Brevet FR2657423A1 — publié le 19910726

Echangeur de chaleur à lames allongées, en particulier radiateur de refroidissement d'huile L'invention concerne un échangeur de chaleur à lames allongées pouvant constituer notamment un radiateur de refroidissement d'huile pour un moteur à combustion interne. On connait déjà, d'aFrès le certificat d'addition français n0 71.07767, publié sous le n0 2.128.125, un échangeur de chaleur de ce type qui comprend un empilage de lames allongées dont chacune est formée par l'assemblage de deux demi-lames embouties, délimitant entre elles un canal de circulation pour un premier fluide et dans lequel chaque demi-lame comporte deux collets propres à se raccorder aux deux collets d'une demi-lame adjacente pour établir le passage du premier fluide d'une lame à une autre, les lames étant espacées deux à deux pour permettre le passage d'un second fluide et réaliser ainsi un échange thermique entre les deux fluides. Dans le cas où un tel échangeur de chaleur est utilisé comme radiateur de refroidissement d'huile, le premier fluide est constitué par l'huile à refroidir, tandis que le second fluide est constitué par de l'air frais. Dans cet échangeur de chaleur connu, chaque demi-lame compor- te deux têtes d'extrémité dans lesquelles sont formées respectivement les deux collets de raccordement. Quand deux demi lames sont assemblées entre elles pour former une lame, elles définissent un corps creux comportant deux chambres collectrices d'extrémité, chacune formée par deux têtes en vis-à-vis. Les chambres collectrices d'une même lame communiquent entre elles par un canal de circulation et elles communiquent avec les chambres collectrices des autres lames par l'intermédiaire des collets de raccorde ment. Cet échangeur de chaleur connu comprend en outre, à l'intérieur de chaque lame, un élément perturbateur propre à augmenter la longueur du trajet de circulation du premier fluide et, par conséquent, à améliorer les performances de l'échangeur de chaleur. Toutefois, cet échangeur de chaleur connu présente un certain nombre d'inconvénients. Tout d'abord, les têtes d'extrémité des lames doivent avoir une forme Farticulière pour pouvoir résister aux pressions élevées du premier fluide qui circule dans l'échangeur de chaleur. En outre, l'élément perturbateur ne peut s'étendre que dans la partie de chaque lame qui est comprise entre les deux têtes d'extrémité, ce qui diminue l'efficacité de cet élément perturbateur. Par ailleurs, dans cet échangeur de chaleur connu, il faut prévoir des demi-lames de type mâle et des demi-lames de type femelle pour assurer l'assemblage des demi-lames et des collets. Il faut donc disposer de deux outillages différents pour une lame de dimensions données, ce qui augmente le nombre d'outillages à prévoir si l'on veut réaliser toute une gamme de lames ayant de différentes dimensions. En outre, dans cet échangeur de chaleur connu, les collets se raccordent entre eux par emboîtement, ce qui crée des pertes de charge nuisant à l'efficacité de l'échangeur de chaleur. Enfin, comme les collets sont venus d'emboutissage avec la demi-lame, ils possèdent nécessairement une hauteur limitée d'où il résulte que l'espace ou intervalle compris entre deux lames adjacentes est nécessairement limité et, de surcroit, non réglable. L'invention a notamment pour but de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus. Elle propose, en conséquence, un échangeur de chaleur à lames du type mentionné en introduction dans lequel, conformément à l'invention, chaque demi-lame est une plaque emboutie comportant une partie centrale de forme générale rectangulaire dans laquelle sont formés les deux collets et un rebord périphérique d'assemblage situé dans un plan décalé par rapport à la partie centrale et présentant deux grands côtés et deux petits côtés. Comme les collets se raccordent directement à la partie centrale de la demi-lame, il n'est plus nécessaire de prévoir des têtes de lames spécifiques et les lames résistent beaucoup mieux à la pression. Avantageusement, chaque lame reçoit intérieurement un élément perturbateur qui présente une forme générale rectangulaire ayant sensiblement les mêmes dimensions que la partie centrale des demi-lames et qui est muni de deux ouvertures de passage situées dans l'alignement des collets. Comme l'élément perturbateur couvre toute la surface interne de la lame qui est soumise à la pression, cette lame présente une meilleure résistance à la pression et une meilleure efficacité d'échange thermique. Selon une autre caractéristique de l'invention, chaque demi-lame est obtenue à partir d'une tôle profilée propre à constituer la partie centrale et les grands côtés du rebord périphérique d'assemblage, cette tôle étant ensuite découpée à une longueur choisie et soumise à une opération de formage pour définir les deux petits côtés du rebord périphérique et les deux collets emboutis, avec un entreaxe choisi entre les deux collets. Par conséquent, à partir d'une tôle de profil donnée, on peut réaliser toute une série de demi-lames qui diffèrent entre elles simplement par la longueur - et la valeur de l'entre-axe des deux collets. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, les demi-lames sont identiques entre-elles et comportent chacune deux collets cylindriques à section circulaire de même diamètre. Les collets de deux demi-lames adjacentes peuvent être alors raccordée - par une bague cylindrique à section circulaire emmanchée autour des collets. Avantageusement, chaque bague est choisie parmi un jeu de bagues de même diamètre intérieur mais de longueur différente, ce qui permet d'ajuster l'espace ménagé entre deux lames adjacentes. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'échangeur de chaleur comprend des éléments intercalaires de forme ondulée placés respectivement dans les espaces ménagés entre les lames, ce qui permet d'améliorer l'échange thermique et d'assurer une tenue mécanique entre les lames. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'une au moins des deux demi-lames placées aux extrémités de l'empilage reçoit une joue de forme générale rectangulaire. Une telle joue contribue à la tenue mécanique de l'échangeur de chaleur et permet, en outre, la fixation de l'échangeur de chaleur sur un support approprié ou la fixation d'accessoires sur cet échangeur de chaleur. Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue en perspective d'une demi-lame propre à faire partie d'un échangeur de chaleur selon l'invention - les figures 2 à 4 montrent différentes phases de fabrication de la demi-lame de la figure 1; - les figures 5 et 6 montrent deux phases de fabrication d'un élément perturbateur propre à faire partie d'un échangeur de chaleur selon l'invention - la figure 7 est une vue en élévation d'un échangeur de chaleur à lames selon l'invention - la figure 8 est une vue partielle en coupe à échelle agrandie selon la ligne Vili-Vili de la figure 7; et - la figure 9 est une vue en coupe analogue à celle de la figure 8 dans une autre forme de réalisation de l'invention. On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui montre une demi-lame 10 formée à partir d'une tôle emboutie, par exemple une tôle en aluminium ou en acier, de préférence plaquée sur ses deux faces. La demi-lame 10 comprend une partie centrale 12 plate et de forme générale rectangulaire dans laquelle sont formés deux collets cylindriques 14 de section circulaire. Ces deux collets sont séparés par un entre-axe E dans la direction longitudinale de la demilame 10. La partie centrale 12 est entourée par un rebord périphérique d'assemblage 16 qui est situé dans un plan décalé par rapport à celui de la partie centrale 12. Le rebord 16 présente un contour général rectangulaire et comporte deux grands côtés 18 et deux petits côtés 20. Les collets 14 font saillie du côté opposé du rebord 16, c'est-à-dire vers le bas de la figure 1. La demi-lame 10 est avantageusement fabriquée à partir d'une tôle profilée 22 (figure 2) obtenue par déformation d'une tôle plane au moyen d'une mollette 24 et d'une contremollette (non représentée) de forme complémentaire. La mollette 24 comprend une partie cylindrique centrale 26 entourée par deux rebords cylindriques 28 coaxiaux et de plus grand diamètre que la partie 26. La tôle profilée 22 comprend un fond 30 et deux rebords latéraux 32 propres à former respectivement la partie centrale 12 et les deux grands côtés 18 de la demi-lame 10. A l'aide d'un outil de découpe 34 (figure 2), on coupe ensuite une longueur choisie de la tôle profilée 22 pour obtenir un tronçon 36 de forme générale rectangulaire, de longueur L et de largeur 1.Ensuite, à l'aide de deux outils de formage (non représentés), on forme à la presse les deux petits côtés 20 du rebord 16 ainsi que les deux collets 14 (figure 4). On obtient ainsi une demi-lame 10 analogue à celle de la figure 1 dont la longueur L et l'entre-axe E des collets peut être ajusté à volonté en fonction du type d'échangeur de chaleur à fabriquer. Comme on le verra plus loin, deux demi-lames 10 peuvent être réunies entre elles par leurs rebords respectifs 16 pour former une lame creuse intérieurement. Dans l'espace creux, ménagé dans une telle lame, on place de préférence un élément perturbateur 38 tel que représenté à la figure 5. Cet élément a la forme générale d'une plaque rectangulaire ayant sensiblement les mêmes dimensions que la partie centrale 12 de la demi-lame 10. Il comporte, sur ses deux faces des reliefs 40 propres à perturber l'écoulement du fluide circulant à l'intérieur de la lame correspondante. Comme l'élément perturbateur occupe toute la surface interne de la lame, cette dernière résiste mieux à la pression et l'efficacité d'échange thermique est améliorée. Comme montré à la figure 6, l'élément perturbateur 38 est muni de deux ouvertures de passage 42, de forme circulaire, qui sont séparées entre elles du même entre-axe E que celui des collets 14. Par conséquent, lorsque l'élément Ferturbateur 38 est placé à l'intérieur d'une lame, les ouvertures 42 se trouvent dans le même alignement que les collets 14. On se réfère maintenant à la: figure 7 qui montre un échangeur de chaleur 44 comprenant un empilage de lames allongées 46 dont chacune est formée par l'assemblage de deux demi-lames 10 telles que décrites précédemment. Les deux demi-lames d'une même paire sont réunies entre elles par leurs rebords respectifs 16, par exemple par soudage ou brasage, pour former une lame 46 creuse intérieurement et définissant un canal de circulation pour un premier fluide. Les deux collets d'une demi-lame 10 sont raccordés aux deux collets d'une demi-lame adjacente (faisant partie d'une autre lame) grâce à des bagues cylindriques 48 (figures 7 et 8) dont le diamètre interne correspondant au diamètre externe des collets 14). Les bagues 48 sont raccordées de manière étanche aux collets 14, de préférence par brasage.Chacune des lames 46 définit intérieurement un canal d'écoulement 50 pour un premier fluide (figure 8) et les différents canaux communiquent entre eux par les collets 14. De préférence chaque lame reçoit intérieurement un élément perturbateur qui n'a pas été représenté sur la figure 8 pour simplifier le dessin Ce premier fluide réalise un échange thermique avec un second fluide qui traverse l'échangeur par les espaces libres ménagés respectivement entre deux lames adjacentes 46. Conformément à l'invention, les bagues 48 peuvent être choisies parmi un jeu de bagues de même diamètre intérieur mais de hauteur H différente (figure 8) pour ajuster l'espace ménagé entre deux lames adjacentes. On peut ainsi modifier les capacités de l'échangeur de chaleur, ce qui n'était pas possible avec les échangeurs de chaleur de la technique antérieure. L'échangeur de chaleur représentée à la figure 7 comprend en outre des éléments intercalaires 52, de forme ondulée, qui sont placés à chaque fois dans l'espace libre ménagé entre deux lames 46 adjacents. Chaque élément intercalaire possède une largeur sensiblement égale à celle des lames et une longueur suffisante pour s'étendre entre les deux bagues 48 réunissant les deux lames considérées. L'orientation des ondulations permet le passage du second fluide dans une direction perpendiculaire à celle du plan de la figure 7. Ces éléments intercalaires 52 favorisent la tenue mécanique de l'ensemble et permettent aussi un meilleur échange thermique entre les deux fluides. Comme montré à la figure 7, les deux demi-lames 10, placées aux extrémités de l'empilage, reçoivent respectivement des joues 54 et 56 de forme générale rectangulaire. Dans la forme de réalisation des figures 7 et 8, les joues 54 et 56 sont fixées directement sur la demi-lame d'extrémité correspondante. Chacune des joues, par exemple la joue 54 (figure 8), comporte deux ouvertures de passage 58, de forme circulaire possédant un diamètre interne supérieur au diamètre externe des collets 14, les deux ouvertures 58 étant séparées du même entre-axe E que les collets. Ainsi, les deux collets de chacune des plaques d'extrémité peuvent traverser ces plaques et faire saillie au dehors.Sur la face externe de la joue 54 et autour des deux collets 14 faisant saillie au travers de la plaque 54, sont rapportés deux bouchons 60 et 62 (figures 7 et 8) pouvant servir de bouchon de fermeture ou bien de bouchon de raccordement. Sur la plaque 56 et autour des collets qui font saillie au-delà de cette dernière, sont également rapportés deux bouchons (non représentés). Par exemple, les bouchons 60 et 62 peuvent être raccordés respectivement à une tubulure d'admission et à une tubulure de sortie pour le premier fluide et les deux collets faisant saillie de la plaque 56 peuvent être simplement obturés par des bouchons de fermeture. Dans ce cas, le premier fluide pénètre dans l'échangeur de chaleur 44 par le bouchon 60 circule dans les canaux 50 des lames 46 et quitte l'échangeur par le bouchon de raccordement 62. Le premier fluide subit alors un échange thermique avec le second fluide qui traverse les espaces libres ménagés entre les lames. Les bouchons peuvent être des bouchons de fermeture assurant l'obturation d'un collet d'une demi-lame d'extrémité ou bien des bouchons possédant un perçage approprié pour servir de liaison. Dans ce cas, ces bouchons sont avantageusement munis d'un filetage externe comme indiqué respectivement en 64 et 66 pour les bouchons 60 et 62. On se réfère maintenant à la figure 9 qui montre un échangeur de chaleur 68 d'une structure très proche de l'échangeur 44 décrit précédemment. L'échangeur de chaleur 68 comprend aussi un empilage de lames 46 formées chacune par l'assemblage de deux demi-lames 10. Là encore, les collets 14 des demi lames sont raccordés entre eux par des bagues cylindriques 48. Les deux demi-lames placées aux extrémités de l'empilage reçoivent respectivement des joues 70 et 72 de forme générale rectangulaire. Dans cette forme de réalisation, la joue 70 est fixée sur la demi-lame d'extrémité correspondante par l'intermédiaire de deux bagues cylindriques 74 propres à s'embolter sur leurs collets respectifs 14 en étant raccordées de manière étanche à ceux-ci et possédant chacune un rebord annulaire 76 sur laquelle est fixée, par exemple par brasage, la joue 70. De même, la joue 72 est fixée sur l'autre demi-lame d'extrémité 10 par deux bagues 74 analogues possédant également un rebord annulaire 76. L'avantage de cette variante est qu'il existe à chaque fois un espace libre entre la joue 70 et la demi-lame d'extrémité correspondante et un autre espace libre entre la joue 72 et la demi-lame correspondante.Dans chacun des deux espaces peut être inséré un élément intercalaire (non visible sur la figure 9) analogue à chacun des éléments intercalaires 52 représentés à la figure 7. De la sorte, on améliore les capacités d'échange thermique de l'échangeur. Chacune des joues 70 et 72 peut comporter éventuellement au moins une ouverture de passage alignée avec un collet 14 de la demi-lame d'extrémité correspondante. Dans l'exem le, la joue 70 comporte deux ouvertures 78 permettant la fixation de deux bouchons 80 permettant respectivement le raccordement d'une tubulure d'admission du premier fluide et d'une tubulure de sortie de ce même fluide. Par contre, la plaque 72 est pleine et obture ainsi les ouvertures de passage alignées avec les deux collets 14 de l'autre demi-lame d'extrémité. On comprendra que l'échangeur de chaleur de l'invention peut être réalisé en différentes dimensions et avec un outillage relativement simple. Dans tous les cas, on réfère réaliser l'assemblage des différents composants de l'échangeur par soudage ou par brasage. L'échangeur de chaleur de 1 invention peut être utilisé tout particulièrement dans l'industrie automobile par exemple pour refroidir l'huile de lubrification d'un moteur à combustion interne ou encore refroidir l'air de suralimentation d'un moteur turbo- compressé. Revendications 1. - Echangeur de chaleur comprenant un empilage de lames allongées (46) dont chacune est formée par l'assemblage de deux demi-lames (10) embouties, délimitant entre elles un canal de circulation (50) pour un premier fluide et dans lequel chaque demi-lame (10) comporte deux collets (14) propres à se raccorder aux deux collets d'une demilame adjacente pour établir le passage du premier fluide d'une lame à une autre, les lames étant espacées deux à deux pour permettre le passage d'un second fluide, caractérisé en ce que chaque demi-lame (10) est une plaque emboutie comportant une partie centrale (12) de forme générale rectangulaire, dans laquelle sont formés les deux collets (14), et un rebord périphérique d'assemblage (16) situé dans un plan décalé par rapport à la partie centrale et présentant deux grands côtés (18) et deux petits côtés (20). 2. - Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque lame (46) reçoit intérieurement un élément perturbateur (38) qui présente une forme générale rectangulaire ayant sensiblement les mêmes dimensions que la partie centrale (12) des demi-lames (10) et qui est muni de deux ouvertures de passage (42) situées dans l'alignement des collets (14). 3. - Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque demi-lame (10) est obtenue à partir d'une tôle profilée (22) propre à constituer la partie centrale (12) et les grands côtés (18) du rebord périphérique d'assemblage (16), cette tôle étant ensuite découpée à une longueur (L) choisie et soumise à une opération de formage pour définir les deux petits côtés (20) du rebord périphérique (16) et les deux collets (14) emboutis, avec un entre-axe (E) choisi entre les deux collets. 4. - Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les demi-lames (10) sont identiques et comportent des collets cylindriques (14) à section circulaire de même diamètre, les collets (14) de deux demi-lames adjacentes étant raccordés par une bague cylindrique (48) de section circulaire, emmanchée autour des collets (14). 5. - Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque bague (48) est choisie parmi un jeu de bagues de même diamètre intérieur mais de hauteurs (H) différentes pour ajuster l'espace ménagé entre deux lames adjacentes. 6. - Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des éléments intercalaires (52) de forme ondulée placés respectivement dans les espaces ménagés entre les lames. 7. - Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'une au moins des deux demilames (10) placées aux extrémités de l'empilage reçoit une joue (54,56;70,72) de forme générale rectangulaire. 8. - Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la joue (54) est fixée directement sur la demi-lame d'extrémité (10) et comporte deux ouvertures de passage (58) pour les collets de la demilame. 9. - Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la joue (70,#2) est fixée sur la demi lame d'extrémité par l'intermédiaire de deux bagues cylindriques (74) entourant respectivement les deux collets (14) de la demi-lame et en ce que ladite joue comporte éventuellement au moins une ouverture de passage (78) alignée avec un collet de la demi-lame d'extrémité, un élément intercalaire (52), de forme ondulée, étant éventuellement placé entre la demi-lame d'extrémité et la joue (70,72). 10. - Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des bouchons de fermeture ou de raccordement (60,62;80) fixés sur les collets (14) des demi-lames d'extrémité et/ou sur les joues (54,56; 70,72).