Brevet FR2773875A1 — publié le 19990723

ECHANGEUR DE CHALEUR A PLAQUES SANS CARTER La présente invention concerne un échangeur de chaleur à plaques sans carter comprenant des plaques empilées les unes sur les autres, qui sont munies d'orifices de passage qui forment pour chaque fluide des canaux de passage séparés transversalement par rapport au sens des plaques, qui sont disposées alternativement et dans lesquelles les sens de circulation ou d'écoulement de l'un et l'autre fluide dans les canaux de passage dans l'échangeur de chaleur s'entrecroisent d'un canal de passage vers un canal de passage, et comprenant une plaque de base et une plaque d'extrémité, qui délimitent la pile de plaques de l'échangeur de chaleur. Des échangeurs de chaleur à plaques sans carter du type cité dans le préambule sont connus par exemple par les documents DE 41 25 222 Ai et US 4 708 199, et sont proposés dans lesdits documents sous forme de refroidisseur d'huile refroidi à l'eau. Le document US 4 708 199 montre diverses variantes d'assemblage et modèles d'écoulement à travers le refroidisseur d'huile. Toutes les variantes présentent un point commun, les plaques de l'échangeur de chaleur sont disposées de telle sorte que les orifices de passage forment dans les plaques empilées de l'échangeur de chaleur des canaux débouchants, à travers lesquels s'écoule un fluide pour entrer ou sortir de l'échangeur de chaleur. A l'entrée, le fluide se répartit entre les divers canaux de passage entre les plaques, qui communiquent avec les canaux, et converge à la sortie pour s'accumuler dans le canal d'évacuation correspondant, avant de quitter l'échangeur de chaleur. Les canaux de passage entre les plaques de l'échangeur de chaleur sont disposés alternativement. Ainsi un canal de passage pour l'huile est suivi par exemple d'un canal de passage pour l'eau et ainsi de suite. L'avantage des échangeurs de chaleur de ce type réside dans leur conception compacte et dans le fait que seuls deux types différents de plaques sont nécessaires. Toutefois, dans certaines applications, ces échangeurs de chaleur présentent une trop faible capacité d'échange thermique, étant donné que le trajet de passage à travers l'échangeur de chaleur est court. En outre, les deux types de plaques pour échangeur de chaleur ont une forme très différente, ce qui est un inconvénient sur le plan de la technique de fabrication. Par ailleurs, il existe des échangeurs de chaleur avec carter, dans lequel sont empilées des plaques tubulaires. Dans ces échangeurs de chaleur, l'un des fluides s'écoule dans les canaux de passage dans les plaques tubulaires et l'autre fluide s'écoule dans le carter et ensuite dans les canaux de passage entre les plaques tubulaires. Dans des échangeurs de chaleur de ce type, il est connu de monter des plaques de séparation ou des éléments analogues dans les canaux de passage pour faire en sorte que les fluides s'écoulent à travers l'échangeur de chaleur en suivant un tracé en zigzag. Les coûts de fabrication de ces échangeurs de chaleur sont trop élevés, ils exigent une trop grande quantité de matière et sont donc, pour un rendement identique, plus lourds que les échangeurs de chaleur cités en premier lieu. L'objet de la présente invention est de conserver les avantages de l'échangeur de chaleur mentionné dans le préambule tout en augmentant sa capacité d'échange thermique et en simplifiant davantage sa fabrication. Cet objet est résolu par le fait que les fluides s'écoulent à contrecourant, l'orifice d'entrée et l'orifice de sortie du même fluide étant disposés sur des côtés opposés de l'échangeur de chaleur, et par le fait que chaque fluide s'écoule d'un canal de passage vers le canal de passage post-suivant en décrivant un trajet d'écoulement en forme de zigzag à travers l'échangeur de chaleur à plaques. Grâce à la présente invention, les trajets d'écoulement à travers l'échangeur de chaleur sont nettement allongés, tout en conservant un mode de construction compact, ce qui permet d'accroître le rendement. Les sens de circulation ou d'écoulement de l'un et l'autre fluide à travers les canaux de passage de l'échangeur de chaleur s'entrecroisent d'un canal de passage vers un canal de passage. Ce qui signifie qu'une ligne imaginaire tracée entre l'entrée du fluide dans un canal de passage et la sortie du fluide hors du canal de passage s'entrecroise avec la ligne imaginaire du canal de passage contigu. Chaque fluide décrit un trajet d'écoulement en forme de zigzag à travers l'échangeur de chaleur. Selon la présente invention, l'échangeur de chaleur à plaques peut être constitué soit par des plaques identiques, soit par deux types de plaques, qui sont cependant très peu différentes l'une de l'autre, de telle sorte qu'il en résulte des avantages sur le plan de la technique de fabrication. La différence entre les deux types de plaques pour échangeur de chaleur réside uniquement dans le fait que dans un type de plaque l'un des orifices de passage est fermé. L'autre type de plaque comporte quatre orifices de passage ouverts. Il est prévu de réaliser des soyages autour des orifices de passage. Après l'empilage des plaques, les soyages forment une zone d'assemblage. Il est important que l'un des soyages comporte un épaulement, dont l'extrémité présente un diamètre quelque peu inférieur au diamètre des autres orifices de passage. Après l'empilage des plaques, cette extrémité s'engage dans un orifice de passage de la plaque contiguë, ce qui permet de bloquer la pile de plaques, ainsi, les plaques ne pourront plus se déplacer pendant une manipulation de l'échangeur de chaleur à plaques, par exemple, avant le processus de brasage, ce qui engendrerait de sérieux défauts de fabrication. La légère différence décrite entre les plaques de l'échangeur de chaleur permet de fabriquer les plaques avec un seul outil. Les coûts pour des prestations préliminaires pourront, de ce fait, être sensiblement diminués. Chaque plaque de l'échangeur de chaleur comporte un trou débouchant central, qui est fermé par rapport aux canaux de passage. Pour pouvoir fermer ledit trou, un collet est formé contre chaque trou débouchant, lesquels collets entrent en contact l'un avec l'autre de manière à constituer une zone de brasage appropriée. Dans ledit trou débouchant est posé un organe de fixation amovible, une vis par exemple, dont la tête repose sur la plaque de base de l'échangeur de chaleur et dont la tige est vissée dans un trou taraudé prévu du côté de l'installation. D'autres détails de fixation se dégagent du document DE 196 11 447 Cl, qui permet de réaliser une fixation simple et sûre de l'échangeur de chaleur. Les échangeurs de chaleur selon l'invention conviennent particulièrement bien pour des refroidisseurs de carburant refroidis à l'eau, parce qu'ils proposent dans une construction compacte de longs trajets d'écoulement, qui fournissent un refroidissement à rendement élevé pour les faibles quantités qui circulent dans un refroidisseur de carburant. Étant donné que, par ailleurs, le carburant, en particulier dans les moteurs à injection directe, doit circuler avec des pressions élevées, la perte de pression relativement élevée due au nombre de déviations de l'écoulement peut être acceptée sans inconvénient. Pour améliorer encore davantage le rendement d'échange thermique, il est proposé de monter dans les canaux de passage des chicanes créant des turbulences ou d'autres éléments exerçant une action similaire. La présente invention est expliquée en détail ci- après pour deux modes de réalisation donnés à titre d'exemple, à l'appui des dessins annexés. Il se dégage de cette description d'autres caractéristiques et effets qui pourraient éventuellement s'avérer des caractéristiques essentielles. Le dessin montre: figure 1: une vue de côté du refroidisseur de carburant, en partie en coupe; figure 2: une vue de dessus de la figure 1; figure 3: un type de disposition des plaques de l'échangeur de chaleur; figure 4: une vue du dessus d'une seule plaque pour échangeur de chaleur; figure 5: une coupe B-B dans la figure 4 pour la plaque de type a; figure 6: une coupe B-B dans la figure 4 pour la plaque de type b; figure 7: une coupe A-A dans la figure 4; figure 8: une représentation isolée d'une plaque d'extrémité; figure 9: une coupe C-C dans la figure 8; figure 10: une plaque de base; figure 11: une coupe D-D dans la figure 10; figure 12: un autre type de disposition des plaques pour échangeur de chaleur. Dans le premier mode de réalisation, l'échangeur de chaleur à plaques 1 comprend seulement six plaques. Le nombre de plaques a et b peut être choisi librement et dépend du degré de refroidissement souhaité et d'autres paramètres. L'échangeur de chaleur à plaques 1 comprend, en haut sur la plaque d'extrémité 2, une conduite d'admission d'eau WE et une conduite d'évacuation de carburant KA, et en bas sur la plaque de base 3, une conduite d'évacuation d'eau WA et une conduite d'admission de carburant KE. L'eau et le carburant circulent à contre-courant à travers l'échangeur de chaleur à plaques 1. Dans les conduites de passage 4 pour l'eau et 5 pour le carburant, formées entre les plaques a et b, sont situées des lamelles 6, qui sont destinées à augmenter le débit. L'échangeur de chaleur à plaques 1, monté comme il a été décrit, est formé par des plaques en aluminium revêtues d'un métal d'apport de brasage et a été entièrement réalisé par assemblage brasé. La plaque de base 3, la plaque d'extrémité 2 et toutes les plaques a et b sont toutes munies d'un trou débouchant central 7. Dans ledit trou débouchant 7 se trouve une vis amovible, non représentée, dont la tête repose sur le bord 8 (figure 2) formé par l'orifice de plus petit diamètre réalisé dans la plaque de base 3 (cf. aussi les figures 8 et 10). La représentation déployée des plaques a et b avec les flèches de circulation W pour l'eau et K pour le carburant est illustrée sur la figure 3. Ladite figure montre que les sens de circulation ou d'écoulement de l'eau et du carburant du canal de passage 4 vers le canal de passage 5 s'entrecroisent et que l'eau du canal de passage 4 vers le canal 4 post-suivant et le carburant du canal de passage 5 vers le canal 5 post-suivant décrivent un trajet en forme de zigzag à travers l'échangeur de chaleur à plaques 1. Il en résulte un long trajet d'écoulement pour l'eau et pour le carburant, ce qui favorise l'échange de chaleur. Dans le présent mode de réalisation, l'échangeur de chaleur à plaques 1 est formé par trois plaques du type a, dans lesquelles les quatre orifices de passage des fluides c à f sont ouverts et par trois plaques du type b, dans lesquelles un orifice de passage du fluide est toujours fermé, lequel est repéré en g. Afin de mieux comprendre l'écoulement à travers les plaques, les orifices de passage repérés en c et f dans la plaque a ont été représentés fermés. Ces orifices sont effectivement fermés du fait que la plaque de base 3, non représentée sur la présente figure, qui est assemblée de manière inamovible avec la pile de plaques, obture lesdits orifices c et f. C'est la raison pour laquelle, dans le présent mode de réalisation, comme il a été mentionné ci-dessus, il est nécessaire d'utiliser respectivement trois plaques du type a et trois plaques du type b. Il est toujours avantageux de choisir le même nombre de plaques différentes, afin de pouvoir les réaliser avec des outils doubles, dans lesquels deux outils sont disposés dans un même châssis de guidage, de telle sorte qu'en une seule course il soit possible de réaliser une plaque du type a et une plaque du type b. Comme le montrent les figures 4 à 7, dans lesquelles sont représentées des plaques pour échangeur de chaleur du type a et b, les orifices e et f sont munis d'un soyage 10 orienté vers le bas (figures 5 et 6) et les orifices c et d sont munis d'un soyage 9 orienté vers le haut (figure 7). Les soyages 9 et 10 peuvent s'encastrer l'un dans l'autre lors de l'empilage des plaques a et b ou entrer en contact l'un avec l'autre, afin de former ainsi un bord à braser. L'orifice c est muni d'un soyage 11 avec épaulement. L'extrémité 12 de ce soyage 11 s'engage dans un orifice pour fluide e de la plaque contiguë a ou b, de ce fait, chaque plaque a et b de l'ensemble de la pile est ainsi bloquée de manière à ne pas tourner, comme le montre bien la figure 3. En d'autres termes, les plaques empilées, préparées pour le brasage, restent bien dans la position qui leur a été attribuée. Il est facilement compréhensible que des plaques qui tourneraient l'une par rapport à l'autre engendreraient de sérieux problèmes de qualité, dans certains cas même les produits seraient inutilisables. Ce qui - comme il a été décrit - est évité en toute sécurité. Par ailleurs, les figures montrent que chaque plaque a et b comporte un bord extérieur 13 et un collet 14 qui est formé autour du trou débouchant central 7. Au moment de l'empilage des plaques a et b, le bord 13 et le collet 14 forment une surface de brasage avec le collet 14 et le bord 13 de la plaque contiguë. Les figures 5 et 6 montrent une saillie de repère 15, qui est formée contre le bord extérieur 13. Pour des raisons de différenciation, la saillie de repère 15 sur la figure 5 comporte une découpe 16. Ladite découpe 16 indique qu'il s'agit d'une plaque du type a, dans laquelle tous les orifices de passage sont ouverts. La saillie de repère 15 est utile lorsque les plaques sont empilées à la main, afin de s'assurer ainsi que les plaques sont correctement empilées. Si l'empilage est effectué par un dispositif automatique, il est possible de supprimer la saillie 15. Au cas o les plaques du type a et du type b sont fabriquées avec un outil combiné, il suffit de retirer pour les plaques du type b les poinçons de découpe destinés à l'orifice de passage g et à la découpe 16. Les figures 8 et 9 montrent la plaque d'extrémité 2 appartenant à l'échangeur de chaleur à plaques 1. La plaque d'extrémité 2 constitue la plaque de recouvrement supérieure de l'échangeur de chaleur à plaques 1. La forure centrale 17 est plus grande que la forure centrale 17 réalisée dans la plaque de base 3, décrite ci-après. En outre, la plaque d'extrémité 2 comporte deux autres forures 18 et 19. L'une de ces forures est destinée à recevoir la conduite d'admission d'eau WE et l'autre est destinée à la conduite d'évacuation du carburant KA. Les forures 18 et 19 sont réalisées au centre d'empreintes circulaires 20, qui sont prévues pour améliorer l'assemblage brasé des conduites KA et WE, mais les empreintes 20 sont surtout nécessaires pour garantir que chacun des soyages 9 ou 10, formé autour des orifices c, d, e ou f, puisse se positionner correctement, ce qui permet d'assurer que la plaque d'extrémité 2 est posée de manière plane sur la plaque supérieure a ou b. La plaque de base représentée sur les figures 10 et 11 se différencie de la plaque d'extrémité 2 par le fait que, comme il a déjà été mentionné, la forure centrale 17 est plus petite et par le fait que dans la surface plane 22 de la plaque de base 3 est réalisée une découpe 21, partiellement découpée et pliée, qui s'avance en saillie au-dessus de la surface plane 22. La découpe pliée 21 est destinée à favoriser la fixation de l'échangeur de chaleur à plaques 1, afin d'éviter que l'échangeur de chaleur à plaques 1 ne puisse tourner autour du point de fixation central. La figure 12 montre un deuxième mode de réalisation. À l'exception de la saillie de repère 15 qui, comme il a déjà été décrit, n'est pas nécessaire pour des empilages avec des dispositifs automatiques, le mode de réalisation de la figure 12 est formé par des plaques identiques b. L'orifice de passage fermé est repéré en g. La figure 12 montre que les plaques b ont été respectivement tournées ou décalées l'une par rapport à l'autre de 90 autour de l'axe vertical. De cette manière, une ligne de liaison imaginaire entre les orifices de passage g fermés, et aussi entre les autres orifices de passage identiques, suit un tracé en spirale dans le sens de l'axe vertical autour de l'échangeur de chaleur à plaques 1. Il est ainsi possible de réaliser un échangeur de chaleur à plaques 1 par l'assemblage d'un nombre quelconque de plaques b. Il est évident que si l'on souhaite raccorder les conduites d'admission et/ou les conduites d'évacuation WE, WA, KE, KA à d'autres orifices de passage que ceux représentés dans la figure 12, il est aussi possible de choisir librement l'orifice de passage à fermer. Il est néanmoins important de veiller à fermer toujours le même orifice de passage dans chaque plaque b. Sur la figure 12, le carburant pénètre en bas en f dans le canal de passage 5, en g il s'écoule vers le haut dans le canal de passage 5 suivant, de là il retourne vers l'orifice fermé g, continue vers le haut à travers les orifices de passage c et f qui communiquent avec le canal de passage 5 supérieur suivant, etc. L'eau s'écoule à partir du haut à travers les orifices de passage f et c, il qui communiquent entre eux, vers le canal de passage supérieur repéré en 4. Là l'eau arrive contre l'orifice de passage fermé g et s'écoule vers le côté opposé par les orifices de passage f et c dans le canal de passage post-suivant, également repéré en 4. Là l'eau rencontre à nouveau un orifice de passage g fermé. L'eau s'écoule alors à travers l'orifice de passage c dans la plaque inférieure dans le trajet d'écoulement non représenté. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir de la portée de l'invention. Liste des repères utilisés 1 échangeur de chaleur à plaques sans carter 2 plaque d'extrémité 3 plaque de base 4 canal de passage, eau canal de passage, carburant 6 lamelles 7 trou débouchant central dans les plaques a et b 8 bord 9 soyage orienté vers le haut à partir du plan de la plaque soyage orienté vers le bas à partir du plan de la plaque 11 soyage avec épaulement 12 extrémité du soyage 13 bord extérieur 14 collet formé autour du trou débouchant saillie de repère 16 découpe 17 forure centrale dans la plaque de base et la plaque d'extrémité 18 une forure dans la plaque de base et la plaque d'extrémité 19 autre forure dans la plaque de base et la plaque d'extrémité empreinte 21 découpe formant butée 22 surface de la plaque de base a plaque pour échangeur de chaleur b autre plaque pour échangeur de chaleur c orifice de passage avec soyage à épaulement d deuxième orifice de passage e troisième orifice de passage f quatrième orifice de passage g orifice de passage fermé REVENDICATIONS 1. Échangeur de chaleur à plaques sans carter comprenant des plaques (a et b) empilées les unes sur les autres, qui sont munies d'orifices de passage (c à f) qui forment pour chaque fluide des canaux de passage (4 et 5) séparés transversalement par rapport au sens des plaques (a et b), qui sont disposées alternativement et dans lesquelles les sens de circulation ou d'écoulement de l'un et l'autre fluide dans les canaux de passage (4 et 5) dans l'échangeur de chaleur (1) s'entrecroisent d'un canal de passage (4) vers un canal de passage (5), et comprenant une plaque de base (3) et une plaque d'extrémité (2), qui délimitent la pile de plaques (a et b) de l'échangeur de chaleur, caractérisé en ce que les fluides s'écoulent à contre- courant, l'orifice d'entrée (WE ou KE) et l'orifice de sortie (WA ou KA) du même fluide étant disposés sur des côtés opposés de l'échangeur de chaleur, et en ce que chaque fluide s'écoule d'un canal de passage (4 ou 5) vers le canal de passage post-suivant (4 ou 5) en décrivant un trajet d'écoulement en forme de zigzag à travers l'échangeur de chaleur à plaques (1). 2. Échangeur de chaleur à plaques sans carter selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur à plaques (1) est formé par deux types de plaques (a et b) et chaque plaque de l'échangeur de chaleur comporte au moins quatre orifices de passage (c, d, e et f), qui sont entourés par un soyage (9, 10) formé contre ledit orifice, dont deux s'avancent en saillie au-delà d'un côté du plan de la plaque et les deux autres sont orientés vers l'autre côté du plan de la plaque. 3. Echangeur de chaleur à plaques sans carter selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la différence entre les deux types de plaques pour échangeur de chaleur (a et b) réside dans le fait que l'un des orifices de passage (c, d, e ou f) de l'un des types de plaques (b) est fermé. 4. Echangeur de chaleur à plaques sans carter selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur à plaques (1) est formé par des plaques identiques (b), qui comportent au moins quatre orifices de passage (d, d, e et f), qui sont entourés par un soyage (9, 10) formé contre ledit orifice, dont deux s'avancent en saillie au-delà d'un côté du plan de la plaque et les deux autres sont orientés vers l'autre côté du plan de la plaque, en ce que l'un des orifices de passage (c, d, e ou f), mais toujours le même dans chaque plaque (b), est fermé et en ce que les plaques de l'échangeur de chaleur (b) sont disposées l'une par rapport à l'autre de telle sorte que l'orifice de passage fermé (g) décrit une spirale imaginaire autour de l'échangeur de chaleur à plaques (1). 5. Échangeur de chaleur à plaques sans carter selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins l'un des soyages (9) est muni d'un épaulement (11), qui s'engage lors de l'empilage des plaques de l'échangeur de chaleur dans l'un des orifices de passage (e ou f) de l'autre plaque (a ou b), afin d'assurer que les plaques de l'échangeur de chaleur (a et b ou b et b) ne puissent pas tourner l'une par rapport à l'autre. 6. Échangeur de chaleur à plaques sans carter selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque plaque de l'échangeur de chaleur (a et b) est munie d'un trou débouchant central (7), qui est entouré d'un collet (14) et qui est fermé par rapport aux canaux de passage (4 et 5), en ce que les collets (14) forment une zone d'assemblage après l'empilage des plaques de l'échangeur de chaleur, de telle sorte que le trou débouchant (7) est destiné à recevoir un organe de fixation amovible. 7. Échangeur de chaleur à plaques sans carter selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur à plaques (1) est utilisé en tant que refroidisseur de carburant refroidi à l'eau. 8. Echangeur de chaleur à plaques sans carter selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un orifice d'entrée (WE) et un orifice de sortie (KA) pour différents fluides sont réalisés dans la plaque d'extrémité (2) et un orifice d'entrée (KE) et un orifice de sortie (WA) sont réalisés dans la plaque de base (3). 9. Échangeur de chaleur à plaques sans carter selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plaques de l'échangeur de chaleur (a et b) sont munies d'un bord extérieur (13), qui forme une surface de brasage après l'empilage des plaques (a et b ou b et b). 10. Échangeur de chaleur à plaques sans carter selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'une saillie de repère (15) est réalisée contre le bord extérieur (13), ladite saillie (15) comportant une découpe (16) sur l'un des types de plaques (a).