Brevet FR2728668A1 — publié le 19960628

Échangeur de chaleur à empilement d'ailettes L'invention concerne un échangeur de chaleur pour l'échange de chaleur entre un premier fluide à l'état gazeux et un second fluide en circulation, comprenant un empilement de plaques minces ou ailettes conductrices de la chaleur définissant entre elles une série d'intervalles de faible épaisseur pour le passage d'un courant du premier fluide, les ailettes étant ainsi balayées par ledit courant et étant également en contact thermique avec le second fluide qui circule dans une multiplicité de conduites traversant les ailettes et s'étendant sensiblement dans la direction de l'empilement. De tels échangeurs de chaleur sont utilisés notamment comme radiateurs de refroidissement ou de chauffage dans les véhicules automobiles, le courant du premier fluide étant un courant d'air qui est soit rejeté à l'atmosphère après avoir refroidi le second fluide, ce dernier ayant lui-même reçu de la chaleur du moteur thermique d'entraînement ou d'un autre composant du véhicule, soit envoyé dans l'habitacle après avoir été réchauffé par le second fluide. Dans les radiateurs connus, les conduites sont sous forme de tubes métalliques qui traversent les ailettes et sont emmanchées à force dans des trous ménagés dans celles-ci. La réalisation du bloc formé par ces tubes et l'empilement d'ailettes nécessite de disposer de ces tubes eux-mêmes et d'un outillage permettant de définir l'écartement mutuel des ailettes et d'introduire à force les tubes à travers cellesci, ou bien de dilater mécaniquement les tubes après les avoir introduits avec jeu dans les trous des ailettes. De plus, il faut disposer d'autant de longueur de tubes différentes qu'on veut réaliser de radiateurs ayant des longueurs de conduites différentes, toutes choses égales par ailleurs. Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients, en réduisant le nombre de pièces nécessaires pour la réalisation d'un échangeur de chaleur, en simplifiant l'outillage et en pouvant réaliser des échangeurs de chaleur de longueurs différentes à partir des mêmes pièces. L'invention vise notamment un échangeur de chaleur du genre défini en introduction, et prévoit que chacune desdites conduites est formée par l'emboîtement et la liaison étanche mutuels de rebords annulaires appartenant aux ailettes et entourant des trous qui traversent l'épaisseur de celles-ci. Grâce à cette disposition, les tubes sont supprimés, et l'emboîtement mutuel des rebords annulaires assure un écartement prédéfini des ailettes sans outillage particulier. Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémentaires ou alternatives, sont énoncées ci-après - Lesdits rebords ont une forme tronconique. Cette forme permet un emboîtement particulièrement aisé, et procure en outre aux conduites un profil en dent de scie qui assure un écoulement turbulent du fluide, sans avoir recours au turbulateur qu'on introduit couramment dans les tubes à cet effet. - Lesdits rebords sont mutuellement reliés de façon étanche par brasage. - L'une au moins des deux ailettes d'extrémités de l'empilement constitue une paroi d'une boîte collectrice par laquelle ledit second fluide pénètre dans l'échangeur et/ou en sort, la boîte collectrice communiquant avec lesdites conduites par les trous traversant ladite ailette d'extrémité. - Ladite boîte collectrice est formée, outre l'ailette d'extrémité, par une plaque supplémentaire emboutie s'écartant de celle-ci en une ou plusieurs zones pour former des chambres de fluide communiquant chacune avec un sous-ensemble desdites conduites, et appliquée sur l'ailette de façon étanche autour desdites zones pour délimiter lesdites chambres. - L'une des deux ailettes d'extrémités de l'empilement est accolée de façon étanche à une plaque supplémentaire emboutie qui s'écarte localement de ladite ailette d'extrémité pour former des cuvettes dont chacune communique exclusivement avec deux des trous traversant ladite ailette d'extrémité de façon à établir avec les deux conduites correspondantes un trajet en U pour le second fluide. - Deux rebords d'une même ailette, appartenant respectivement à deux conduites associées à une même cuvette, sont tournés d'un côté et de l'autre du plan de cette ailette. Le fluide peut alors pénétrer dans chacune des deux conduites par un rebord tourné vers l'aval et qui ne gêne donc pas la pénétration du fluide. - La liaison étanche de la plaque supplémentaire et de l'ailette d'extrémité est réalisée par brasage. - Deux bords opposés d'une ailette, ou d'une plaque supplémentaire, situés latéralement par rapport à la direction du courant du premier fluide sont relevés pour s'appuyer sur les bords correspondants également relevés d'une ailette voisine. - Lesdits bords relevés des différentes plaques sont mutuellement reliés par brasage. L'appui mutuel et le cas échéant le brasage des bords des différentes plaques renforcent la rigidité de l'empilement et évitent le risque d'une rupture de liaison entre les rebords annulaires par suite d'un effort de torsion, entraînant un défaut d'étanchéité des conduites. - L'assemblage mécanique mutuel des ailettes et le cas échéant des plaques supplémentaires est assurée exclusivement par brasage. L'absence de tout moyen de liaison autre que le brasage simplifie encore la fabrication de l'échangeur de chaleur. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront exposés plus en détail dans la description ci-après, en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue partielle en perspective, partiellement arrachée, d'un échangeur de chaleur selon l'invention; - la figure 2 est une vue partielle en coupe montrant trois rebords annulaires d'ailettes participant à la formation d'une conduite du second fluide; et - la figure 3 est une vue partielle en coupe transversale d'une variante de l'échangeur de chaleur. L'échangeur de chaleur illustré aux figures 1 et 2 est composé d'une série de plaques de tôle métallique ayant un même contour rectangulaire, représentées comme s'étendant sensiblement horizontalement et empilées verticalement, à savoir une plaque supplémentaire supérieure S1, une multiplicité d'ailettes A1, A2, A3 ... Ai ..., et une plaque supplémentaire inférieure S2. Les ailettes sont identiques entre elles, et on voit sur les figures que les ailettes Al, A2 et A3 sont en contact mutuel d'une part par des rebords annulaires 1 de forme tronconique, entourant des perforations circulaires 2, d'autre part par les bords marginaux 3 aux deux extrémités de la longueur de chaque ailette, qui sont repliés obliquement par rapport au plan général de celle-ci. Comme on le voit en particulier sur la figure 2, chacun des rebords 1 est incliné vers le bas et vers son axe de révolution 4, la face inférieure et extérieure de chacun d'eux s'appuyant sur la face supérieure et intérieure du rebord correspondant de l'ailette placée immédiatement au-dessous. De façon analogue, les bords 3 sont orientés selon des plans inclinés, vers le haut et vers l'extérieur, chacun d'eux s'appuyant par sa face inférieure et extérieure sur la face supérieure et intérieure du bord correspondant de l'ailette située immédiatement au-dessous. D'autres ailettes non représentées sont interposées entre l'ailette A3 et l'ailette Ai, et entre l'ailette Ai et la plaque S2. Tous les rebords 1 alignés selon un même axe vertical 4 forment une conduite 5 pour le passage d'un fluide caloporteur, qui est séparée, de façon étanche aux fluides, des intervalles minces 6, subsistant entre les ailettes autour des rebords 1, par le brasage de ceux-ci, ce brasage pouvant être réalisé par les techniques courantes dans le domaine des échangeurs de chaleur à tubes et ailettes. Chaque ailette présente plusieurs trous et plusieurs rebords répartis sur sa surface. Six trous sont représentés par exemple dans l'ailette Ai, alignés dans la direction longitudinale de l'ailette en deux rangées de trois trous juxtaposées, auxquelles correspondent par conséquent deux rangées de trois conduites 5. Deux conduites 5 voisines appartenant respectivement aux deux rangées débouchent dans une même cuvette 7 formée par emboutissage de la plaque inférieure S2, laquelle présente des bords marginaux inclinés 8 semblables aux bords 3 des ailettes, qui s'appuient sur les bords 3 de l'ailette inférieure de l'empilement. Trois cuvettes 7, allongées transversalement par rapport à la direction longitudinale de la plaque, sont ainsi associées aux trois paires formes par les conduites 5. En dehors de ces cuvettes et des bords 8, la plaque S2 présente une face supérieure plane qui vient en contact avec la face inférieure plane de la dernière ailette, ces faces planes en contact étant mutuellement reliées par brasage de façon que chaque conduite communique, entre la plaque S2 et la dernière ailette, exclusivement avec la conduite qui débouche dans la même cuvette.Ainsi, les deux conduites débouchant dans une même cuvette forment avec celle-ci un trajet en U pour le fluide. La plaque supérieure S1 présente également des bords marginaux inclinés vers le haut 9 semblables aux bords 3 des ailettes et aux bords 8 de la plaque S2, dont la face inférieure et extérieure s'appuie sur la face supérieure et intérieure des bords 3 de l'ailette 1. Par ailleurs, la plaque S1 présente deux zones embouties 10 et 11 s'écartant de la face supérieure de l'ailette Al, allongées dans la direction longitudinale des plaques et mutuellement juxtaposées dans la direction latérale. Autour de chacune des zones 10 et 11, la plaque S1 s'appuie sur la face supérieure plane de l'ailette Al, et est liée de façon étanche à celle-ci par brasage.Ces deux zones définissent, entre la plaque S1 et l'ailette Al, deux chambres de fluide 12 et 13 dans lesquelles débouchent respectivement les deux rangées de conduites 5. La chambre 12 constitue par exemple une chambre d'entrée du fluide dans l'échangeur de chaleur, à partir de laquelle le second fluide descend par les conduites 5 de la rangée correspondante, puis passe, par l'intermédiaire des cuvettes 7, dans les conduites 5 de l'autre rangée, par lesquelles il remonte dans la chambre de sortie 13. Le fluide passe ainsi de la chambre 12 à la chambre 13 par plusieurs trajets parallèles en U. Bien entendu, le fluide pénètre dans la chambre 12 et sort de la chambre 13 par des tubulures d'entrée et de sortie non représentées.Bien entendu également, la boîte collectrice formée par l'ailette Al et la plaque S1 peut présenter deux chambres disposées de façon différente des chambres 12 et 13 décrites ci-dessus, ou une seule chambre ou un nombre de chambres supérieur à deux, pour définir toutes sortes de trajets de fluide en une passe, deux passes ou plus, comme connu en soi. Si le nombre de passes est impair, la plaque inférieure S2 assurant une communication entre les conduites prises deux à deux peut être remplacée par une plaque analogue à la plaque S1, coopérant avec l'ailette inférieure pour former une boîte collectrice comportant une ou plusieurs chambres de fluide, dont une chambre d'entrée ou de sortie. Un courant d'air, destiné à échanger de la chaleur avec le fluide circulant dans les conduites 5, s'écoule dans les intervalles 6 entre les ailettes, dans la direction latérale de celles-ci. L'épaisseur de ces intervalles est défini par les caractéristiques géométriques des rebords 1, sans nécessiter d'outillage pour le positionnement relatif des ailettes. L'appui mutuel des bords 3, 8 et 9 des différentes plaques, de préférence immobilisés par brasage, renforce la rigidité de l'ensemble. Dans l'échangeur de chaleur des figures 1 et 2, tous les rebords annulaires 1 sont tournés vers le bas, c'est-à-dire vers la plaque S2. I1 en résulte que les rebords de l'ailette non représentée adjacente à la plaque S2 font saillie dans les cuvettes 7. Le fluide parvenant dans l'une de celles-ci doit donc s'éloigner du plan de l'ailette pour pouvoir pénétrer dans la conduite aval, ce qui entraîne un freinage du courant de fluide. Cet inconvénient est évité dans la variante de la figure 3. Dans celle-ci, les rebords annulaires 1-1 définissant la conduite amont de chaque trajet en U, où le fluide circule vers le bas, sont tournés eux aussi vers le bas, tandis que les rebords 1-2 définissant la conduite amont où le fluide circule vers le haut sont tournés vers le haut. L'orientation vers le haut du rebord 1-2 de l'ailette An adjacente à la plaque S2 facilite la pénétration du fluide dans la conduite correspondante. I1 en est de même de l'orientation vers le bas du rebord 1-1 de l'ailette non représentée située à l'extrémité supérieure de l'empilement, par lequel le fluide pénètre dans la conduite amont descendante. On remarque sur la figure 3 que la plaque supplémentaire S2 n'est accolée à l'ailette An qu'au voisinage immédiat de la cuvette 7, et s'en écarte par ailleurs. Un tel contact localisé, tout autour de chaque cuvette 7, suffit pour assurer l'étanchéité des trajets de fluide à ce niveau. Revendications 1. Échangeur de chaleur pour l'échange de chaleur entre un premier fluide à l'état gazeux et un second fluide en circulation, comprenant un empilement de plaques minces ou ailettes (Al, A2...) conductrices de la chaleur définissant entre elles une série d'intervalles (6) de faible épaisseur pour le passage d'un courant du premier fluide, les ailettes étant ainsi balayées par ledit courant et étant également en contact thermique avec le second fluide qui circule dans une multiplicité de conduites (5) traversant les ailettes et s'étendant sensiblement dans la direction de l'empilement, caractérisé en ce que chacune desdites conduites est formée par l'emboîtement et la liaison étanche mutuels de rebords annulaires (1) appartenant aux ailettes et entourant des trous (2) qui traversent l'épaisseur de celles-ci. 2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits rebords ont une forme tronconique. 3. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits rebords sont mutuellement reliés de façon étanche par brasage. 4. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lune au moins (Al) des deux ailettes d'extrémités de l'empilement constitue une paroi d'une boîte collectrice (Al, S1) par laquelle ledit second fluide pénètre dans l'échangeur et/ou en sort, la boîte collectrice communiquant avec lesdites conduites par les trous traversant ladite ailette d'extrémité. 5. Échangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite boîte collectrice est formée, outre l'ailette d'extrémité, par une plaque supplémentaire emboutie (S1) s'écartant de celle-ci en une ou plusieurs zones (10, 11) pour former des chambres de fluide (12, 13) communiquant chacune avec un sous-ensemble desdites conduites (5), et appliquée sur l'ailette de façon étanche autour desdites zones pour délimiter lesdites chambres. 6. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'une des deux ailettes d'extrémités de l'empilement est accolée de façon étanche à une plaque supplémentaire emboutie (S2) qui s'écarte localement de ladite ailette d'extrémité pour former des cuvettes (7) dont chacune communique exclusivement avec deux des trous traversant ladite ailette d'extrémité de façon à établir avec les deux conduites correspondantes un trajet en U pour le second fluide. 7. Échangeur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que deux rebords (1-1, 1-2) d'une même ailette (An), appartenant respectivement à deux conduites associées à une même cuvette (7), sont tournés d'un côté et de l'autre du plan de cette ailette. 8. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la liaison étanche de la plaque supplémentaire et de l'ailette d'extrémité est réalisée par brasage. 9. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que deux bords opposés (3, 9, 8) d'une ailette, ou d'une plaque supplémentaire, situés latéralement par rapport à la direction du courant du premier fluide sont relevés pour s'appuyer sur les bords correspondants également relevés d'une ailette voisine. 10. Échangeur de chaleur selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits bords relevés des différentes plaques sont mutuellement reliés par brasage. 11. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'assemblage mécanique mutuel des ailettes et le cas échéant des plaques supplémentaires est assurée exclusivement par brasage.