WO2004106834A2 - Echangeur de chaleur a plaques, notamment refroidisseur des gaz d’echappement recircules - Google Patents

Echangeur de chaleur a plaques, notamment refroidisseur des gaz d’echappement recircules Download PDF

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WO2004106834A2
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Carlos Martins
Michel Potier
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Valeo Thermique Moteur
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    • F28F2250/102—Particular pattern of flow of the heat exchange media with change of flow direction

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger for the heat exchange, between gases to be cooled and a coolant, comprising a heat exchange bundle constituted by a stack of plates determining between them channels for circulation of the gases to cool and coolant circulation channels.
  • the heat exchange bundle is surrounded by an envelope comprising a first end wall contiguous to a first end plate of the bundle and a second end wall contiguous to a second end plate of the bundle , each end wall of the envelope defining a coolant circulation channel with the bundle end plate with which it is associated.
  • the end plates are associated with the walls of the casing.
  • the first and second end walls of the envelope have the general shape of a rectangle.
  • the inlet tubing and the outlet tubing for the coolant are located on the same end wall of the envelope and along the same side of the rectangle, in particular the short side of this rectangle.
  • the coolant supply and discharge pipes are close to each other.
  • the inlet flange and the outlet flange of the gases to be cooled are located on the same end wall as the inlet and outlet pipes for the coolant. In this way, all the connections are located on the same side of the exchanger.
  • the shell of the exchanger can be produced in many different ways.
  • the gas inlet and outlet flanges are connected to the enclosure at the level of the free spaces. Thus, it is not necessary to make and report separate inlet and outlet manifolds.
  • the construction of the exchanger is simplified.
  • FIG. 4 is a partial sectional view on an enlarged scale along the line IV-IV of Figure 2.
  • the heat exchanger shown in Figures 1 to 4 is a cooler of recirculated exhaust gases from an internal combustion engine of a motor vehicle. Indeed, the temperature of these gases is high and can reach 500 ° C at their exit from the engine. It is therefore necessary to cool them before re-mixing them with the fresh gases admitted into the combustion chambers. This cooling is carried out by heat exchange with a cooling liquid, generally brine.
  • the upper half-casing 6 has a flat end wall 24 surrounded by a peripheral rim 26.
  • the lower half-casing 7 has a lower end wall 28 surrounded by a peripheral rim 30.
  • the peripheral rim 26 of the upper half-casing and the peripheral rim 30 of the lower half-casing meet along a joint plane so as to constitute a sealed envelope which entirely contains the bundle 2 of the exchanger.
  • each channel 44 for circulation of the gases to be cooled is between two channels for circulation of the coolant.
  • the cooler shown in the example comprises two circulation channels 44 each surrounded, respectively, by a channel 40 and by the central channel 42. Thanks to this characteristic, the upper half-casing 6 and the lower half-casing 7, and particularly the bottom walls 24 and 28 of these half-casings are not in contact with the gases to be cooled. On the contrary, the walls 24 and 28 are cooled by the circulation of the coolant in the channels 40.
  • the temperature of the walls 24 and 28 is thus considerably lowered compared to the temperature of the end walls of a conventional exchanger. It can for example be of the order of 200 ° C.
  • These walls can therefore be made of a material which is less resistant to temperature, such as aluminum. This advantage is appreciable because aluminum is easier to work and costs less than stainless steel.
  • the general shape of the half-casings 6 and 7 corresponds to the shape of the beam plates.
  • the half-casings have extensions 48 located on either side of the elongated sides of the plates of the exchanger. In this way, free spaces are defined on either side of the inlet and the outlet of the channels 44 for circulation of the gases to be cooled. These free spaces make it possible respectively to constitute an inlet manifold box and an outlet manifold box for the exhaust gases. They extend over the entire length of the plates, and particularly over the entire length of the channels 44.
  • the extensions 48 have a very flat triangle shape. It goes without saying that they could have other shapes, for example a substantially rectangular shape.
  • the fixing flanges 36 and 38 respectively intended for fixing a supply pipe and a pipe for discharging the gases to be cooled are arranged on the extensions 48 of the upper casing 6.
  • a flange 36 could be arranged on a half-casing, while the other flange 38 would be arranged on the other half-casing.
  • the exhaust gas cooler which has just been described has a very flat shape, due in particular to the small number of plates which it comprises. Its size is therefore small and it can be easily attached to another exchanger, for example a cooler of charge air.

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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 refroidlsseur des gaz d'échappement recirculés .
L'invention concerne un echangeur 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 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 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 echangeur de chaleur, appelé echangeur de refroidissement des gaz recirculés. Les échangeurs connus de ce type sont généralement réalisés en acier inoxydable. Ils comportent un faisceau composé d'intercalaires et de plaques munies d'un rebord extérieur conçu pour assurer 1 ' 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 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 difficile à mettre en forme. L'invention a pour objet un echangeur 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 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 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. II 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 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 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 avec chacune d'elles un canal de circulation du liquide de refroidissement. Cette caractéristique permet de réaliser un echangeur de chaleur très plat, peu encombrant, qui peut être monté aisément sur un autre echangeur, par exemple un refroidisseur de l'air de suralimentation du moteur.
Avantageusement, les plaques comportent des nervures qui 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 déc'oupée une ouverture de 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 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! echangeur, les plaques d'extrémité sont associées aux parois de l'enveloppe.
Généralement, la première et la seconde paroi d'extrémité de 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 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 1 ' 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 l'échangeur de manière à constituer un carter.
Chaque paroi d'extrémité peut ainsi constituer un demi- carter, ces deux demi-carters se raccordant selon un plan de joint situé à mi-hauteur du faisceau d'échange de chaleur. Ou 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 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 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 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 echangeur 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 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, 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 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 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 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 demi-carter inférieur 7 comporte une paroi 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 êtanche 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 demi-carters sont assemblés, la paroi d'extrémité supérieure 24 du demi-carter supérieur vient en appui sur le rebord périphérique 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'exemple, 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 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 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 refroidissement. 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 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 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. Simultanément, 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 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 circulation du liquide de refroidissement. Le refroidisseur représenté dans 1 ' 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 demi-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 des parois 24 et 28 est ainsi considérablement abaissée par rapport à la température des parois d'extrémité d'un echangeur 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 l'aluminium. Cet avantage est appréciable parce que 1 ' 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 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 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, 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 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 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 faible nombre de plaques qu'il comporte. Son encombrement est donc peu important et il peut être fixé aisément sur un autre echangeur, par exemple un ref oidisseur d'air de suralimentation.

Claims

Revend!cations
1. Echangeur de chaleur pour 1 ' échange de chaleur entre des gaz à refroidir et un liquide de refroidissement, comprenant 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 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 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 refroidissement avec la plaque d'extrémité (8, 10) à laquelle elle est associée.
3. Echangeur selon la revendication 2 dans lequel lesdites première et deuxième parois d'extrémité (24,28) sont en alliage d'aluminium.
4. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 3, caractérisé en ce que les plaques (8, 10, 12) sont des 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, 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.
5. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à
4, 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.
6. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à
5, 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) d'une paire de plaques (12) étant en appui respectivement sur les bossages des paires de plaques adjacentes.
7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à
6, caractérisé en ce que la première et la deuxième paroi 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.
8. Echangeur de chaleur selon la revendication 7, 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.
9. Echangeur selon l'une des revendications 7 ou 8, 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 sortie (32, 34) du liquide de refroidissement.
10. Echangeur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'une au moins des parois d'extrémité (24, 28), comporte un rebord périphérique (26) qui enveloppe au moins partiellement le faisceau (2) d'échange de chaleur de manière à constituer un carter.
11. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'enveloppe délimite des espaces 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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