Brevet FR2010517A1 — publié le 19700220

La présente invention concerne des échangeurs de chaleur. I1 était difficile jusqutici de fabriquer des blocs dréchangeurs de chaleur qui ne sont pas de dimension classique à cause du mode de construction du bloc qui implique l'utilisation d'un grand nombre de tubes qui doivent Etre fixés à la-matrice. Un échangeur de chaleur suivant la présente invention comprend un certain nombre de paires de plaques; les plaques de chaque paire étant fixées autour de leurs bords et étant conformées de façon que, lorsqu'elles sont fixées ensemble, un ou plusieurs passages inter nos s'étendent entre les plaques, une ou les deux extrémité's de; chacune des plaques présentant un ou plusieurs trous qui les tra- versent et qui communiquent avec le ou les passages internes, les paires de plaques étant fixées ensemble de façon que les trous de chaque paire communiquènt entre eux. Une' telle structure peut être facilement constituée à des dimensions qui ne sont pas classiques, étant donné que si l'on conserve en stock une réserve de plaques de diverses longueurs, il suffit alors de fixer les plaques ensemble, par exemple par eoudage ou brasage ,pour produire 1 échangeur de chaleur. Une surface secondaire de n'importe quelle forme voulue'peut Outre fixée entre les paires de plaques. tes plaques sont de préférence déformées à chaque extrémité de manière à constituer une chambre lorsqu'elles sont fixées ensemble, la chambre présentant un ou plusieurs trous dans chaque face latérale, les paires de plaques étant 'fixées ensemble,:de façon que les trous d'une paire soient alignés avec ceux des paires adjacentes, les chambres formant en fait des réservoirs à chaque extrémité. Si on le désire, certains des trous de communication peuvent être fermés pour former un agencement à plusieurs passages. L'échangeur de chaleur suivant la présente invention peut être utilisé comme composant d'un radiateur, par exemple un radiateur de véhicule, un appareil de chauffage, par exemple un appareil de chauffage de véhicule ou une chaudière, par exemple une chaudière chauffée au gaz. Lorsque l'échangeur de chaleur doit entre utilisé dans un appareil de chauffage, les plaques de chacune de ces paires sont conformées de façon que ,lorsqu' elles sont réunies, le passage interne créé s'étende le long d'un c8té des plaques, tourne sur 1800 et repasse ensuite le long de l'autre côté, les deux trous des plaques communiquant entre eux et avec les trous des autres deux paires de plaques, les/trous se trouvant à la même extrémité. Un fluide chaud, par exemple l'eau provenant du moteur du véhicule, peut entre alors mis en circulation entre les plaques de chaque paire depuis la chambre formée autour d1une série de trous de communication vers la chambre formée autàur: dè' l'autre série de trous de communication et l'air refoulé entre les paires de plaques, de préférencé sur une surface second'alre,est ainsi chauffé avant d'être introduit dans lé compartiment réservé aux passagers d'un véhicule. Une autre surface secondaire peut-être prévue dans le passage formé entre les plaques de chaque paire. Ceci non seulement donne un échangeur de chaleur plus efficace, mais augmente égalemen't-- la résistance mécanique de l'ensemblé. A cause du l'augmentation marqués du rendement d'un échangeur de chaleur selon la présente invention,en comparaison du type ~classique à tubes-et ailettes, il est possible que la surface secondaire soit én acier doux ou en aluminium au lieu d'être en cuivre, l'acier doux ou l'aluminium étant de préférence enduits d'une soudure ou de silicone, respectivenement,pour améliorer la liaison.Ceci permet dè réaliser une économie-plus-importante sur les frais de matériaux et on pensé en outre qu'il est possible d'obtenir un degré suffisamment bon d'échange de chaleur, par exemple pour un véhicule normal,en utilisant de l'aluminium pdur tout 1'en- semble, y'compris les plaques. En outre, l'échange de chaleur peut être monté beaucoup plus facilement et avec moins de main-d'oeuvre qu'un échangeur de chaleur d'un t'ype classique. Lorsque l'échangeur de chaleur doit faire partie d'une chaudière, il est monté de préférence au-dessus d'un brûleur, par exemple un bradeur à gaz naturel, et les produits de combustion ou chambre chauds sont contraints par un tuyau/de tirage à s'écouler entre les paires de plaques, tandis que l'eau qui peut entre préalablement chauffée en passant à travers une chemise entourant le tuyau de tirage,qutelle refroidit,stécoule entre les plaques de chaque paire. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif,plusieurs formes de réalisation de l'invention. Sur ces dessins la figure 1 est une élévation en partie en coupe d'une forme de réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention ; la figure 2 est une vue en bout correspondant à celle de a figure 1 ; la figure 3 est une vue en perspective, en partie en arrachement d'une paire de plaques de l'échangeur de chaleur de la figure 1 ;; la figure 4 est une vue en perspective d'une variante de la conPtruction d'une plaque les figures 5 à 7 sont des vues en perspective, en partie en arrachement, dtune autre disposition des extrémités de plaques la figure 8 est une vue schématique en perspective, en partie en arrachement de la plaque inférieure d'une paire de plaque et de la plaque supérieure dcune paire relativement inférieure d'une autre forme de réaliBation de l'échangeur de chaleur la figure 9 est une vue analogue à celle de la figure 8 d'une extrémité des plaques adjacente de deux paires d'une autre forme de réalisation ; et la figure 10 est une vue schématique en perspective d'un échangeur de chaleur selon l'invention incorporé dans une chaudière à gaz nsturel. En se référant aux figures 1 à 3, l'échangeur de chaleur comprend un certain nombre de paires de plaques 2 et 4, chaque plaque présentant des évidement longitudinaux 6 pour former des passages internes réservés au liquide s'étendant le long des plaques,lorsqutelles sont fixées ensemble autour de leurqbords. Chaque extrémité de chaque plaque est déformée de façon que, lorsque les plaques sont fixées ensemble, une chambre 8 soit formée à chaque extrémité de chaque paire de plaque, chaque chambre commu niquant avec les passages 6 le long de la plaque par des trous 10 ménagés dans un anneau de renforcement l2 s'étendant autour de la chambre, comme on peut le voir sur la figure 3. Chaque plaque est traversée par un trou 14 à chaque extrémité, de sorte que les cham- bres débouchent dans des chambres adjacentes,lorsque les paires de plaques sont fixées ensemble. Les paires de plaques/sont fixée ensemble de façon que les chambres communiquent avec les chambres des paires acjacentes, et une surface secondaire ,sous la forme d'une bande sinusoïdale, s'étend entre chaque paire de plaques, les sommet s de la bande 16 étant fixés aux plaques adjacentes de'la paire adjacente. Etant donné que les chambres des plaques communiquent entre elles, elles forment des réservoirs collecteurs, et le liquide ou le gaz peut passer à travers les collecteurs et les passages 6 pour échanger la chaleur avec un gaz ou un liquide s'écoulant entre les paires de plaques. Le sens d'écoulement du liquide ou du gaz dans l'échangeur de chaleur est indiqué par les flèches A. La communication entre une chambre quelconque et une chambre adjacente peut être interrompue par l'introduction d'un disque ou élément analogue ,comme celui indiqué en 18 , de façon que le liquide ou le gaz ne puissent pas passer sur toute la longueur du réservoir à une extrémité, mais doive pluttt changer de direction d'écoulement. L'échangeur de chaleur qui est particulièrement approprié pour être utilisé dans un véhicule comme radiateur eut être supporté par des éléments de portée (qui forment également un joint d'entrée et de sortie articulé pour le fluide, ceci/s'appliquant en particulier à des véhicules de guerre ou autre application dans lesquels un échangeur de chaleur articulé est nécessaire), comme celui rprsenté en 20 qui sont-introduits dans les chambres externes et fixés à ces dernières, tin boulon ou tirant 22 s'éten- dant entre les éléments de portée 20 et passant à travers les trous ménagés dans les chambres restantes, de façon qu'en serrant gécou 24 stu le boulon ou tirant, la paire des plaques ou segments constituant les paires de plaques soient tirés les uns contre les autres, cette application convenant en particulier pour une construc tion en alliage légé, les anneaux de renforcement 12 s'opposant à toute déformation lors du serrage du ou des écrous sur le boulon ou tirant. Si on le désire, les plaques peuvent entre conformées de façon qu'un seul passage s'étende entre elles, comme représenté sur la figure 4, ltécoulement étant interrompu par-des parties embouties 26 pour provoquer une turbulence -et favoriser l'échange de chaleur. Dans la construction/représentée sur la figure 5s le coude d'extrémité de la bande 16 formant la surface secondaire est fixé en 28 à un épaulement 30 faisant partie de la paroi de la chambre et les bords externes des chambres sont fermés par un joint de blocage 32 et sont également brasés, soudés ou fixés d'une autre façon. Aucun anneau de-renforcement n'est prévu dans les passagee formés entre les plaques débouchant directement dans les chambres. La construction représentée sur la figure 6 estZanalogue à celle de la fixée 5 Rn ce sens que la bande l6 formant la surface secondaire est fixée directement à-ia paroi de la chambre, mais dans ce cas,une bande de renforcement 34 est-placée autour de chaque chambre. Da configuration d'extrémité- représentée sur: la figure 7;est analogue à celle de la figure 5, mais les chambres sont rectangu- laires au lieu autre cylindriques. On se rend compte que les paires de plaques permettentgaé monter-rapidemént un bloc d'échangeur de chaleur d!une dimension quelconque et que l'échangeur de chaleur ainsi obtenu est plus léger et utilise moins de matériau que les échangeurs de chaleur classiques. On examinant les figures 5 à 7,on voit qu'il n'est pas indispensable que les deux plaques d'une paire soient de forme identique, mais chaque paire de plaques est normalement identique aux autres paires de plaques. Si l'échangeur de chaleur doit 8treCtilisé comme radiateur domestique, le liquide passe dans les passages internes à une température supérieure à celle des gaz passant sur ces surfaces externes. La construction représentée sur les figures 8 et 9 convient en particulier, mais pas exculsivement ,pour un appareil de chauffage de véhicule et l'eau chaude provenant du moteur du véhicule peut circuler entre les plaques de chaque paire et l'air refoulé entre les paires de plaques par une conduite et sur unisurface secondaire est alors chauffé avant autre indroduit dans le compartiment réservé aux passagers du véhicule. En se référant maintenant à la figure 8, chaque plaque 36 présente une nervure centrale emboutie 38 qui s'étend depuis une ex trémité jusqu'à un point situé au voisinage de l'autre extrémité de façon que,lorsque deux plaques sont réunies autour de la nervure surélevée externe 40, les deux nervures 38 des plaques soient également réunies, de manière à laisser entre les plaques un passage s'étendant depuis une chambre d'entrée 42 d'un côté de la plaque le long de ce côté de la plaque,d'un côté des nervures 38,autour de l'autre extrémité dé la plaque entre l'extrémité de la nervure 38 et le bord 40 pour revenir de l'autre côté de la plaque vers la chambre de sortie 44. Chaque plaque présente deux trous 46 ménagés à l'une de leurs extrémités, un trou pour chaque chambre 42 et 44,et les trous des paires de plaques sont disposés de façon à communiquer entreeux, de sorte que les chambres 42 et 44 des paires de plaques communiquent également pour former des réservoirs, ces derniers étant séparés l'un de-l'autre, mais se trouvant tous deux à la mime extrémité des plaques. Ceci signifie que la surface secondaire 48,qui s'étend entre les paires de plaques et-a la forme d'une-)ande métallique sinusoIdale,peat s'étendre directement jusqu'à l'extrémité des plaques qui est opposée à celle occupée par les chambres. L'eau ou autre fluide s'écoulant dans les passages dans le sens indiqué par les flèches "B" effectue un écoulement dans deux directions et l'air s'écoulant entre les plaques et sur la surface secondaire 48,dans le sens indiqué par la flèche "C",est en relation de transmission de chaleur avec l'eau chaude s'écoulant entre les paires de plaques. Chaque plaque présente également des nervures 50 s'étendant le long des passages réservés au fluide entre les plaques et constituant une surface primaire supplémentaire pour augmenter le rendement de l'échangeur de chaleur entre le fluide s'écoulant entre les plaques et celui s'écoulant entre les paires de plaques. La forme de réalisation représentée sur la figure 9 est essentiellement analogue à celle décrite en se référant à la figure 8, excepté qu'unie plaque secondaire supplémentaire est disposée dans les passages formés entre les plaques. Cette surface est constituée par un élément embouti séparé 52 présentant un nombre assez important de nervures et elle est située (une de chaque côté de la plaque) entre les plaques de chaque paire. Cette surface secondaire supplémentaire peut titre faite en une ou plusieurs pièces à partir d'un métal lisse déployé ou perforé. Dans ce cas, les nervures sont creuses,en permettant au fluide de s'écouler entre les nervures ainsi que sur elles, et l'élément 52 est découpé à peu de distance de l'extrémité des plaques, non représentées sur la figure 9, pour permettre au fluide de tourner de 1800 à cette extrémité, ou bien il est conformé comme représenté pour constituer des passage continus. L'extrémité du bloc ,qui ne présente pas de chambre ,peut entre iercde par une plaque s'étendant sur toute la hauteur du bloc et relise au bord d'extrémité de chaque paire de plaque et à la surface d'extrémité de chaque bande constituant la surface secondaire, placée entre les plaques. On se rend compte que des anneaux de renforcement peuvent entre prévus en des points critiques, par exemple autour des trous de sortie 46, si nécessaire, au cas où un fluide à haute pression passe entre les plaques, les nervures 38 et 50 étant maintenue ensemble mécaniquement par des rivets, des oeillets, des tiranta, etc. Si le bloc de lféchangeur de chaleur est entièrement en aluminium revêtu de silicium, il peut être construit en assemblant approximativement les pièces en position et en plaçant ensuite tout l'ensemble dans un four et en le soumettant à une cuisson sous pression latérale jusqu'à ce que tous les joints soient soudés par fusion. Des matériaux comme l'acier inoxydable peuvent également cotre utilisés et on peut avoir recours à des techniques de fabri- cation comme le soudage et le brasage, pour rdunir les plaques, les paires de plaques et la surface secondaire. Si on le désire, les plaques peuvent être coulées en une seule pièce avec des ailettes externes qui forment une surface d'échange de chaleur secondaire. On peut utiliser des pièces coulées de tout type, comme des pièces coulées sous faible pression ou une @ cou- lée de precision en cire fondue, les pièces coulées étant formées de manière à présenter la moitié des passages internes, de façon que deux plaques coulées soient maintenues ensemble, par exemple par des tirants, et rendues étanches par une bague torique pour former des paires de plaques et les paires de plaques étant également maintenues ensemble pour former un bloc d'échangeur de chaleur. Normalement, dans ce cas, une gorge réservée à une bague torique est ménagée autour du rebord externe de chaque plaque, et les ailettes qui sont coulées sur la face externe de chaque plaque sbnt au même niveau que la face des chambres à l'extrémité de la plaque, de manière à venir en contact avec les ailettes correspondantes d'une plaque d'une paire adjacente. Ce type d'ensemble coulé permet un assèchement pour nettoyer les passages internes et convient en particulier pour des liquides imbibables, comme le lait, la bière, etc. On se rend également compte que l'échangeur de chaleur représenté sur les figures 8 et 9 pourrait être utilisé comme radiateur ou chaudière et dans ce dernier cas, la surface secondaire disposée entre les paires de plaques serait directement chauffée. Si l'échangeur de chaleur doit être utilisé comme une chaudière, la construction pourrait Outre en acier inoxydable épais. Le liquide passe dans les passages internes et la température est ensuite élevée par application de gaz chaud ou de flammes aux surfaces externes. L'utilisation de l'échangeur de chaleurs comme celui décrit en 8e référant aux ligures 8 et 9 dans son application a une chaudiere,est représenté sur la figure 10. Un brûleur à gaz naturel,désigné d'une façon générale par 54, est placé au-dessous d'une chambre de tirage 56, l'échangeur de chaleur étant désigné d'une façon générale par 58 et étant placé au sommet de la chambre de tirage. Le brûleur comprend un certain nombre de tubes de petites dimen sions ayant des tubes hexagonales 60. l'air comburant passe à travers ces tubes pour s'allumer avec le combustible entrant dans le brûleur par entrée 62 et s'écoulant autour de la rangée de tubes et vers le haut, comme indiqué par les flèches 64 ,entre les têtes hexagonales des tubes. Les gaz de combustion chauds montent ensuite à travers la chambre de tirage 56 qui est refroidie par une chemise alimentée en eau depuis une entrée 66, et ils passent à travers ltéchangeur de chaleur en s'écoulant sur les bandes 48 formant les surfaces secondaires entre les paires de plaques 36. L'eau préalablement chauffée par son passage à travers la chemise de la chambre de tirage s'écoule dans la chambre d'entrée 42 par une conduite de branchement 68 et circule autour des passages entre les diverses paires de plaques où elle est chauffée et elle sort finalement de la chambre de sortie 44 par une-conduite de sortie 70 pour s'écouler dans les radiateurs ou éléments équivalents. Si on le désire, un ventilateur peut entre prévu au-dessous du brtleur pour favoriser la circulation de l'air et réduire la hauteur de la chambre de tirage. On se rend naturellement compte que le type particulier du bradeur utilisé nta pas une importance primordiale. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur caractérisé en ce qu'il comprend un certain nombre de paires de plaques, les plaques de chaque paire étant conformées de façon que,lorsqutelles sont fixées ensemble en relation face à face, un ou plusieurs passages internes s'étendent entre les plaques , une ou les deux extrémités des plaques étant traversées par un ou plusieurs trous communiquant avec les passages internes, les paires de plaques étant fixées ensemble ,de façon -que les trous de chaque paire communiquent avec les trous correspondants des paires adjacentes. 2. Echangeur de chaleur selon la rovendication 1, caractérisé en ce que la matière formant la "surface secondaire" est fixée entre certaines des paires adjacentes de plaques ou toutes les paires. 3. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les plaques sont déformées à une ou à chaque extrémité,de manière à constituer au moins une chambre lorsque deux plaques d'une paire sont fixées ensemble, la chambre présentant un ou plusieurs trous dans chaque face latérale, les paires de plaques étant fixées ensemble, de façon que les trous dtune paire soient alignés avec ceux des paires adjacentes, les chambres ainsi reliées formant des réservoirs. 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les passages formés entre les plaques de chaque paire s'étendent le long des plaques d'une extrémité à l'autre et d'une chambre formée à une extrémité jusqu'à une chambre formée à l'autre extrémité , les chambres des paires adjacentes de trous à chaque extrémité étant reliées pour constituer un réservoir d'entrée et un réservoir de sortie ,respectivement, 5.Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les plaques de chaque paire sont conforméeide façon que, lorsqu'elles sont réunies, le ou les passages internes s'étendent le long d'un côté des plaques pour tourner de 1800 et pour revenir ensuite le long de l'autre c8té des deuwplaques, les trous ménagés dans les plaques, qui communiquent avec les trous des plaques adjacentes et qui forment alors les réservoirs d'entrée et de sortie étant situés tous deux à la mQme extrémité des'plaques. 6. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes,caractérisé en ce que certains des trous de communication des paires de plaques sont fermés de manière à constituer un agencement à plusieurs passages. 7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des éléments sont disposés dans les passages ménagés entre les plaques pour provoquer une turbulence et favoriser l'échange de chaleur. 8. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes,caractérisé en ce qu'unie surface secondaire est prévue dans le ou les passages s'étendant entre les plaques de chaque pai- re. 9. Echangeur de chaleur selon ltune des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque plaque est coulée et présente des ailettes externes qui viennent en contact avec les ailettes correspondantes de la plaque adjacente d'une paire adjacente pour former une surface secondaire dans le passage s'étendant entre les plaques des paires adjacentes. 10. Radiateur caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes. 11. Appareil de chauffage caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 9 et en ce qutil est agencé de façon qu'un liquide chaud passant entre les plaques de chaque paire transmette sa chaleur à un gaz qui est refoulé entre les paires de plaques. 12. Chaudière caractérisée en ce quelle comprend un échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 9 et en ce que les gaz de combustion provenant d dtun brflleur passent entre les paires de plaques pour chauffer un fluide s'écoulant entre les plaques de chaque paire.