Brevet FR2732452A1 — publié le 19961004

L'invention se rapporte à un échangeur de chaleur se composant de plusieurs plaques empilées qui comprennent un rebord qui est saillant sur leur plan, les plaques d'échange de chaleur qui se succèdent étant reliées le long de leurs rebords de manière étanche aux gaz ou liquides et formant entre elles des canaux de circulation destinés à deux fluides d'échange de chaleur et qui sont reliés à au moins un autre canal de circulation par des trous réalisés dans les plaques et un nombre déterminé de l'ensemble des canaux présents dans l'échangeur étant affecté à un premier fluide et un second fluide circulant dans les autres canaux, ledit échangeur comprenant au moins une plaque de raccord sur laquelle des tubulures d'arrivée et de départ des fluides sont prévues. Un échangeur de chaleur à plaques connu, décrit dans DE 43 14 808 AI, est conçu en radiateur à huile/agent réfrigérant. Cet échangeur se compose de plusieurs plaques empilées, en forme de bacs, dont les bords circonférentiels sont en appui et étroitement soudés les uns contre les autres. De plus, toutes les plaques ont la même forme. Des canaux de circulation sont formés entre les plaques et un canal affecté au circuit d'huile alternant avec un autre canal destiné au circuit de l'agent réfrigérant. Les plaques comportent des trous sur lesquels les fluides d'échange de chaleur sont dirigés et transmis aux canaux suivants de circulation. Cet échangeur de chaleur à plaques connu est réalisé suivant le principe de pièces identiques et donc sa structure est extrêmement simple et sa fabrication, bon marché. La dimension identique des sections de passage ainsi que le type et le nombre absolument identiques des canaux individuels de circulation ne permettent d'obtenir une capacité suffisante de transfert de chaleur que lorsque les flux massiques et volumiques des deux fluides participant à l'échange de chaleur sont 2 2732452 approximativement égaux. Ceci est par exemple le cas lorsque l'échangeur de chaleur est utilisé en radiateur à huile/agent réfrigérant. L'invention a donc pour objet un échangeur de chaleur à plaques du type tel que spécifié en préambule et qui est réalisé de manière qu'il convienne pour des flux volumiques des deux fluides participant à l'échange de chaleur qui sont très différents. Selon une particularité essentielle de l'invention, les trous des plaques destinés au premier fluide ont une section de passage qui est beaucoup plus grande que celles des trous qui sont destinés au second fluide. Les avantages essentiels de l'invention sont que l'échangeur de chaleur est aussi utilisable pour des flux volumiques des deux fluides participant à l'échange de chaleur qui sont très différents, malgré qu'il conserve une structure simple. De telles utilisations se présentent par exemple dans un radiateur à air d'alimentation/agent réfrigérant ou dans un échangeur de chaleur à gaz d'échappement/agent de chauffage. L'échangeur de chaleur à plaques peut aussi s'utiliser avantageusement pour le refroidissement de gaz d'échappement dans des systèmes de recyclage de ceux-ci. Suivant un mode de réalisation avantageux de l'invention, la section de passage des trous destinés au premier fluide correspond à peu près au quadruple ou même au quintuple de celle des trous destinés au second fluide. Ainsi, la perte de pression du premier fluide est maintenue à une faible valeur. Il est avantageux de prévoir pour le premier fluide un plus grand nombre de canaux de circulation que pour le second lorsque l'échangeur de chaleur est formé de plaques identiques et qu'ainsi la diversité des pièces est réduite à un minimum. Ainsi, la section globale de circulation du premier fluide dans l'empilement de plaques est plus 3 2732452 grande que celle du second fluide. Il est de plus particulièrement avantageux de faire en sorte que deux canaux de circulation du premier fluide fassent suite à un seul de ces canaux destiné au second fluide, de façon que le premier fluide dispose d'une section double de circulation. Suivant un autre mode de réalisation de l'invention, un canal de circulation du premier fluide et un canal de circulation du second fluide sont disposés en alternance à la suite les uns des autres. De plus, la hauteur des canaux du premier fluide est beaucoup plus grande que celle des canaux du second fluide, le rapport des hauteurs étant avantageusement de 3:1. Cette disposition permet de réaliser à peu près tout rapport souhaité des sections correspondantes de circulation, c'est-à-dire que la section de circulation du premier fluide peut ne pas être uniquement un multiple entier de celle du second fluide. Il existe plusieurs possibilités de positionnement des tubulures de raccord des deux fluides d'échange de chaleur. Ainsi, toutes les tubulures de raccord peuvent être disposées par exemple sur une plaque commune et une plaque de montage peut être prévue à l'autre extrémité de l'empilement. Cette plaque de montage permet de fixer de manière simple l'échangeur de chaleur sur un composant de support ou éventuellement aussi directement sur un moteur de véhicule. Deux plaques de raccord sont prévues pour que la longueur des trajets de circulation dans l'échangeur de chaleur ne soit pas déterminée par la position particulière d'un canal individuel, mais qu'elle soit égale pour tous les canaux de circulation, à savoir une plaque de raccord étant disposée sur le côté supérieur et une autre sur le côté inférieur de l'empilement et un raccord destiné au premier fluide ainsi qu'un autre destiné au second fluide étant disposés sur chaque plaque correspondante. Le sens de passage des deux fluides est prévu de manière que l'arrivée du premier fluide et que le départ du second se trouve sur une plaque de raccord et inversement. Des douilles et/ou rondelles disposées entre les plaques au droit des trous forment dans un canal de circulation des canaux de passage pour l'autre fluide. Ainsi, les douilles sont utilisées pour couvrir la grande hauteur dans les canaux de circulation du premier fluide et les rondelles sont prévues dans les canaux de circulation ayant une hauteur inférieure. Les douilles et les rondelles peuvent être positionnées exactement par des cavités correspondantes réalisées dans une pièce intercalaire génératrice de turbulence afin que les trous des rondelles et des douilles soient à l'alignement des trous des plaques de l'échangeur. Lorsque les pièces intercalaires génératrices de turbulence ne se prolongent pas jusque dans les bords de chaque canal de circulation dans lesquels les trous des plaques de l'échangeur sont prévus ou lorsque d'autres moyens générateurs de turbulence sont par exemple réalisés monobloc avec les plaques, il est avantageux que les douilles et/ou les rondelles comportent des moyens de montage qui les centrent sur les trous. Un tel moyen peut consister par exemple en une cheville axiale ou un collet placé sur le côté extrême des douilles ou sur la surface des rondelles. Les douilles peuvent aussi être remplacées par un mode de réalisation des plaques dans lesquelles sont prévus des emboutissages correspondants, les douilles parvenant jusqu'à la plaque suivante et étant reliées de manière étanche à celle-ci. Suivant un mode de mise en oeuvre avantageux de l'échangeur de chaleur à plaques selon l'invention, l'air d'alimentation d'un moteur à combustion interne, avantageusement d'un véhicule, circule dans les canaux destinés au premier fluide et l'agent de refroidissement de ce moteur circule dans les canaux prévus pour le 2732452 second fluide. Ainsi s'obtient un radiateur extrêmement compact de l'air d'alimentation qui a une grande capacité de transfert de chaleur. L'avantage par rapport aux radiateurs connus de l'air d'alimentation qui sont refroidis par l'agent réfrigérant, aucune boite de distribution de l'air d'alimentation placée sur les extrémités des éléments tubulaires individuels n'est nécessaire. Alors que dans les radiateurs connus de ce type, des irruptions d'eau dans le moteur peuvent se produire par suite de fuites, ce risque est négligeable avec l'échangeur de chaleur à plaques selon l'invention, car la liaison des rondelles et des douilles aux plaques est extrêmement fiable et au pire des cas, une fuite peut apparaître dans la zone du bord des plaques. Ceci ne résulte cependant en aucune manière en une irruption d'eau dans le moteur, car l'agent réfrigérant peut s'écouler éventuellement vers l'extérieur, mais ne parvient pas dans le flux d'air d'alimentation. Suivant une autre mode de mise en oeuvre de l'échangeur de chaleur, les canaux de circulation du premier fluide sont raccordés à un conduit des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne d'un véhicule. Le fluide du circuit de chauffage du véhicule, qui peut être aussi l'agent de refroidissement du moteur à combustion interne, circule dans les autres canaux. Ainsi, l'échangeur de chaleur assure la récupération de la chaleur latente des gaz d'échappement. La récupération de la chaleur des gaz d'échappement est importante en particulier dans les moteurs dont la consommation est optimisée et qui produisent en conséquence peu de chaleur perdue qui est utilisée pour le chauffage du véhicule. Par ailleurs, le temps nécessaire à atteindre une température prescrite de service du moteur à combustion interne est abrégé. Pour ne pas nuire à un catalyseur se trouvant dans le conduit des gaz d'échappement par cette récupération de chaleur, il faut que l'échangeur de 6 2732452 chaleur soit monté dans ce conduit en aval du catalyseur. Il est par ailleurs possible d'utiliser l'échangeur de chaleur dans un système de refroidissement des gaz d'échappement recyclés dans le moteur à combustion interne. L'invention va être décrite plus en détail à titre d'exemple en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'un échangeur de chaleur à plaques, la figure 2 est une coupe selon la ligne II-II de la figure 1, la figure 3 est une vue en élévation d'un échangeur de chaleur à plaques comportant des tubulures de raccord sur le côté supérieur et le côté inférieur, la figure 4 est une coupe à échelle agrandie selon la ligne IV-IV de la figure 3, la figure 5 est une coupe de détail d'un assemblage de plaques. La figure 1 représente un échangeur de chaleur 1 se composant de plusieurs plaques empilées 2 à 8. Une plaque de raccord 9 à laquelle sont fixées des tubulures et 11 destinées au premier fluide d'échange de chaleur, de préférence gazeux, ainsi que des tubulures 12 et 13 destinées à un second fluide, de préférence liquide, est disposée sur le côté supérieur de l'échangeur 1. Les tubulures 10 et 11 destinées au fluide gazeux ont une section notablement plus grande que celle des tubulures 12 et 13 destinées au fluide liquide, une des tubulures étant prévue en tubulure d'arrivée 10, 12 et l'autre, en tubulure de départ 11, 13. Leur disposition est telle que les tubulures d'arrivée 10, 12 et les tubulures correspondantes de départ 11, 13 sont opposées en diagonale et que le sens de la circulation des deux fluides soit à contre-courant. Une plaque de montage 14 disposée sur le côté inférieur de l'échangeur de chaleur 1 comporte des trous 15 servant à la fixation de ce dernier à un composant de support. Comme le montre la figure 2, qui est une coupe selon la ligne II-II de la figure 1 à échelle agrandie, les plaques 2 à 8 sont en forme de bacs et donc elles comportent un rebord circonférentiel 2' à 8' qui est en saillie sur leur plan, ces bords étant orientés suivant le même angle et étant plus hauts qu'une distance A comprise entre les plaques. Ainsi, les rebords 2' à 8' des plaques voisines 2 à 8 se chevauchent. Les rebords sont reliés hermétiquement et de manière étanche dans la zone de chevauchement, par exemple par soudage. Des canaux de circulation 20 à 25 formés entre toutes les deux plaques voisines 2 à 8 ont la même section du fait que la distance A séparant deux plaques est constante. Les plaques 2 à 8 sont réalisées de manière identique et comportent des trous circulaires 16 dont le diamètre est plus grand que celui de trous 17, les trous 16 - à gauche sur la figure 2 - et les trous 17 - à droite sur la figure 2 - étant superposés à l'alignement les uns des autres. Une rondelle 18, dont le diamètre intérieur correspond à celui des trous 16, est disposée dans le canal de circulation 20 formé entre les plaques 2 et 3. La rondelle 18 est soudée aux plaques 2 et 3 et forme ainsi un canal de passage du premier fluide, par exemple de l'air d'alimentation d'un moteur à combustion interne, entre la tubulure d'arrivée 10 qui est fixée sur la plaque de raccord 9 et les canaux 21 et 22 formés entre les plaques 3 et 4 ainsi que 4 et 5. Une autre rondelle 18 est disposée et fixée de la même manière entre les plaques 5 et 6, de sorte que le premier fluide arrivant par la tubulure de raccord 10 parvient aussi dans les canaux de circulation 24 et 25. Des rondelles 19 prévues entre les plaques 3 et 4 ainsi que 4 et 5 au droit des trous 17 ont un diamètre intérieur qui correspond à celui de ceux-ci. Une même 8 2732452 disposition de rondelles 19 se trouve entre les plaques 6 et 7 ainsi que 7 et 8. Alors que les rondelles 17 situées entre les plaques 3 et 4 ainsi que 4 et 5 forment un canal de passage du second fluide arrivant par la tubulure de raccord 12, par exemple d'un agent réfrigérant d'un moteur à combustion interne, et se dirigeant vers le canal de circulation 23, les rondelles 19 situées entre les plaques 6 et 7 ainsi que 7 et 8 assurent uniquement l'étanchéité vis à vis des canaux de circulation 24 et 25. Comme le montre la figure 2, le premier fluide circule en parallèle dans les canaux 21, 22, 24 et 25, tandis que le second fluide circule en sens inverse dans les autres canaux 20 et 23. Des pièces intercalaires 26 et 27 générant une turbulence, disposées dans les canaux 20 à 25 et soudées aux plaques 2 à 8 améliorent le transfert de chaleur et la résistance mécanique de l'échangeur de chaleur 1. Ces pièces 26 et 27 sont réalisées différemment, les pièces 27 étant prévues dans les canaux 21, 22, 24 et 25 affectés à la circulation de l'air d'alimentation et les pièces 26 étant prévues dans les canaux 20, 23 prévus pour l'agent réfrigérant. Les pièces intercalaires 26 et 27 comportent des cavités 28 et 29 dans la zone des trous 16 et 17 pour ne pas gêner la circulation vers les canaux voisins. Ces cavités 28 et 29 peuvent avoir une grandeur leur permettant de loger les rondelles 18 et 19 afin que celles-ci soient tenues en position exacte avant le soudage de l'échangeur de chaleur 1. Une plaque de montage 14 se trouvant sur le côté inférieur de l'empilement des plaques assume également la fonction de pièce d'obturation des trous 16 et 17 de la plaque inférieure 8. D'autres dispositions des canaux de circulation que celle que représente la figure 2 peuvent être réalisées et prévoir par exemple trois canaux parallèles de circulation du premier fluide qui font suite à un seul 9 2732452 canal de circulation du second fluide. Il faut toutefois qu'avec une telle disposition, les plaques formant le canal central comportent des trous communiquant avec chacun des canaux voisins pour permettre le passage du premier fluide de ce canal central dans chacun de ceux-ci et inversement. La figure 3 représente en élévation un échangeur de chaleur à plaques 30 qui comporte sur le côté supérieur une tubulure 31 d'arrivée du premier fluide et une tubulure 34 de départ du second fluide. Une plaque de raccord 35, sur laquelle sont prévues une tubulure 33 d'arrivée du second fluide et une tubulure 32 de départ du premier fluide, se trouve sur le côté inférieur de l'échangeur de chaleur 30. Celui-ci se compose de plusieurs plaques 40 et 41, les plaques 41 comportant des rebords 41' de hauteur notablement plus grande que celle des rebords 40' des plaques 40. Ainsi, un canal 40 de circulation du second fluide et un canal 41 de circulation du premier fluide se succèdent en alternance dans l'empilement de plaques, le second fluide circulant dans le canal supérieur et dans le canal inférieur. Les rebords hauts 41' des plaques 41 forment des canaux ayant une grande section de passage. La figure 4, qui est une coupe à échelle agrandie selon la ligne IV-IV de la figure 3, montre que les cloisons latérales 40' et 41' des plaques 40 et 41 sont perpendiculaires au plan de ces dernières et ont des hauteurs différentes. Une partie 42 élargie radialement de chacun des rebords 40' et 41' permet d'empiler les plaques 40 et 41, la hauteur h du rebord 40 et la hauteur H du rebord 41' déterminant la distance particulière séparant deux plaques successives 40 et 41. Il en résulte des canaux de circulation 37 et 38 ayant des sections très différentes de circulation et il est possible de déterminer un rapport quelconque de ces sections en fonction de chacune des hauteurs h et H. Dans l'exemple 2732452 de réalisation représenté, le rapport des hauteurs H:h est d'environ 3:1. Une plaque de raccord 39 sur laquelle se trouve la tubulure 31 est disposée au-dessus de la plaque supérieure 40 de l'échangeur. Toutes les plaques 40 et 41 comportent sous cette tubulure un trou 46 qui a un diamètre notablement plus grand que celui d'un trou 47 situé sur l'autre côté de ces plaques. La plaque d'échange de chaleur 40 comporte des bossages 43 formés par emboutissage et qui d'une part servent de générateurs de turbulence et d'autre part assurent le maintien d'une distance prescrite entre la plaque de raccord 39 et la plaque 40 de l'échangeur. Un canal de circulation 37 du second fluide est formé entre ces deux plaques. Une rondelle 49 est prévue entre ces plaques 39 et 40 de manière à former un canal de passage du premier fluide et afin de séparer celui-ci du canal de circulation 37. Un canal 38 destiné à la circulation de ce premier fluide est formé entre les plaques 40 et 41 de l'échangeur. Le canal de passage du second fluide est formé dans les canaux de circulation 38 par une douille 45 en raison de la grande hauteur H. Aucune pièce intercalaire génératrice de turbulence n'étant prévue dans les canaux de circulation 37, il faut assurer le positionnement exact des rondelles 49 d'une manière différente de celle que représente la figure 2. A cette fin, les côtés extrêmes des rondelles 49 comportent des collets 48 qui font saillie axialement et pénètrent dans les trous 46. Les douilles 45 peuvent être conformées et fixées de cette manière. Une pièce intercalaire 44 génératrice de turbulences et dont la hauteur correspond à la distance séparant les plaques 40 et 41 se trouve dans le canal de circulation 38. Une autre plaque 40 et une autre plaque 41 alternant régulièrement font suite jusqu'à la plaque inférieure de raccord 35. il 2732452 La figure 5 est une coupe de détail de deux plaques superposées 2, 3 dans lesquelles des emboutissages 50 de la plaque 3 remplacent les douilles. Ces emboutissages 50 parviennent jusqu'à la plaque 2 à laquelle ils sont reliés de manière étanche, par exemple par soudage. Les échangeurs de chaleur 1 et 30 sont de préférence réalisés en matériau à base d'aluminium pour des raisons de poids. Selon l'utilisation prévue, par exemple lorsque les fluides en circulation sont corrosifs, il faut que l'échangeur de chaleur soit réalisé en acier allié, comme tel est le cas par exemple pour les utilisations dans les systèmes à gaz d'échappement. 12 2732452 REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur (1, 30) se composant de plusieurs plaques empilées (2 à 8; 40, 41) qui comportent un rebord circonférentiel (2' à 8'; 40', 41') qui est en saillie sur leur plan, les plaques qui se succèdent étant reliées par leurs rebords (2' à 8'; 40', 41') de manière étanche aux gaz et aux liquides et formant entre elles des canaux de circulation (20 à 25; 37, 38) destinés à deux fluides d'échange de chaleur et dont chacun est relié à au moins un autre par des trous (16, 17; 46, 47) réalisés dans lesdites plaques (2 à 8; , 41) et un nombre déterminé de l'ensemble des canaux de circulation présents dans l'échangeur (1, 30) étant affectés à un premier fluide et les autres canaux étant réservés à la circulation d'un second fluide, ledit échangeur comprenant au moins une plaque de raccord (9; 36, 39) sur laquelle sont fixées des tubulures (10 à 13; 31 à 34) d'arrivée et de départ des fluides d'échange de chaleur, caractérisé en ce que les trous (16, 46) destinés au premier fluide ont une section de passage notablement plus grande que celles des trous (17, 47) réservés au second fluide. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section de passage des trous (16, 46) destinée au premier fluide correspond à peu près au quadruple jusqu'au quintuple de celle des trous (17, 47) réservés au second fluide. 3. Echangeur de chaleur selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le nombre des canaux de circulation (21, 22, 24, 25) affectés au premier fluide est plus grand que celui des canaux de circulation (20, 23) réservés au second fluide. 4. Echangeur de chaleur selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'un canal 13 2732452 (37) de circulation du second fluide et un canal (38) de circulation du premier fluide se succèdent en alternance. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que deux canaux (21, 22; 24, 25) de circulation du premier fluide succèdent à un unique canal (20; 23) de circulation du second fluide. 6. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que toutes les tubulures (10 à 13) sont disposées sur une plaque commune de raccord (9) et une plaque de montage (14) est prévue à l'autre extrémité de l'empilement de plaques. 7. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que deux plaques de raccord (36, 39) sont prévues et une tubulure (31, 32) destinée au premier fluide et une autre tubulure (33, 34) destinée au second fluide sont prévues sur chacune de ces plaques. 8. Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la hauteur (H) des canaux (38) de circulation du premier fluide est plus grande que la hauteur (h) des canaux (37) de circulation du second fluide liquide, le rapport des hauteurs (H:h) étant de préférence d'environ 3:1. 9. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des pièces intercalaires (26, 27; 44) génératrices de turbulence et ayant des conformations différentes sont prévues dans les canaux (21, 22, 24, 25; 38) de circulation du premier fluide et dans les canaux (20, 23 37) de circulation du second fluide. 10. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des douilles (45) et/ou des rondelles (18, 19; 49) qui forment dans un canal de circulation (20 à 25; 37, 38) des canaux de passage de l'autre fluide sont disposées 14 2732452 entre les plaques (2 à 8; 40, 41)au droit des trous (16, 17; 46, 47). 11. Echangeur de chaleur selon la revendication , caractérisé en ce que les douilles (45) et/ou les rondelles (49) comportent des moyens pour le montage centré sur les trous (46, 47) et qui sont avantageusement formés par un collet axial (48). 12. Utilisation d'un échangeur de chaleur à plaques selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'air d'alimentation d'un moteur à combustion interne, avantageusement d'un véhicule, passe dans les canaux (21, 22, 24, 25; 38) de circulation du premier fluide et l'agent réfrigérant de ce moteur passe dans les canaux (20, 23; 37) de circulation du second fluide. 13. Utilisation d'un échangeur de chaleur à plaques selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que les canaux (21, 22, 24, 25; 38) de circulation du premier fluide sont raccordés au conduit des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne d'un véhicule pour récupérer la chaleur latente de ces gaz qui passent par ces canaux et le fluide du circuit de chauffage du véhicule passe dans les canaux (20, 23; 37) de circulation du second fluide. 14. Utilisation d'un échangeur de chaleur à plaques selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne passent par les canaux (21, 22, 24, ; 38) de circulation du premier fluide et un agent réfrigérant passe dans des canaux (20, 23; 37) de circulation du second fluide, les gaz d'échappement refroidis dans l'échangeur étant recyclés dans le système d'aspiration du moteur.