Brevet FR2272362A1 — publié le 19751219

La présente invention concerne une nouvelle structure de plaque-échangeur de chaleur et plus particulièrement un échangeur de chaleur formé de telles plaques empilées, alternées, en contact les unes avec les autres, chaque jeu de plaques alternées étant relié pour pouvoir faire circuler un fluide différent dans chacun des jeux de plaques alterne-pour assurer un transfert de chaleur d'un fluide à l'autre. Les plaques sont munies d'ailettes externes permettant de faire circuler un troisième fluide d'échange de chaleur tel que de l'air entre elles et assurer ainsi un échange de chaleur entre le fluide externe et l'un des deux fluides acheminé dans chaque Jeu respectif de plaques alternées. Les échangeurs de chaleur formés de plaques empilées ont été conçus jusqu'alors pour assurer le transfert de chaleur d'un fluide à un autre par l'intermédiaire de plaques de contact. Ces échangeurs de chaleur utilisent plusieurs plaques conductrices de la chaleur ou plaques de transfert minces qui sont assemblées face à face, à distance l'une de l'autre, de manière à constituer de multiples espaces, ou chambres, de faible profondeur pour la circulation du fluide.Elles sont séparées llune de l'autre par des plaques et sont reliées par des passages de circulation ou raccordements de telle manière que les fluides ou les courants de fluides à des températures différentes peuvent circuler à travers ces passages de circulation sur les côtés opposés deaet et en contact avecsschaque plaque de transfert de chaleur pour assurer 1 'échange de la température d'un fluide ou d'un courant de fluide à autre. Un type d'échangeur de chaleur comprend une série de plaques reliées les unes aux autres, contenant un fluide à refroidir, qui sont séparées par des entretoises ou structures d'ailetts pour permettre la circulation d'air entre les plaques. L'air qui circule agit comme un agent de refroidissement pour le fluide qui circule à travers les plaques empilées. D'autres types d'échangeurs utilisent des plaques qui sont normalement placées parallèlement et à distance les unes des autres avec des entretoises entre elles; le fluide de refroidissement circule à travers un groupe de plaques et dans les plaques alternées, circule le fluide à refroidir.Dans toutes ces conceptions, on compte sur un contact intime des plaques pour assurer un transfert de chaleur efficace d'une plaque acheminant un fluide à une plaque ou entretoise, pour un second fluide. Des plaques acheminant un fluide tampon entre le fluide de refroidissement et le fluide à refroidir ont également été utilisées. Normalement,ceci entraîne un ensemble compliqué et une fabrication difficile. C'est un premier objet de la présente invention de prévoir une nouvelle structure de plaque-échangeur de chaleur prévue pour être utilisée dans un échangeur de chaleur formé de plaques empilées dans lequel chaque plaque est pourvue d'une paire de collecteurs reliés par une partie centrale, les collecteurs s'étendant transversalement d'un bord à l'autre des extrémités opposées de la structure de la plaque. La structure de la partie centrale relie les collecteurs et chacun d'eux comporte un conduit constituant un orifice d'arrivée ou de sortie pour la plaque. Les plaques sont-empilées, la moitié des plaques étant inversée et intercalée entre l'autre moitié des plaques pour former un échangeur de chaleur. C'est un autre objet de la présente invention de prévoir un nouvel ensemble d'échangeur de chaleur dans lequel lepremier et le second jeu de plaques empilées sont en liaison thermique directe avec un moyen commun de surfaces secondaires d'échange de chaleur à travers lequel il est prévu de faire passer un fluide tel que de l'air. Cette invention concerne un nouvel échangeur de chaleur compact, qui peut être utilisé dans des dispositifs de conditionnement d'air et de chauffage pour automobiles et qui assure la fonction d'échangeur de chaleur ou de serpentin évaporateur, c'està-dire qu'il sert au chauffage et au refroidissement. La commande par volet normalement requise pour diriger sélectivement l'air à travers le passage pour l'air de la partie centrale ou sur le serpentin évaporateur n'est plus nécessaire avec la présente structure. La présente invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante faite en liaison avec les dessins cijoints dans lesquels La figure 1 est une vue en perspective d'un premier mode de réalisation du nouvel ensemble formé de plaques empilées. La figure 2 est une vue en coupe verticale de 1 'ensem- ble suivant la ligne 2-2 de la figure 1. La figure 3 est une vue horizontale en coupe de l'un des éléments de plaque suivant la ligne 3-3 de la figure 1. La figure 4 est une vue en perspective de l'un des é1é- ments de plaque formant l'ensemble. La figure 5 est une vue en perspective d'une variante d'un mode de réalisation de l'échangeur de chaleur selon la présente invention. La figure 6 est une vue en coupe verticale suivant la ligne 6-6 de la figure 5. La figure 7 est une vue en coupe verticale suivant la ligne 7-7 de la figure 5. La figure 8 est une vue en perspective d'un seul élément de plaque de.l'empilage de la figure 5 avec la variante du mode de réalisation du moyen de dispersion du fluide pour la plaque;et La figure 9 est une vue en coupe horizontale d'un élément de plaque similaire i la figure 8 mais représentant un troisième mode de réalisation du moyen de dispersion du fluide. Si I' on se réfère plus particulièrement aux figures dans lesquelles sont représentés des modes de réalisation de la présente invention, les figures 1 à 4 représentent un échangeur de chaleur constitué de plaques empilées 10 formé de plusieurs éléments de plaques identiques Il, lia, dont chacun est formé dtun métal conducteur de la chaleur tel que du cuivre ou de 1' aluminium. Chaque élément comporte des bottiers formant une chambre ou collecteurs 12, 12 supérieur et inférieur raccordés par une partie centrale de transfert de chaleur 13 qui a une configuration appropriée pour la dispersion du fluide. Chaque élément de plaque 11 ou Ila est formé d'une paire de flans emboutis disposés face à face 14, 14, symétriques qui sont raccordés suivant leurs bords périphériques 15 pour former un conduit creux pour le fluide. Chaque botter d'extrémité ou collecteur 12 a sensiblement une forme de L; il comprend un collecteur horizontal tubulaire creux allongé ou branche 16 s'étendant sur toute la largeur de l'élément 11 ou lla et il se termine à une extrémité par une structure formant un conduit tubulaire plus grand formant l'autre branche du L. Chaque conduit a une forme annulaire et constitue un orifice d'arrivée 18 ou de sortie 19 suivant sa disposition. Comme on le voit plus clairement sur la figure 4, les conduits d'arrivée et de sortie 17 de chaque élément de plaque 11 ou lia sont de préférence disposés suivant un bord commun 21 de l'élé- ment de plaque et se terminent par des brides s'étendant radiale- ment, vers l'intérieur 22, et, les conduits des plaques alternées sont reliés par tout moyen. approprié tel que par soudure à l'étain, brasure, ou soudure au niveau deS brides 22 pour constituer un pas-sage continu pour le fluide entre les eléments raccordés les uns aux- autres. Le fluide pénètre par les orifices d'arrivée 18 des-élé- ments dé plaque li ou-. ila. à--travers-un. raccord d'arrivée 20 ou 20a et - circule dans les collecteurs 12 qui sont raccordés sur toute. leur longueur aux passages.- 24 définis Par plusieurs tubes 25 qui sont for més par les ondulations disposées face à. face 26 des parties centra- -les 13 des éléments de plaquoerespectifs (voir figure 3); les autres extrémités des tubes sont raccordées aux collecteurs 12 sur toute leur longueur et le fluide s'évacue des collecteurs disposés face à face vers les orifices de sortie 19 et par le raccord de sortie 23 ou 23a. Les ondulations 26 non seulement forment les tubes mais sont également reliées les unes aux autres en 27 pour constituer des zones de radiation importantes de chaleur et des zones de conduction, les zones des sommets des ondulations étant aplaties en 28 pour former des zones étendues de contact avec des ailettes métalliques 29 qui, sont, de préférence, reliées aux parties centrales dans les zones de contact par l'un quelconque des moyens d'assemblage susmentionnés. Les ailettes 29 peuvent être faites en une talle métallique ondulée en une seule pièce et les ondulations sont, de préférence, disposées à angle droit par rapport aux ondulations de la partie centrale de façon à former des passages directs pour l'air depuis un bord vertical 31 de l'ensemble jusqu'au bord opposé 32. Comme on le voit clairement dans la figure 1, l'échan- geur de chaleur 10 comporte un premier ensemble de plaques portant en général la référence 33 et un second ensemble de plaques portant en général la référence 34. Les éléments de plaquesde chaque ensemble sont sensiblement identiques sauf que les éléments -de plaques d'un ensemble sont inversés alternés par rapport aux plaques du second ensemble; et, les espaces intermédiaires entre les éléments de plaques contiennent les ailettes métalliques 29.Si l'on considère la figure 2, toutes les plaques dans chaque ensemble sont identiques sauf la dernière plaque dans laquelle la structure formant un conduit 17 comporte une extrémité fermée 35, à ltextrémité arrière de l'ensemble, de sorte que le fluide circulera seulement à travers les plaques du jeu de plaques particulier. La conception nouvelle des éléments de plaques permet aux orifices d'arrivée et de sortie de chaque plaque d'autre disposés suivant un bord commun de l'échangeur de chaleur, facilitant ainsi les raccordements avec les canalisations de fluide par des fluides respectifs avec un minimum de chance de devoir croiser les canalisations. En outre, la structure est simplifiée-de sorte que les deux parties de l'échangeur de chaleur sont constituées de pièces communes.En outre, chaque partie centrale 13 fournit des surfaces d'échange de chaleur primaires et les ailettes 29 constituent des surfaces secondaires de sorte que les ailettes servent non seulement à transférer la chaleur d'un åeu de plaques à l'au- tre mais elles sont également disposées de façon à assurer un échange de chaleur avec le fluide passant entre les ailettes. Egalement,un échange de chaleur est effectué depuis le fluide dans un jeu de plaques 11 vers le fluide dans l'autre jeu de plaques lla qui peut servir de moyen de dissipation de chaleur. En utilisation, les plaques ll sont toutes raccordées les unes aux autres par 1'intermédiaire de leurs conduits tubulaires 17, les éléments de plaques Ila sont intercalés avec les éléments de plaques 11 et sont également reliés les uns aux autres par l'intermédiaire de leurs conduits tubulaires 17; de cette manière, les éléments de plaques de chaque ensemble 33 ou 34 communiquent les uns avec les autres. Le raecordd'arrivée 20 du premier ensemble de plaques 33 reçoit un premier fluide qui traverse les conduits tubulaires 17 et le collecteurs horizontaux 16. - Des collecteurs 16, le fluide pénètre dans les passages 24 dans les parties centrales des plaques, traverse cel-les-ci jusqu'aux collecteurs opposés 16, et, de là va aux conduits tubulaires et au raccord de sortie 23.De la même manière,un second fluide pénètre dans le second ensemble de plaques 34 à travers son raccord d'arrivée 20a, traverse les conduits tubulaires 17, les collecteurs horizontaux 16, les passages 24 dans les parties centrales des plaques, les collecteurs horizontaux inférieurs 16, les conduits tubulaires 17 et le raccord de sortie respectif 25a. Un troisième fluide, tel que de l'airs passe dans les ailettes métalliques 29 qui sont interposées entre les éléments de plaques ettrné 11, lla,ltair tra- versant les passages depuis le premier bord vertical 31 de l'échan- geur de chaleur 10 jusqu'à l'autre bord 32. Cet ensemble d'échangeur de chaleur unique, compact, est, de préférence, utilisé dans un dispositif de conditionnement d'air pour automobiles et assure les fonctions à la fois d'élément de chauffage et de serpentin évaporateur. Ainsi, le premier fluide sera le liquide de refroidissement du moteur, le second fluide sera un réfrigérant et- le troisième fluide sera de l'air. Suivant la saison, le premier fluide ou le second fluide pourra, sélectivement, passer à travers l'échangeur de chaleur de sorte que l'air passant sur les ailettes métalliques 29 sera soit chauffé soit refroidi puis dirigé vers l'habitacle pour les passagers de l'automobile.Egalement, la solution de refroidissement du moteur, dans l'élément de chauffage de l'échangeur de chaleur servira de moyen de dissipation de chaleur pour une partie de l'action de réfrigération du dispositif de conditionnement d'air réduisant ainsi le nombre de cycles requis pour le dispositif dé réfrigération quand il travaille en dessous de sa pleine charge. Les figures 5 à 8 représentent un mode de réalisation d'une variante d'un échangeur de chaleur du type à plaques empilées 36 constitué de plusieurs éléments de plaques identiques 37 > 37a > chacun étant en un métal conducteur de chaleur approprié. Chaque élément comporte des boîtiers formant des chambres d'extrémité ou collecteurs supérieur et inférieur )S, 3 & 38 reliés par une partie cen- trale de transfert de chaleur 39, comportant des empreintes. La partie centrale comporte des parties en creux ou empreintes 41, formées dans sa surface extérieure plate 42; ces empreintes assurent un écoulement non uniforme ou turbulent à travers la partie centrale du fluide qui la traverse. Chaque élément de plaque 37 ou 37a est formé d'une paire de flans emboutis, disposés face à face 43, 43 symétriques qui sont raccordés le long de leurs bords périphériques 44 pour former un conduit creux pour le fluide. Chaque bottier d'extrémité ou collecteur 38 forme une partie agrandie ou canal communiquant avec un orifice d'arrivée pour le fluide 45 ou un orifice de sortie 46 sur un côté 47 de l'élément de plaque. Le collecteur s'étend sur toute la largeur de l'élément 37, un orifice 45 ou 46 se trouve à une ex trémité du canal et un décrochement 48 comportant un orifice qui le traverse 49 se trouve à l'extrémité opposée du canal.Les décrochements des deux flans emboutis viennent en contact l'un avec l'autre et sont rendus étanehes à la périphérie deltorifice51pour empêcher ltentrée ou la sortie de fluide depuis le canal vers cet orifice. Comme on le voit plus clairement dans la figure 6, les collecteurs 38- des éléments de plaques alternés 37 et 37a sont reliés les uns aux autres suivant leurs faces d'appui de façon à être étanches et pour assurer une communication pour le fluide entre les éléments de plaques 37 et une eommunicaticnséparée entre les éléments de plaques 37a. tes orifices d'arrivée et de sortie 45, 46 du premier élément de plaque sont prévus pour gtre raccordés à des conduites pour le fluide (non représentées) par l'intermédiaire du raccord d'arrivée 52 et du raccord de sortie 53.La dernière plaque 37a ne comporte pas d'orifice la traversant et constitue une paroi fermée 54. Ainsi, un premier fluide va pénétrer par le raccord d'arrivée -52 et circuler à travers les orifices 45 des éléments de plaques 37 pour passer de façon continue entre les parties reliées les unes aux autres. te fluide circule depuis les orifices d'arrivée 45 dans les collecteurs 38 qui sont raccordés sur toute leur longueur aux parties centrales 39, formées des surfaces parallèles plates 42, les empreintes 41 interrompant et rendant turbulent lrécoulement du fluide à travers les parties centrales. Le circuit venant des parties centrales sort à travers les collecteurs opposés 38, les orifices de sortie 46 et le raccord de sortie 53. tes éléments de plaques sont intercalés entre les élé- ments de plaques37 comme représenté dans la figure 5 et sont orientés avec leurs orif & es d'arrivée pour le fluide 45 et leurs orifices de sortie 46 le long du bord vertical opposé 55 de Ensemble de plaques. Les éléments de plaques 37a comportent également un raccord d'arrivée 52a et un raccord de sortie 53a qui communiquent avec les orifices 49 de la première plaque 37 et avec les orifices 45, 46 des plaques 37a.Les collecteurs 38 des éléments de plaquEsaîter- nés 37, 37a viennent en appui les uns sur les autres de façon étanche et forment également un espacement entre les parties centrales 39 des éléments pour des ailettes métalliques 56 qui sont de préference ondulées et reliées aux parties centrales 99 dans les zones de contact par tout moyen approprié. Les ailettes 56 peuvent être faites d'une feuille de tzole métallique ondule en une seule pièce et de nouveau, les ondulations s'étendent de préférence à angle droit par rapport à la direction de la circulation du fluide dans les parties centrales pour constituer des passages directs pour l'air d'un côté, 47 de l'ensemble au côté opposé 59.Les surfaces plates 42 fournissent des zones de contact importantes avec les ailettes métalliques 56 pour augmenter le transfert de chaleur entre elles. Comme on le voit clairement dans la figure 5, cette conception permet l'emploi d'une seule forme de plaque sans qu'il soit nécessaire d'avoir des plaques droites ou des plaques gauches. Les éléments de plaques de chaque jeu, reliés les uns aux autres, sont identiques sauf que les éléments de plaques d'un jeu sont inversés et alternés par rapport aux plaques du second jeu, et, les espaces existant entre les éléments de plaques contiennent les ailettes métalliques 56. Ainsi, de nouveau, les ailettes servent non seulement à transférer la chaleur d'un jeu de plaques à l'autre mais servent également à l'échange de chaleur avec le fluide passant entre les ailettes. La fonction de cet ensemble est sensiblement la même que celle décrite pour le premier échangeur de chaleur 10 représenté dans les figures 1 à 4. La figure 9 représente un troisième mode de réalisation de l'élément de plaque 57 comprenant une paire de collecteurs opposés 58 raccordés par une partie centrale 59. Cet élément de plaque est également formé d'une paire de flans disposés face à face et raccordAs suivant les bords de leur périphérie pour former un conduit creux pour le fluide. La partie centrale est formée d'une paire de surfaces plates, parallèles 61, 61 raccordées suivant leurs bords extérieurs 62 pour constituer un conduit étroit, allongé pour le fluide. te conduit pour le fluide renferme une plaque métallique 63 conçue de façon appropriée pour servir d'élément provoquant la turbulence du fluide dans la partie centrale.Naturellement, cette configuration d'élément provoquant la turbulence du fluide pourrait être utilisée dans chacun des modes de réalisation représentés dans les figures 1 à 4 ou dans les figures 5 à 8 pour se substituer aux parties centrales ondulées ou portant des empreintes. Egalement, la configuration portant des empreintes représentée dans les figures 5 à 8 pourrait être utilisée avec le premier mode de réalisation au lieu de la partie centrale ondulée. Ainsi, la présente invention décrit plusieurs échangeurs de chaleur simples, efficaces, de conception assurant un fout rendement. On remarquera que les éléments de plaques représentés dans les dessins sont symétriques par rapport à un axe transversal tel que la ligne 3-3 de la figure 1, et ainsi chaque extrémité peut être la partie supérieure ou la partie inférieure. Egalement, seuls les premier et dernier éléments de plaques de l'un quelconque des ensembles nécessitent une modification par rapport à tous les autres èléments. Bien que les collecteurs opposés représentés dans les figures à chaque extrémité d'une plaque soient sensiblement identiques, les-collecteurs d'une plaque n'ont pas besoin d'être identiques et peuvent avoir des configurations différentes. Egalement, bien que les orifices d'arrivée et de sortie d'une plaque soient représentés disposés le long d'un bord de la plaque, les orifices d'entrée et de sortie pourraient être disposés dans des angles supérieur et inférieur , diagonalement opposés, de la plaque dans le cadre de la présente invention. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de Irait. REVENDICATIONS 1 - Plaque-échangeur de chaleur, caractérisée en ce qu'elle comprend une partie centrale et des collecteurs plus gros que la partie centrale à ses extrémités opposées constitués par une paire de feuilles de tôle métallique embouties, disposées face à face, symétriques et raccordées à leur périphérie pour former un conduit dans cette structure de plaque, ces collecteurs s'étendant transversalement le long des extrémités opposées de la plaque et étant raccordés à la partie centrale sur toute leur longueur, et un moyen de conduit communiquant avec chaque collecteur à proximité d'au moins une extrémité de celui-ci pour constituer une arrivée ou une sortie pour celui-ci. 2 - Plaque-échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisée en ce que les collecteurs ont généralement la forme d'un L, avec une branche qui s'étend d'un bord à l'autre de ltex- trémité ouverte de la partie centrale et une branche opposée constituant une structure d'orifice tubulaire s'étendant vers l'exté- rieur et formant le moyen de conduit saillant transversalement par rapport à la structure de la plaque. 3 - Plaque-échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisée en ce que les collecteurs forment des parties plus grosses que la partie centrale.s'étendant d'un bord à l'autre des extrémités de la plaque,chaque collecteur comportant un orifice pour le fluide à proximité d'une extrémité de la plaque et une partie formant un décrochement à proximité du bord opposé de la plaque et comportant un orifice qui la traverse. 4 - Echangeur de chaleur formé à partir de plaquesselon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un premier jeu de plaques et un second jeu de plaques de construction sensiblement identique, les plaques du second jeu étant inversées et alternées par rapport aux plaques du premier jeu, ces jeux de plaques étant assemblés en un ensemble monobloc, chaque plaque comportant un collecteur supérieur et un collecteur inférieur pour le fluide, une partie centrale raccordée aux collecteurs supérieur et inférieur, les plaques du premier jeu comportant des orifices d'arrivée et de sortie alignés et raccordés les uns aux autres pour assurer une communication pour un fluide à travers ceux-ci;; et les plaques du second jeu comportant des orifices d'arrivée et de sor tie alignés et reliés les uns aux autres pour assurer une communication séparée pour un fluide à travers ceux-ci. 5 - Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les plaques du premier jeu sont alternées avec les plaques du second Jeu et en ce que des ailettes conductrices de la chaleur sont disposées entre chaque plaque des premier et second jeux et sont reliées à celles-ci pour assurer un échange de chaleur entre elles et avec un troisième fluide. 6 - Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque collecteur pour le fluide a la forme d'un L et comprend une partie allongée s'étendant sur toute la largeur de l'élément de plaque et une structure d'orifice tubulaire s'étendant vers l'extérieur comportant des parties saillantes disposées transversalement par rapport à l'élément de plaque. 7 - Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque collecteur pour le fluide est-une partie plus grosse que la partie centrale formant un conduit pour le fluide s'étendant sur toute la largeur de l'élément de plaque et comportant un orifice disposé à proximité d'une extrémité du collecteur et une partie en décrochement comportant un orifice à proximité de l'extrémité opposée du collecteur. 8 - Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la partie centrale est formée pour séparer et disperser le fluide qui s'écoule à travers celle-ci. 9 - Echangeur de chaleur pour plusieurs fluides selon la revendication 4, caractérisé en ce que les jeux de plaques sont prévus pour recevoir un premier et un second fluide, toutes les arrivées de fluide étant déportées latéralement par rapport aux arrives de fluide du premier' jeu de plaques et toutes les sorties de fluide étant-déportées latéralement par rapport aux sorties de fluide du premier jeu de plaques, plusieurs ailettes d'échange de chaleur étant disposées entre, et reliées aux premier et second jeux de plaques de façon à assurer un échange de chaleur avec les deux jeux de plaques et à former des passages directs pour l1air entre celles-ci et transversalement par rapport aux surfaces d'échange de chaleur.