Brevet FR2550327A1 — publié le 19850208

L'invention concerne un échangeur thermique pour des fluides comportant des canaux à séparation fluidique réciproque présentant un contact thermique étroit et dont le principe de construction permet une fabrication rationnelle. Pour des échangeurs thermiques dans lesquels le transfert de chaleur a lieu entre deux fluides, on connaît un grand nombre d'exemples d'application, entre autres ceux avec mise en oeuvre stationnaire De tels échangeurs thermiques sont, par exemple, associés à des moteurs, des compresseurs et des pompes ou utilisés dans la technique des mécanismes de transmission Ils sont employés, en outre, dans les entraînements olio-hydrauliques et pneumatiques, les freins, dans la technique des procédés industriels et, cela va de soi, à des fins de refroidissement et de chauffaqe. Les conditions fondamentales qui doivent être posées à la construction d'un échanqeur thermique approprié aux problèmes respectifs sont, pour l'essentiel, 20 identiques et connues depuis lonqtemps Ainsi, il faut rechercher, qgénéralement, un rapport volume de encombremen/surface d'échangeur thermique aussi bas que possible, c'est-à-dire un type de construction aussi compact que possible avec un rendement thermotechnique élevé ou une 25 puissance de transfert thermique élevée avec des pertes de pression aussi faibles que possible. Or, une optimisation de la construction de tels échangeurs thermiques à l'égard des conditions susmentionnées mais aussi en vue d'une possibilité 30 d'utilisation polyvalente et d'une minimisation des frais de fabrication n'a apparamment pas encore été réalisée de la manière conséquente requise, parce que de tels échangeurs thermiques ont fréquemment été con- -2 1 sidérés comme des accessoires d'importance secondaire, pour ainsi dire comme un mal nécessaire, et non pas comme un produit autonome. Ainsi on connaît, par exemple, un échangeur 5 thermique qui prévoit un bottier avec des ouvertures de raccordement disposées transversalement par rapport à l'axe de ce bottier et destinées au circuit de refroidissement, un élément encastrable réalisé sous forme de faisceau de tubes baignant dans le fluide 1 de refroidissement et disposé dans le bottier dans le sens de l'axe, ainsi que des brides présentant des ouvertures d'amenée et d'écoulement pour le circuit chaud associées aux ouvertures tubulaires Une autre configuration d'exécution d'un échangeur thermique est, 15 conformément au brevet allemand 31 o 7 141, caractérisé par le fait que dans un premier tuyau est inséré un deuxième tuyau, l'espace entre les deux tuyaux étant suffisant pour, de préférence, le circuit chaud alors que le circuit froid circule dans le tube intérieur et 20 que les deux tuyaux sont formés conjointement en une bobine. Or les deux configurations d'exécution susmentionnées sont, tout particulièrement parce qu'elles exigent des procédés de fabrication inhabituels et25 parfois, pour un seul et même produit, très différents les uns des autres, non seulement coûteuses à la fabrication et au montage et, de ce fait, appropriées, à la rigueur, pour des petites séries, elles sont aussi, en raison de leur forme dimensionnelle désavantageuse, 3 o difficiles à manipuler à l'endroit de montage et encombrantes; dans certaines situations d'encastrement dans le véhicule motorisé, elles sont aussi sensibles aux vibrations et ne correspondent en aucune manière à la configuration techniquement esthétique que l'on 35 attend d'un produit autonome En outre, tout parti- -3 1 culièrement pour le dernier exemple d'exécution cité des défauts fonctionnels apparaissent qui sont dus à des rétrécissements incontrôlables de la section lors de la fabrication de la bobine composée de deux tubes engagés l'un dans l'autre. Ia présente invention a donc pour but de réaliser un échangeur thermique dans lequel ces défauts sont supprimés qui pour satisfaire à un domaine d'application aussi vaste que possible, offre, d'une 10 part, fonctionnellement une augmentation de puissance par rapport à l'état de la technique et qui doit, d'autre part, pouvoir être fabriqué en grande série, c'esià-dire, pour l'essentiel, en fonderie et, autant que possible, pouvoir être monté mécaniquement. Ce problème a été résolu en prévoyant un corps canalisateur réalisé en une seule pièce dont l'espace occupé préétabli par un cadre est séparé, par une paroi de séparation formée dans le plan central du cadre, en deux espaces partiels pour l'essentiel 2 o discoides lesquels sont subdivisés, par des entretoises disposées perpendiculairement à la paroi de séparation et s'étendant en plusieurs spirales, en respectivement deux cannaux parallèles à la paroi de séparation, chacun des canaux de l'un des espaces partiels étant couplé 25 fluidiquement avec un canal de l'autre espace partiel par une ouverture pratiquée dans la paroi de séparation et les surfaces frontales des entretoises et du cadre étant situées respectivement en un plan de bride parallèle à la paroi de séparation, et en associant aux plans de bride du corps canalisateur respectivement un joint d'étanchéité de grande surface et une plaque de recouvrement Une autre configuration avantageuse de l'objet de la présente invention prévoit que les orifices d'arrivée et d'écoulement associés aux canaux sont réalisés sur le corps canalisateur en -4 parallèle avec la paroi de séparation et que le joint d'étanchéité et la plaque de recouvrement sont réalisés en tant que pièces combinée. L'avantage décisif offert par la solution 5 trouvée réside, d'une part, dans la suppression de formes de bottier compliquées, donc dans une construction simplifiée au maximum d'un tel échangeur thermique et, d'autre part, aussi dans la configuration interne avantageuse du point de vue de la technique des lo fluides ainsi que dans une forme de construction externe facilitant l'incorporation Des procédés de fabrication et de montage complexes et coûteux (soudage, cintrage, etc) sont évités et l'ensemble peut aussi être fabriqué en grande série, de fagon bien reproductible, et montés à la machine Le fait que, pour compléter l'échangeur thermique, il suffit de placer sur le corps canalisateur réalisable en une seule pièce par la technique de moulage par injection ou de coulée sous pression, deux couvercles ou parois latérales en forme de plaque avec des joints d'étanchéité intercalés, revêt une importance particulière Cette configuration était alors basée sur le fait établi que, étant donné que la dissipation de chaleur par radiation et par conduction thermique vers l'extérieur est négligeable, le transfert de chaleur par 25 le fluide plus froid n'exigeait pas nécessairement une matière à haute conductibilité thermique mais que le facteur décisif sont des surfaces de contact aussi grandes que possibles sur les parois de canal en contact avec chacun des deux fluides Abstraction faite de ce que, 30 dans des cas d'application déterminés, l'echangeur thermique peut aussi être fabriqué en une matière plastique appropriée, ce fait établi a conduit à une optimisation conséquente du rapport encombrement/surface d'échangeur thermique, c'est-à-dire, pour un rendement thermotechnique donné, à un échangeur thermique à faible -5 section de canal et, par conséquent, à un encombrement extraordinairement faible En même temps, la configuration constructive de l'échangeur thermique conforme à l'invention offre, grâce à la forme spiralée des canaux dans laquelle on a évité des obstacles à l'écoulement tels que des trous borgnes et des intersections, la condition indispensable pour un écoulement largement laminaire des deux fluides et, de ce fait, la garantie pour des pertes de pression relativement faibles En outre, 1 e la solution trouvée convient à un arrangement en batterie par lequel les pertes de pression pourraient encore être réduites davantage. Dans ce qui suit, l'invention sera décrite d'une façon plus détaillée à l'aide des dessins ci-annexés, 15 dans lesquels la figure 1 montre une vue partiellement en coupe de l'échangeur thermique conforme à l'invention, la figure 2 est une représentation en perspective du corps canalisateur avec un secteur découpé conformément 20 aux lignes de coupe A, B de la figure 1. Ainsi que le montre la figure 1, le chiffre de référence 1 désigne un corps canalisateur auquel sont associés, des deux côtés, respectivement un joint d'étanchéité 2 et une plaque de recouvrement 3 qui sont 25 reliés, au moyen d'assemblages par vis appropriés l'une des vis utilisées et repérée par le chiffre 4 au corps canalisateur 1 d'une manière rigide et empêchant les fuites Quatre douilles taraudées dont deux, 5 et 6, sont représentées sur la figure 1, servent à la fixa30 tion de raccords de tuyaux prémontés dans les conduits flexibles à raccorder du circuit chaud et du circuit de refroidissement, lesquels sont équipés d'un écrou à chapeau et indiqués, pour être complet, par des traits mixtes. > Le corps de canalisation 1 qui sera décrit, par la -6 1 suite, d'une façon plus détaillée, à l'aide de la figure 2, présente un cadre 7 réalisé avec un profil en U bas et, formé dans le plan médian du cadre 7, une paroi de séparation 8 qui sépare l'espace occupé limité par le cadre 7 en deux espaces partiels non repérés par des chiffres de référence A chacun des espaces partiels sont affectés deux taraudages 9, 10, 11 et 12 pour loger les douilles taraudées 5, 6 susmentionnées, c'est-à-dire que ces taraudages sont lo respectivement réalisés, d'une manière avantageuse, dans des plans parallèles à la paroi de séparation 8 et qu'il en résulte ainsi une forme de construction plate de l'échangeur thermique ainsi qu'une possibilité de montage relativement simple et claire aussi des raccords de conduite Ainsi qu'il ressort encore de la figure 2, respectivement deux entretoises 13 et 14 ou et 16 à paroi relativement mince, décalées les unes par rapport aux autres de 1800 sont respectivement formées des deux côtés de la paroi de séparation 8, et cela perpendiculairement à celle-ci Les entretoises 13, 14, 15, 16 partent toutes du cadre 7 et se terminent, après plusieurs enroulements spiralés, dans un noyau interne 17 du corps canalisateur 1 Par 18 on désigne une ouverture de traversée centrale prévue dans le noyau 17 et destinée à une autre vis 4 assemblant les plaques de recouvrement 3, les joints d'étanchéité 2 et le corps canalisateur 1 De même, les ouvertures réalisées dans les branches non repérées par des chiffres de référence du cadre 7 dont deux associées 30 l'une à l'autre seront désignées, pour y suppléer, par 19 et 2 o sont affectées aux vis 4 des assemblages par vis alors que des ouvertures 21 et 22 traversant la paroi de séparation 8 permettent le passage des courants liquides de l'un des espaces partiels du 35 corps canalisateur 1 à l'autre. -7 A l'aide de la figure 2,donc du corps canalisateur 1 ouvert, le trajet du courant sera décrit dans ce qui suit d'une manière plus détaillée: Si, par exemple, le circuit chaud est raccordé à l'ouverture d'arrivée 9, le liquide à refroidir s'écoule dans une chambre 23 qui est formée dans le corps canalisateur 1 et qui s'amenuise en un canal 24 Le canal 24 dont la délimitation latérale est tout d'abord donnée par la paroi intérieure du cadre 7 et l'entretoise 13, est lo limité, sur son parcours ultérieur, par les entretoises 13 et 14 et se termine dans l'ouverture 21 Par l'intermédiaire de l'ouverture 21, le liquide a refroidir parvient, à travers la paroi de séparation 8, à un canal 25 qui est situé du côté opposé de la paroi de séparation 8 et limité par les entretoises 15 et 16 et dont le parcours est coincident avec le canal 24 Dans ce canal 25, le liquide à refroidir circule de l'intérieur et quitte (flèche) l'échangeur thermique par l'ouverture d'écoulement après avoir traversé une chambre de réalisation 2 o coincidente à celle de la chambre 23 mais pas repérée par des chiffres de référence Lorsque le circuit de refroidissement est raccordé à l'orifice d'arrivée 12 l'échangeur fonctionne, de préférence, à -contrecourant le fluide de refroidissement entrera, de la 25 même manière, par l'intermédiaire d'une chambre 26 correspondant à la chambre 23, dans le canal contigu 28 qui est également formé par les entretoises 15 et 16. Le fluide de refroidissement est amené, à travers le canal 28, sur une trajectoire spiralée et, ainsi qu'il 3 o ressort du dessin, en contact étroit avec le circuit chaud, vers l'intérieur et pénètre, par l'intermédiaire de l'orifice 22 pratiqué dans la paroi de séparation 8, dans le canal 29 formé par les entretoises 13 et 14 sur le côté opposé de la paroi de séparation Le canal 29 35 8, se termine, lui, dans une chambre 27 qui est formée en coincidence avec la chambre 26 et a laquelle est affecté l'orifice d'écoulement 11 du circuit de refroidissement. Pour être complet, il convient encore de mentionner que les faces frontales non repérées par des chiffres de référence des entretoises 13 et 14 ou 15 et 16 ainsi que respectivement une face frontale du cadre 7 sont situées respectivement en un plan et que les joints d'étanchéité o 10 2 qui peuvent, par exemple, être vulcanisés sur les plaques de recouvrement 3 sont affectés à ces plans. On pourrait évidemment imaginer une solution dans laquelle le corps canalisateur ne correspond qu'à l'un des espaces partiels du corps canalisateur 1 décrit, éventuellement en une exécution plus profonde. Il faudrait cependant accepter à nouveau une configuration d'exécution relativement encombrante, étant donné que deux raccords de conduite devraient être amenés perpendiculairement au corps canalisateur généralement 2 o discorde. On pourrait réaliser aussi, de la même manière, l'inversion technique de la solution conforme à l'invention, c'est-à-dire qu'il faudrait assembler deux coquilles de bottier dont la configuration correspondrait à l'un des deux espaces partiels du corps canalisateur 1, en intercalant un joint approprié. L'inconvénient de cette solution réside cependant dans le fait qu'il faut deux formes symétriques si, comme dans le cas décrit précedemment, les canaux à parcours 30 spiralé doivent être coinicidents en l'état assemblé. -9 1 REVENDICATIONS I Echangeur thermique pour fluides avec des canaux séparés fluidiquement les uns des autres et présentant un contact thermique étroit et un principe de construction permettant une fabrication rationnelle, caractérisé par le fait qu'il est prévu un corps canalisateur ( 1) réalisé en une seule pièce dont l'espace 10 occupé préétabli par un cadre ( 7) est séparé, par une paroi de séparation ( 8) formée dans le plan médian du cadre ( 7), en deux espaces partiels pour l'essentiel discordes et que les espaces partiels sont répartis, par des entretoises ( 13, 14, 15, 16) disposées trans15 versalement par rapport à la paroi de séparation ( 8) et s'étendant en plusieurs spires, en respectivement deux canaux ( 24, 25, 28, 29) dont le parcours est parallèle à la paroi de séparation, respectivement un canal ( 24 ou 29) de l'un des espaces partiels étant couplé fluidiquement à un canal ( 25 ou 28) de l'autre espace partiel par une ouverture ( 21 ou 22) pratiquée dans la paroi de séparation ( 8) et les faces frontales des entretoises ( 13, 14, 15, 16) du cadre ( 7) étant situées respectivement en un plan de bride parallèle 25 à la paroi de séparation et qu'aux plans de bride du corps canalisateur ( 1) sont associés respectivement un joint d'étanchéité ( 2) de grande surface et une plaque de recouvrement ( 3). 3 o 2 Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les orifices d'arrivée et d'écoulement ( 9, o 10, 11, 12) affectés aux canaux ( 24, , 28, 29) sont formés parallèlement à la paroi de séparation sur le corps canalisateur ( 1). P? 33 o 345 -lo 1 3 Echangeur thermique selon l'une quelconques des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait, que le joint d'étanchéité ( 2) et la plaque de recouvrement ( 3) sont réalisés sous forme de pièce combinée. 4 Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'au moins le corps canalisateur ( 1) est réalisé en matière plastique.