille extérieure suivant la direction de l'axe d'enroulement une partie rectiligne qui se trouve au niveau du plan de fixation, et en ce que chaque zone souple, en particulier chaque arête, de la feuille intérieure, présente sur toute sa longueur parallèlement à l'axe d'enroulement au moins une partie rectiligne qui se trouve dans le plan de fixation pour former une pluralité de charnières dans le plan de fixation ; une pluralité des zones rigides, en particulier une pluralité des plateaux, de la feuille extérieure est pourvue d'au moins une partie en creux, chaque partie en creux venant en appui contre une zone rigide de la feuille intérieure ; l'échangeur comprend au moins une ouverture d'entrée de fluide pour introduire le fluide dans l'espace et au moins une ouverture de sortie de fluide pour extraire le fluide de l'espace, la ou les ouvertures d'entrée et la ou les ouvertures de sortie étant agencées à une première extrémité de l'une de la feuille extérieure ou la feuille intérieure selon direction de l'enroulement, la première extrémité étant opposée à une deuxième extrémité à laquelle l'enroulement à commencé ; l'espace est en forme de U, W ou de zig-zag, présentant des branches sensiblement rectilignes ; la feuille extérieure et la feuille intérieure sont fixées entre elles respective entre deux branches ; la feuille extérieure et la feuille intérieure présentent une échancrure respective entre deux branches ; un diamètre de passage moyenne dans l'espace diminue entre la ou les ouvertures d'entrée et la ou les ouvertures de sortie ; chaque branche a une largeur sensiblement constante et la largeur des branches suivant la direction de l'axe d'enroulement d'au moins deux branches adjacentes diminue l'une par rapport à l'autre ; et/ou la feuille extérieure et/ou la feuille intérieure est ou sont formées par une tôle. En outre, ces buts sont atteints, conformément à l'invention, par une portion d'un échappement comprenant un échangeur selon l'une l'invention. Ces buts sont atteints, conformément à l'invention, par un procédé de fabrication d'un échangeur en forme de spirale comprenant les étapes suivantes : - emboutir dans une feuille extérieure et une feuille intérieure une pluralité de zones souples et une pluralité de zones rigides, les zones souples étant plus flexible que les zones rigides lors d'un pliage et les zones souples et les zones rigides étant allongées suivant l'axe d'enroulement ; - aligner la feuille extérieure et la feuille intérieure de façon que au moins une zone souple de la feuille extérieure et au moins une zone souple de la feuille intérieure forment une paire de zones souples qui sont alignées l'une avec l'autre ; - fixer de manière permanente la feuille extérieure à la feuille intérieure à des endroits prédéterminés pour former un espace entre elles ; et - enrouler la feuille extérieure et la feuille intérieure pour former l'échangeur en forme de spirale. Selon des caractéristiques avantageuses : considérées en coupe en direction de l'enroulement, les zones rigides sont formées par des plateaux et les zones souples sont formées par des profils en creux et des arêtes entre les profils en creux et les plateaux, lors de l'étape d'enroulement les creux sont dirigés vers l'axe d'enroulement ; au moins l'une des feuilles extérieure ou intérieure comprend une ouverture d'entrée de fluide pour introduire le fluide dans l'espace et au moins une ouverture de sortie de fluide pour extraire le fluide de l'espace, les feuilles ayant une première extrémité suivant la direction de l'enroulement à laquelle les ouvertures sont agencées, l'étape d'enroulement étant commencée à une deuxième extrémité opposée à la première extrémité ; l'espace formée est en forme de U, W ou de zig-zag, l'espace présentant des branches sensiblement rectilignes, le procédé comprenant en outre une étape de découpe des feuilles extérieure et intérieure entre au moins deux branches adjacentes pour former une échancrure ; et/ou le procédé comprend des étapes pour former un échangeur selon l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins, qui illustre plusieurs exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif et dans lesquels : - la Figure 1 est une vue en perspective des deux feuilles de tôles pour un échangeur en forme de spirale selon l'invention ; - la Figure 2 est une vue éclatée schématique de deux feuilles de tôles pour un échangeur en forme de spirale selon l'invention ; - la Figure 3 est une vue latérale des deux feuilles de tôles pour un échangeur selon l'invention avant connexion des deux feuilles ; - la Figure 4 est une vue latérale des deux feuilles de tôles pour un échangeur selon l'invention après la connexion des deux feuilles ; - la Figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'une partie des deux feuilles de tôles d'un échangeur selon l'invention après la connexion des deux feuilles ; - la Figure 6 est une vue en coupe dans un plan radial d'un échangeur en forme de spirale selon l'invention après un tour d'enroulement ; - la Figure 7 est une vue en coupe dans un plan radial de l'échangeur lors d'un montage dans un échappement ; - la Figure 8 est une vue schématique en perspective d'une feuille de tôle extérieure pour un échangeur en forme de spirale selon un deuxième mode de réalisation ; et - la Figure 9 est une vue de dessus d'une feuille de tôle extérieure d'un autre mode de réalisation pour un échangeur en forme de spirale selon l'invention.

Un premier mode de réalisation va être décrit avec l'ensemble des Figures 1 à 5. Les Figures 1 à 5 montrent de façon schématique un élément d'un échangeur 1 allongé avant l'enroulement pour former un échangeur en forme de spirale. L'élément 1 comprend deux feuilles de tôles 10, 20, notamment une feuille extérieure 10 et une feuille intérieure 20 qui sont fixées entre elles. Lors d'un enroulement de l'élément 1 autour d'un axe d'enroulement X (voir Figure 6), la feuille intérieure 20 se trouve radialement à l'intérieur par rapport à la feuille extérieure 10. L'élément 1 présente une direction d'enroulement Y suivant laquelle l'élément 1 est enroulé. La direction d'enroulement Y est sensiblement orthogonale à l'axe d'enroulement X. La longueur de l'élément 1 est définie suivant la direction d'enroulement Y et la largeur de l'élément 1 est définie suivant la direction de l'axe d'enroulement X. La feuille intérieure 20 a une épaisseur d, supérieure à une épaisseur de de la feuille extérieure 10. Typiquement, les feuilles ont une épaisseur entre 0,05 mm à 0,5 mm, en particulier entre 0,10 mm et 0,4 mm. L'enroulement de ces feuilles de tôles 10, 20 demande moins d'effort que l'enroulement des feuilles de tôle ayant une épaisseur supérieure, par exemple des tôles ayant une épaisseur de 0,6 mm à 1 mm. La feuille extérieure 10 et la feuille intérieure 20 ont subi une étape de déformation, par exemple par un emboutissage, et présentent après cette déformation chacune une pluralité de zones souples 12, 22 et une pluralité de zones rigides 14, 24. Les zones rigides et souples 12, 14, 22, 24 sont allongées parallèlement à l'axe de l'enroulement X et orthogonalement à la direction de l'enroulement Y. Les zones souples et les zones rigides 12, 14, 22, 24 sont agencées alternativement suivant la direction de l'enroulement Y. Les zones souples et rigides 12, 14, 22, 24 s'étendent sur toute la largeur de l'élément 1. La forme et l'arrangement des zones rigides et souples 12, 14, 22, 24 sont bien visible sur la Figure 5. Lors de la déformation, une pluralité de plateaux 15, 25, une pluralité d'arêtes 16, 26 et une pluralité de profils en creux 17, 27 sont formées respectivement dans la feuille extérieure 10 et dans la feuille intérieure 20. Les arêtes 16, 26 sont agencés entre les plateaux 15, 25 et les profils en creux 17, 27. Les plateaux 15, 25 forment les zones rigides 14, 24 et les arêtes 16, 26 et les profils en creux 17, 27 forment les zones souples 12, 22. Les zones souples 12 de la feuille extérieure 10 ont, suivant la direction de l'enroulement Y, une largeur inférieure par rapport à la largeur des zones souples 22 de la feuille intérieure 20. Dans la feuille extérieure 10, les profils en creux 17 ont, suivant la direction de l'enroulement Y, une largeur inférieure par rapport à la largeur des plateaux 15. Par exemple, les plateaux 15 de la feuille extérieure 10 ont une largeur sensiblement double de la largeur des profils en creux 17. Dans la feuille intérieure 20, les profils en creux 27 ont, suivant la direction de l'enroulement Y, une largeur supérieure à la largeur des plateaux 25. Par exemple, les profils en creux 25 de la feuille intérieure 20 ont une largeur sensiblement double de la largeur des plateaux 27.

Dans le mode de réalisation des Figures 1 à 5, la largeur des plateaux 25 de la feuille intérieure 20 correspond sensiblement à la largeur des profils en creux 17 de la feuille extérieure 10 et la largeur des plateaux 15 de la feuille extérieure 10 correspond sensiblement à la largeur des profils en creux 27 de la feuille intérieure 20. La feuille extérieure 10 et la feuille intérieure 20 sont agencées l'une sur l'autre avant leur connexion, de telle façon que les zones souples 12, 22, en particulier les profils en creux 17, 27, sont placées sensiblement l'une en face de l'autre. La feuille extérieure 10 est fixée à la feuille intérieure 20 dans un plan de fixation S avant l'enroulement de l'élément 1. Par exemple, la feuille extérieure 10 est fixée à la feuille intérieure 20 par un soudage. Lorsque les feuilles 10, 20 sont fixées l'une à l'autre, un espace 30 est formé entre la feuille extérieure 10 et la feuille intérieure 20 (voir Figure 5). L'espace 30 est prévu pour une circulation d'un fluide, par exemple de l'eau. Pour un fluide circulant dans l'espace 30, une section de passage minimale 32 est définie par l'espace entre le profil en creux 17 de la feuille extérieure 10 et les arêtes 26 de la feuille intérieure 20. Comme on le voit dans la Figure 5, chaque zone souple 12 et donc chaque profil en creux 17 de la feuille extérieure 10 présente sur toute sa longueur selon l'axe d'enroulement X une partie rectiligne qui se trouve au niveau du plan de fixation S. Egalement, les arêtes 26 et les plateaux 25 de la feuille intérieure 20 se trouvent dans le plan de fixation S.

L'élément 1 comprend, suivant la direction de l'enroulement Y, une première extrémité 34 et une deuxième extrémité 35. A la première extrémité 34 de l'élément 1, deux ouvertures 36, 37 sont prévues dans une zone de connexion 38 de la feuille extérieure 10, dont une premier ouverture 36 pour laisser entrer un fluide dans l'espace 30 et une deuxième ouverture 37 pour laisser sortir le fluide de l'espace 30. La zone de connexion 38 s'étend suivant la direction de l'axe de l'enroulement X, et les ouvertures 36, 37 sont prévues dans un plateau de connexion ayant une largeur supérieur par rapport aux plateaux 15. Dans un autre mode de réalisation, la distance entre les ouvertures 36, 37 selon l'axe d'enroulement X est plus grande ou plus petite par rapport au mode de réalisation montré dans la Figure 1. La feuille extérieure 10 est soudée à la feuille intérieure 20 le long d'une ligne de soudure 39 (ligne pointillée dans la Figure 1), qui est faite de telle façon, que l'espace 30 entre les deux feuilles 10, 20 allongées prend généralement une forme en U, dont les branches 40, 42 sont dirigées vers la première extrémité 34, où les ouvertures d'entrée et de sortie 36, 37 sont agencées. Une partie longitudinale 44 de la ligne de soudure 39 est agencée entre les branches 40, 42. Donc, lors de l'utilisation de l'élément 1, le fluide traverse, après être entré dans l'espace par la première ouverture 36, la première branche 40 vers la deuxième extrémité 42 pour y passer de la première branche 40 à la deuxième branche 42 dans laquelle le fluide traverse l'élément 1 de la deuxième extrémité 35 à la deuxième ouverture 37. Les zones rigides 14 de la feuille extérieure 10 présentent des parties en creux 46, en particulier dans les plateaux 15. Aux parties en creux 46, la feuille extérieure 10 vient en appui sur la feuille intérieure 20, en particulier sur les plateaux 24. Les parties en creux 46 sont faites pour stabiliser l'espace 30 de l'élément 1, en particulier pour éviter un effondrement de l'espace 30. Dans la mode de réalisation de la Figure 1, les parties en creux 46 de la feuille extérieure 10 sont respectivement alignées, dans les branches 40, 42, suivant la direction de l'enroulement Y. Néanmoins, dans d'autres modes de réalisation, les parties en creux 46 dans les zones rigides 14 peuvent être agencées d'une manière aléatoire.

Ci-dessous, l'assemblage de l'échangeur en forme de spirale est décrit. Dans une première étape, les feuilles extérieure 10 et intérieure 20 sont embouties pour former les zones souples 12, 22 et les zones rigides 14, 24. Ensuite, les feuilles extérieure et intérieure sont agencées de manière, à ce que les zones souples 12, 22 et les zones rigides 14, 24 soient positionnées respectivement les unes en face des autres (voir Figures 3 et 4). La feuille extérieure 10 est placée par rapport à la feuille intérieure 20 de telle façon que le passage du fluide soit garanti, et que la section de passage 32 de ce fluide soit constante même après l'enroulement. Ensuite, les feuilles extérieure 10 et intérieure 20 sont fixées entre elles par un soudage longeant la ligne de soudure 39, 44 pour rendre l'espace 30 entre les deux feuilles étanches par rapport à l'extérieur de cet espace et pour former la trajectoire en U pour un fluide traversant l'espace 30. La feuille extérieure 10 et la feuille intérieure 20 peuvent être fixées l'une à l'autre par une soudure à la mollette, par une soudure laser ou, par exemple, par un brasage. Dans une étape suivante, comme on le voit sur la Figure 6, la deuxième extrémité 35 de l'élément 1 est fixée à un tube central 48 pour l'enrouler l'élément 1 à partir de la deuxième extrémité 35. La feuille extérieure 10 se trouve radialement à l'extérieur de la feuille intérieure 20 lors de l'enroulement. Une fois l'élément 1 est enroulé, les ouvertures 36, 37 sont tournés vers l'extérieur. Un passage 50 est formé entre la feuille extérieure d'une couche et la feuille intérieure d'une couche successive de l'élément 1 enroulé, par lequel le gaz d'échappement passe pour transférer sa chaleur au fluide circulant dans l'espace 30 de l'élément 1. Dans un mode de réalisation, le tube central 48 est obstrué. Lors de l'enroulement, la pliure de la feuille extérieure 10 se fait dans les zones souples 12, en particulier dans la partie rectiligne au niveau du plan de fixation S dans les profils en creux 17. La pliure de la feuille intérieure 20 se fait au niveau des arêtes 26.

Alors, l'axe de pliage se situera entre les profils en creux 17 de la feuille extérieure 10 et les arêtes 26 adjacentes de la feuille intérieure 20 dans le plan de fixation S. Dans la feuille extérieure 10, les zones souples 12 sont une réserve de matière pour permettre lors de l'enroulement de l'élément 1 d'allonger la feuille extérieure 10. En tout cas, les arêtes 26 de la feuille intérieure 20 et les profils en creux 17 de la feuille extérieure 10 se comportent comme une charnière lors d'enroulements de l'élément 1. Donc, les déformations respectives de la feuille extérieure 10 et la feuille intérieure 20 sont différentes l'une de l'autre, pour permettre un allongement de la feuille extérieure par rapport à la feuille intérieure lors de l'enroulement de l'élément 1. Le nombre de couches d'enroulement est variable et dépend de l'utilisation de l'échangeur. Lors de l'enroulement, la section de passage 32 ne change pas beaucoup. La Figure 7 montre le montage de l'échangeur dans des demi-coquilles 52, 54 d'un échappement. Des tubes 56 sont fixés à l'ouverture d'entrée 36 et l'ouverture de sortie 37 et sont raccordés à des tubes 58 de l'une des demi-coquilles 54 de l'échappement. Les demi-coquilles 52, 54, une fois assemblées, constituent une partie d'un système d'échappement d'un moteur à combustion. A la fin, l'ensemble de l'élément 1 et le tube 48 est placé dans des demi-coquilles 52, 54, et un fluide est injecté par les tubes 56, 58 dans l'espace 30 de l'élément 1. Dans un mode de réalisation, la distance entre les ouvertures 36, 37 peut être réduite. Par exemple, les ouvertures peuvent être disposées pour que l'échangeur soit moins sensible aux variations dimensionnelles entre l'échangeur et les demi-coquilles 52, 54. En effet, dans un échangeur sans vaporisation du fluide, les feuilles extérieure et intérieure 10, 20 sont à la température du fluide alors que les demi-coquilles 52, 54 sont proches de la température du gaz d'échappement traversant les demi-coquilles. Dans d'autres modes de réalisation, qui sont décrits par rapport aux Figures 8 et 9, un fluide circulant dans l'échangeur est vaporisé et surchauffé. La Figure 8 représente de manière schématique un élément 101 d'un échangeur prévu pour vaporiser du fluide. Les éléments du mode de réalisation de la Figure 8 qui sont identiques ou qui assurent la même fonction que ceux du mode de réalisation des Figures 1 à 7 seront désignés par les mêmes références plus 100.

Il présente de la même façon des zones souples 112 et des zones rigides 114 pour permettre un enroulement avec des déformations maîtrisées. Le même principe que dans le mode de réalisation des Figures 1 à 7 est utilisé. Comme dans le mode de réalisation des Figures 1 à 7, un espace pour guider le fluide entre les deux feuilles 110 a une forme généralement en U avec une première branche 140 et une deuxième branche 142. En différence avec la Figure 1, la première branche 140 et la deuxième branche 144 sont séparées entre elles par une échancrure longitudinale 160 suivant la direction de l'enroulement Y. Une largeur L1 de la première branche 140 présentant l'ouverture d'entrée 136 est supérieure à une largeur L2 de la deuxième branche 142 présentant l'ouverture de sortie 137. Une section de passage pour le fluide dans l'espace dans la deuxième branche 142 est alors inférieure d'une section de passage pour le fluide dans l'espace dans la première branche 140. La largeur L2 de la deuxième branche 142 est entre 10% et 80% plus petite, en particulier entre 20% et 60% plus petite, que la largeur L1 de la première branche 140. Dans un mode de réalisation, la largeur L2 de la deuxième branche 142 est 33% plus petite que la largeur L1 de la première branche 140 pour un débit massique de 30 litres/heure. En fait, lors de fonctionnement de l'échangeur, le fluide entre sous forme liquide dans l'ouverture d'entrée 136, passe par la première branche 140, fait demi-tour à la deuxième extrémité 135, passe par la deuxième branche 142 et ressort de l'ouverture de sortie 137 sous forme gazeuse.

La Figure 9 illustre un autre mode de réalisation d'un élément 201 pour un échangeur en forme de spirale. En particulier, la Figure 9 montre un échangeur pour la vaporisation d'un fluide. La Figure 9 est une vue en dessus schématique d'une feuille extérieure 210 d'un élément 201. Les éléments du mode de réalisation de la Figure 9 qui sont identiques ou qui assurent la même fonction que ceux du mode de réalisation des Figures 1 à 7 seront désignés par les mêmes références plus 200.

La feuille extérieure 210 présente des zones souples 212 et des zones rigides 214 qui sont agencées alternativement en direction de l'enroulement Y. L'espace entre les feuilles 210 intérieure et extérieure est formé de telle façon que le fluide est guidé par une trajectoire en W (en inverse sur la Figure 9). Donc, l'élément 201 présente quatre branches 240, 241, 242 et 243. Dans d'autres modes de réalisation, l'élément a plus de quatre branches. Les branches 240, 241, 242 et 243 s'étendent respectivement suivant la direction de l'enroulement Y et présentent entre deux branches adjacentes respectives des échancrures 260, 262, 264 pour bien séparer l'une des branches des autres branches adjacentes. Les feuilles intérieure et extérieure 210 sont découpées par les échancrures 260, 262, 264. La première branche 240 est connectée à la deuxième branche 241 à la deuxième extrémité 235, la deuxième branche 241 est connectée à la troisième branche 242 à la première extrémité 234 et la troisième branche 242 est connectée à la quatrième et dernière branche 243 à la deuxième extrémité 235. L'élément 201 présente une ouverture d'entrée 236 et une ouverture de sortie 237. L'ouverture d'entrée 236 est agencée à la première extrémité 234 de la première branche 240. L'ouverture de sortie 237 est agencée dans la quatrième branche 243 à la première extrémité 234. En fait, lors du fonctionnement de l'échangeur, le fluide entre sous forme liquide dans l'ouverture d'entrée 236 et ressort de l'ouverture de sortie 337 sous forme gazeuse. Les branches présentent suivant la direction de l'axe d'enroulement une largeur L1, L2, L3, L4, la largeur des branches 240, 241, 242, 243 diminuant progressivement dans cet ordre. Par exemple, la largeur L2 de la deuxième branche 241 est diminuée de 33% par rapport à la largeur L1 de la première branche 240. Les largeurs L3, L4 respectivement de la troisième branche 242 et la quatrième branche 243 sont environ la moitié de la largeur L1 de la première branche 240. Dans un mode de réalisation, la première branche 240 a une largeur L1 d'environ 50 mm. Contrairement au mode de réalisation présenté par rapport aux Figures 1 à 8, les parties en creux 246 dans les zones rigides 214 des branches 240, 241, 242, 243, où la zone rigide 214 de la feuille extérieure 210 est en appui contre la zone rigide de la feuille intérieure, ne sont pas alignées en direction de l'enroulement Y pour créer plus de perturbations du fluide.

Lors de fonctionnement des échangeurs pour la vaporisation des Figures 8 et 9, le fluide est introduit dans l'élément 101, 201 de l'échangeur à une température de 80°C à 100°C et se vaporise, en absorbant la chaleur cédée par les gaz d'échappement. L'évaporation prend beaucoup d'énergie au gaz d'échappement et donc à cet endroit les températures des feuilles extérieure et intérieure sont les mêmes que celle du fluide. Ensuite la vapeur du fluide se comportera comme un gaz au fur et à mesure de sa surchauffe. La température finale de la vapeur surchauffée est de l'ordre de 200°C à 500°C voire plus suivant la pression. A proximité de la sortie 237 de la vapeur, la température des feuilles de l'échangeur est comprise entre celle de la vapeur et celle du gaz d'échappement. L'échangeur présente ainsi un grand gradient de température entre l'entrée du fluide dans l'échangeur (90°C à 100 °Celsius) et la sortie du fluide (400 à 650° Celsius). Pour cette raison, les échancrures 60, 260, 262, 264 sont formées dans les éléments 101, 201, car la dilatation thermique de chaque branche est différente. Sous forme gazeuse, le fluide a par exemple un volume 1680 fois plus important que sous forme liquide, ce qui veut dire qu'à débit massique égal le débit volumique est nettement plus important, et donc que sa vitesse est plus élevée. La vitesse finale de la vapeur est un paramètre très important pour bien vaporiser et surchauffer la vapeur. En effet, plus la vitesse est importante, plus les échanges de chaleur à la paroi de l'espace entre les deux feuilles sont bons. C'est pourquoi, on réduit la section de passage offert à la vapeur. Celle-ci est proportionnelle dans les modes de réalisation des Figures 8 et 9 à la largeur des branches. Ceci permet d'augmenter la vitesse et donc d'augmenter encore les échanges de chaleur. Par exemple, dans l'élément de la Figure 9, la première branche 240 présente une première zone qui correspond à une zone dans laquelle le fluide est chauffé jusqu'à l'apparition des premières microbulles (début de la vaporisation). Ensuite, la vaporisation va effectivement avoir lieu dans la deuxième branche 241. Le mouvement du fluide est accéléré dans la deuxième branche 241 en rétrécissant la section de passage pour favoriser la vaporisation. Dans la troisième branche 242 et la quatrième branche 243 la vapeur est transformée d'une vapeur humide ou saturée à une vapeur surchauffée. Là encore, la diminution de la section de passage permet d'augmenter la vitesse de la vapeur et donc les turbulences et donc le transfert de chaleur. Le fluide circulant dans l'échangeur selon l'invention est de l'eau ou un autre liquide. Dans un mode de réalisation le liquide est un fluide organique, par exemple l'éthanol.

Généralement, l'échangeur selon l'invention permet une grande flexibilité. Dans des modes de réalisation, la section du passage du fluide est gérée au fur et à mesure de sa transformation en vapeur surchauffée. Dans d'autres modes de réalisation, les sections de passage sont variées suivant les températures du gaz d'échappement attendues. Selon un mode de réalisation, la longueur des feuilles de tôle en direction de l'enroulement est variée en fonction de la qualité de vapeur voulue et de l'énergie disponible dans le gaz d'échappement.

Claims

REVENDICATIONS1. Echangeur en forme de spirale, l'échangeur ayant un axe d'enroulement (X) et comprenant une feuille extérieure (10 ; 110 ; 210) et une feuille intérieure (20 ; 120 ; 220) fixées l'une à l'autre dans un plan de fixation (S) avant l'enroulement et délimitant entre elles un espace (30) pour un fluide, la feuille extérieure (10 ; 110 ; 210) et la feuille intérieure (20 ; 120 ; 220) étant enroulées sur elles mêmes et comprenant chacune une pluralité de zones souples (12, 22 ; 112 ; 212) et une pluralité de zones rigides (14, 24 ; 114 ; 214), les zones souples étant plus flexibles que les zones rigides lors d'un pliage, caractérisé en ce que les zones souples et les zones rigides sont allongées suivant l'axe d'enroulement, et au moins une zone souple (12 ; 112 ; 212) de la feuille extérieure (10 ; 110 ; 210) et au moins une zone souple (22) de la feuille intérieure (20 ; 120 ; 220) qui délimitent entre elles l'espace (30) forment une paire de zones souples qui sont alignées dans une même direction radiale.
2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les zones souples (12, 22 ; 112 ; 212) de la feuille extérieure (10 ; 110 ; 210) et/ou de la une feuille intérieure (20 ; 120 ; 220) sont sensiblement rectilignes.
3. Echangeur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la majorité des zones souples (12 ; 112 ; 212), en particulier toutes zones souples (12 ; 112 ; 212), de la feuille extérieure (10 ; 110 ; 210), forment avec une zone souple (22) respective de la feuille intérieure (20 ; 120 ; 220) une paire de zones souples qui sont alignées dans une même direction radiale.
4. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, considérées en coupe en direction de l'enroulement (Y), les zones rigides (14, 24 ; 114 ; 214) sont formées par des plateaux (15, 25) et les zones souples sont formées par des profils en creux (17, 27) et des arêtes (16, 16) entre les profils en creux et les plateaux, les profils en creux étant en particulier formés vers l'axe d'enroulement (X).
5. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque zone souple (12 ; 112 ; 212), en particulier chaque profil en creux (17), de la feuille extérieure (10) présente sur toute une largeur de la feuille extérieure suivant la direction de l'axe d'enroulement (X) une partie rectiligne qui se trouve au niveau du plan de fixation (S), et en ce que chaque zone souple (12 ; 112 ; 212), en particulier chaque arête (26), de la feuille intérieure (20), présente sur toute sa longueur parallèlement àl'axe d'enroulement (X) au moins une partie rectiligne qui se trouve dans le plan de fixation (S) pour former une pluralité de charnières dans le plan de fixation (S).
6. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que une pluralité des zones rigides (14 ; 114 ; 214), en particulier une pluralité des plateaux (15 ; 115 ; 215), de la feuille extérieure est pourvue d'au moins une parties en creux (46 ; 146 ; 246), chaque partie en creux venant en appui contre une zone rigide (24) de la feuille intérieure (20).
7. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par au moins une ouverture d'entrée (36 ; 136 ; 236) de fluide pour introduire le fluide dans l'espace et au moins une ouverture de sortie (37 ; 137 ; 237) de fluide pour extraire le fluide de l'espace (30), la ou les ouvertures d'entrée et la ou les ouvertures de sortie étant agencées à une première extrémité de l'une de la feuille extérieure (10 ; 110 ; 210) ou la feuille intérieure (20) selon direction de l'enroulement, la première extrémité étant opposée à une deuxième extrémité à laquelle l'enroulement à commencé.
8. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'espace (30) est en forme de U, W ou de zig-zag, présentant des branches (40, 42 ; 140, 142 ; 240, 241, 242, 243) sensiblement rectilignes.
9. Echangeur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la feuille extérieure (10 ; 110 ; 210) et la feuille intérieure (20) sont fixées entre elles respective entre deux branches.
10. Echangeur selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la feuille extérieure (110 ; 210) et la feuille intérieure (20) présentent une échancrure (160 ; 260, 262, 264) respective entre deux branches (140, 142 ; 240, 241, 242, 243).
11. Echangeur selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu'un diamètre de passage moyenne dans l'espace (30) diminue entre la ou les ouvertures d'entrée (36 ; 136 ; 236) et la ou les ouvertures de sortie (37 ; 137 ; 237).
12. Echangeur selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que chaque branche a une largeur (L1, L2, L3, L4) sensiblement constante (40, 42 ; 140, 142 ; 240, 241, 242, 243) et la largeur des branches (L1, L2, L3, L4) suivant la direction de l'axe d'enroulement (X) d'au moins deux branches adjacentes (140, 142 ; 240, 241, 242, 243) diminue l'une par rapport à l'autre.
13. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la feuille extérieure (10 ; 110 ; 210) et/ou la feuille intérieure (20) est ou sont formées par une tôle.
14. Portion d'un échappement comprenant un échangeur selon l'une des revendications précédentes.
15. Procédé de fabrication d'un échangeur en forme de spirale comprenant les étapes suivantes : - emboutir dans une feuille extérieure (10 ; 110 ; 210) et une feuille intérieure (20) une pluralité de zones souples (12, 22 ; 112 ; 212) et une pluralité de zones rigides (14, 24 ; 114 ; 214), les zones souples étant plus flexible que les zones rigides lors d'un pliage et les zones souples et les zones rigides étant allongées suivant l'axe d'enroulement (X) ; - aligner la feuille extérieure (10 ; 110 ; 210) et la feuille intérieure (20) de façon que au moins une zone souple (12 ; 112 ; 212) de la feuille extérieure (10 ; 110 ; 210) et au moins une zone souple (22) de la feuille intérieure (20, 120, 220) forment une paire de zones souples qui sont alignées l'une avec l'autre ; - fixer de manière permanente la feuille extérieure (10 ; 110 ; 210) à la feuille intérieure (20) à des endroits prédéterminés pour former un espace (30) entre elles ; et - enrouler la feuille extérieure (10 ; 110 ; 210) et la feuille intérieure (20) pour former l'échangeur en forme de spirale.
16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que, considérées en coupe en direction de l'enroulement (Y), les zones rigides (14, 24 ; 114 ; 214) sont formées par des plateaux (15, 25) et les zones souples sont formées par des profils en creux (17, 27) et des arêtes (16, 16) entre les profils en creux et les plateaux, lors de l'étape d'enroulement les creux sont dirigés vers l'axe d'enroulement.
17. Procédé selon l'une des revendications 15 à 16, caractérisé en ce que au moins l'une des feuilles extérieure (10 ; 110 ; 210) ou intérieure (20) comprend une ouverture d'entrée de fluide (36 ; 136 ; 236) pour introduire le fluide dans l'espace et au moins une ouverture de sortie (37 ; 137 ; 237) de fluide pour extraire le fluide de l'espace, les feuilles ayant une première extrémité (34 ; 134 ; 234) suivant la direction de l'enroulement (Y) à laquelle les ouvertures sont agencées, l'étape d'enroulement étant commencée à une deuxième extrémité (35 ; 135 ; 235) opposée à la première extrémité.
18. Procédé selon l'une des revendications 15 à 17, caractérisé en ce que l'espace (30) formée est en forme de U, W ou de zig-zag, l'espace (30) présentant des branches(140, 142 ; 240, 241, 242, 243) sensiblement rectilignes, le procédé comprenant en outre une étape de découpe des feuilles extérieure (110 ; 210) et intérieure (20) entre au moins deux branches adjacentes pour former une échancrure (160 ; 260, 262, 264).
19. Procédé selon l'une des revendications 15 à 18, caractérisé en ce qu'il comprend des étapes pour former un échangeur selon l'une des revendications 1 à 13.