Brevet FR2785378A1 — publié le 20000505

Changeur de chaleur à lames, en particulier pour véhicule automobile L'invention se rapporte aux échangeurs de chaleur à lames, encore appelés échangeurs à plaques, utilisables en particulier dans les véhicules automobiles. Elle concerne plus particulièrement un échangeur de chaleur du type comprenant un empilement de lames assemblées entre elles et logées dans un boîtier généralement cylindrique, de manière à former des premières chambres pour la circulation d'un premier fluide et des secondes chambres pour la circulation d'un second fluide, l'échangeur comprenant en outre une entrée et une sortie pour le premier fluide, ainsi qu'une entrée et une sortie pour le second fluide. Un échangeur de chaleur de ce type peut tre utilisé, par exemple, pour assurer le refroidissement de l'huile du moteur et/ou de la boite de vitesse d'un véhicule automobile. On connaît déjà des échangeurs de chaleur de ce type, dans lesquels les lames comportent une ouverture centrale et sont enfilées axialement autour d'une vis centrale creuse servant habituellement au retour de l'un des deux fluides, en particulier de l'huile à refroidir. Un tel échangeur de chaleur nécessite donc une vis centrale délicate et coûteuse à usiner et qui, de plus, introduit des pertes de charges dans le circuit d'huile. En outre, les échangeurs de chaleur de ce type sont prévus pour des applications spécifiques et il est nécessaire à chaque fois de prévoir un échangeur particulier en fonction de l'application à laquelle il est destiné. L'invention a notamment pour but de surmonter les inconv6- nients précités. Elle vise notamment à procurer un échangeur de chaleur du type à lames qui est de conception robuste, se prte à différentes applications, notamment dans le domaine des véhicules automobiles, et qui peut tre réalisé en différentes dimensions en fonction des performances thermiques à obtenir. L'invention propose à cet effet un échangeur de chaleur du type défini en introduction, dans lequel les premières chambres sont formées par des bossages des lames, disposés en ligne, ces premières chambres communiquant entre elles par des premières ouvertures ménagées dans les bossages, et communiquant avec deux extrémités opposées du boîtier qui constituent respectivement l'entrée et la sortie du premier fluide, et dans lequel les secondes chambres sont délimitées par des espaces formés entre les lames en dehors des bossages, ces secondes chambres communiquant entre elles par des secondes ouvertures ménagées dans les lames en dehors des bossages et communiquant avec deux tubulures extérieures au boîtier qui constituent respectivement l'entrée et la sortie du second fluide. Ainsi, l'échangeur de chaleur de l'invention résulte de l'empilement de lames particulières qui comprennent, d'une part, des bossages munis chacun d'une première ouverture, et d'autre part, des secondes ouvertures ménagées dans des régions extérieures aux bossages. Un tel échangeur de chaleur ne nécessite pas le recours à une vis centrale pour le retour de l'un des fluides, étant donné que la circulation du premier fluide s'effectue au travers des chambres délimitées par les bossages et que la circulation du second fluide s'effectue dans les intervalles délimités entre les lames. Un tel échangeur de chaleur peut tre réalisé en différentes dimensions, notamment en faisant varier le nombre des lames empilées dans le boîtier, pour modifier les performances thermiques. En outre, cet échangeur se prte à différentes applications, notamment dans le domaine automobile, en n'étant pas limité spécifiquement au refroidissement de l'huile. Dans la présente description, le terme"lames"doit tre compris comme étant équivalent au terme"plaques"utilisé aussi dans ce type d'échangeur de chaleur. Selon une autre caractéristique de l'invention, les lames sont réalisées chacune sous la forme d'une plaque généralement plane, à partir de laquelle les bossages sont formés en saillie d'un mme côté du plan de la lame. Dans une première forme de réalisation de l'invention, les lames sont identiques entre elles, et les bossages comprennent chacun une face plane dans laquelle est ménagée une première ouverture, les faces planes des bossages des lames étant propres à tre adossées par paires les unes aux autres pour délimiter les premières chambres. Dans une deuxième forme de réalisation de l'invention, les lames sont de deux types différents et sont regroupées par paires, en sorte que leurs bossages respectifs s'emboîtent mutuellement pour délimiter les premières chambres. Dans une troisième forme de réalisation de l'invention, les lames sont identiques entre elles et empilées dans la mme direction, en sorte que les bossages s'emboîtent mutuellement pour délimiter les premières chambres. Selon une autre caractéristique de l'invention, les premières ouvertures sont disposées suivant des lignes parallèles à 1'empilement pour former des canaux parallèles de circulation du premier fluide. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les secondes ouvertures sont disposées suivant des lignes parallèles à 1'empilement et sont prévues en périphérie des lames. Dans une forme de réalisation de l'invention, les secondes ouvertures s'étendent à l'intérieur du boîtier et les deux tubulures débouchent latéralement dans le boîtier. En pareil cas, il est avantageux de prévoir que les deux tubulures débouchent respectivement dans deux parois cylindriques assemblées axialement pour constituer le boîtier. e Dans une autre forme de réalisation, les secondes ouvertures sont regroupées en deux séries alignées, ménagées respectivement dans deux prolongements de chaque lame qui font saillie d'une paroi généralement cylindrique du boîtier, et les deux tubulures communiquent respectivement avec les deux séries alignées des secondes ouvertures. De façon avantageuse, les lames sont brasées entre elles et une paroi généralement cylindrique du boîtier. Dans une réalisation préférentielle, les lames sont circulaires et le boîtier est délimité par au moins une paroi de forme générale cylindrique circulaire. Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels : -la figure 1 est une vue en perspective éclatée, avec arrachement, d'un échangeur de chaleur selon une première forme de réalisation de l'invention ; -la figure 2 est une vue d'extrémité de l'échangeur de chaleur de la figure 1 ; -la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 2 ; -la figure 4 représente un détail à échelle agrandie de la figure 3 ; -la figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'un échangeur de chaleur selon une deuxième forme de réalisation de l'invention ; -la figure 6 est un détail à échelle agrandie de la figure 5 ; et -la figure 7 est une vue partielle en coupe et en perspective d'un échangeur de chaleur selon une troisième forme de réalisation de l'invention. On se réfère d'abord aux figures 1 à 3 qui montrent un échangeur de chaleur 10 comprenant un empilement de lames 12 logées à l'intérieur d'un boîtier 14, de forme générale cylindrique circulaire. Ce boîtier est formé ici par l'assem- blage axial de deux parois cylindriques 16 et 18 (figure 1). Le boîtier 14 comprend une extrémité 20, (ici en partie supérieure) et une extrémité opposée 22, (ici en partie inférieure), qui constituent respectivement l'entrée et la sortie d'un premier fluide F1. Par ailleurs, le boîtier 14 est pourvu de deux tubulures 24 et 26 qui, dans l'exemple, débouchent latéralement et respectivement sur les parois 18 et 16. Les tubulures 24 et 26 constituent respectivement l'entrée et la sortie pour un second fluide F2 susceptible d'échanger de la chaleur avec le premier fluide F1. Les lames 12 sont aménagées pour permettre un tel échange thermique. Ces lames sont réalisées chacune sous la forme d'une plaque généralement plane, réalisée en une matière métallique telle que, par exemple, un alliage à base d'alumi- nium ou un acier inoxydable, en fonction de la nature et de la température des fluides susceptibles de parcourir l'échan- geur de chaleur. Les lames 12 sont embouties et perforées et comprennent chacune une multiplicité de bossages 28 répartis sur la surface de la lame, sauf en périphérie, c'est-à-direà proximité du bord circulaire 30 de chaque lame (figures 1 et 4). Les bossages 28 ont, dans 1'exemple, une forme sensiblement tronconique et possèdent chacun un fond plat 32 dans lequel est ménagé une première ouverture 34 (figure 1). Par ailleurs, chacune des lames. 12, sauf les lames d'extrémités, comportent, en périphérie une multiplicité de secondes ouvertures 36, de forme circulaire, situées régulièrement espacées à proximité de la bordure 30. Les lames 12 sont identiques entre elles et sont regroupées par paires en sorte que les faces planes 32 des bossages 28 soient adossées par paires les unes aux autres, ce qui permet de limiter des premières chambres 38 (figures 1,3 et 4). Ainsi, chaque paire de lames délimite une pluralité de chambres 38 et ces chambres 38 communiquent avec les chambres homologues d'une paire de lames adjacentes et ainsi de proche en proche. Il en résulte que ces lames délimitent une multiplicité de canaux, correspondant chacun à une série alignée de chambres 38, pour permettre la circulation du fluide F1, depuis l'entrée 20 jusqu'à la sortie 22 (figures 1 et 3). Par ailleurs, les paires de lames délimitent entre elles, et en dehors des régions définies par les bossages, des secondes chambres 40 (figures 1,3 et 4) qui communiquent entre elles par les secondes ouvertures 36. Il en résulte que le fluide F2 peut circuler dans les différentes chambres 40, grâce aux ouvertures 36, depuis l'entrée 24 jusqu'à la sortie 26 en échangeant de la chaleur avec le fluide F1. Les parois cylindriques 16 et 18 formant le boîtier, ainsi que les tubulures 24 et 26, sont avantageusement formées dans un matériau analogue à celui des lames et l'ensemble est assemblé par brasage dans un four approprié. La capacité d'échange thermique de l'échangeur de chaleur 10 peut tre modifiée en augmentant ou diminuant le nombre des lames. Cela peut se faire simplement en remplaçant l'un des deux éléments constitutifs de l'échangeur (celui délimité par la paroi 16 ou celui délimité par la paroi 18) par un autre élément de taille différente. Ceci peut tre fait aussi en intercalant entre les deux éléments de l'échangeur de ehaleur, un autre élément comprenant une paroi tubulaire logeant un certain nombre de plaques, et dépourvu de tubulure latérale. Comme on peut le voir sur les figures 1 à 3, les tubulures 24 et 26 sont emmanchées dans des embouts respectifs 42 et 44 qui s'adaptent autour de la paroi 18 ou de la paroi 16, et font communiquer la tubulure avec l'intérieur du boîtier par une ouverture appropriée, respectivement 46 et 48 (figure 3). La circulation des fluides FI et F2 s'effectue comme indiqué par les flèches. On se réfère maintenant à la figure 5 qui décrit une autre forme de réalisation de l'invention dans laquelle le boîtier résulte aussi de l'assemblage axial de deux parois cylindriques 16 et 18 ayant des extrémités respectives 20 et 22 formant l'entrée et la sortie du premier fluide F1. Toutefois, ces deux parois sont espacées l'une de l'autre et logent entre elles un empilement de lames qui, à la diffé- rence de la forme de réalisation précédente, ne sont pas identiques entre elles. Ces lames comprennent des lames de deux types, à savoir des lames 50 et des lames 52 (figure 5). Ces lames sont regroupées par paires, chaque paire comprenant une lame 50 et une lame 52 tournées l'une vers l'autre. Les lames 50 et 52 comportent des bossages respectifs 54 et 56, délimitant des ouvertures circulaires de diamètres différents, en sorte que ces bossages peuvent s'emboîter deux à deux (figure 6) pour délimiter des premières chambres 38 disposées suivant plusieurs séries alignées à la manière de canaux parallèles, comme dans la forme de réalisation précédente. Par ailleurs, les lames 50 ont des prolongements respectifs 58 et 60 propres à coopérer avec des prolongements respectifs 62 et 64 des lames 52. Ces prolongements respectifs constituent des sortes d'oreilles, qui sont en saillie à l'exté- rieur du boîtier, et dans des régions diamétralement opposées. Les lames 50 et 52 ont, en outre, des bords respectifs 66 et 68 permettant leur assemblage étanche mutuel. Par ailleurs, les lames 50 et. 52 présentent chacune des secondes ouvertures 70 et 72 pour délimiter des secondes chambres 40 de circulation du second fluide F2. L'entrée et la sortie de ce second fluide s'effectuent par des tubulures 74 et 76 qui s'étendent à l'extérieur du boîtier et parallèlement à l'axe de celui-ci. La tubulure 74 est reliée à la première ouverture 70 d'une lame d'extrémité 52 (ici en partie inférieure), cette lame étant spécifique et étant fermée du côté de l'autre prolongement. De mme, la tubulure 76 communique avec l'ouverture 70 de la lame 50 située à l'autre extrémité de la pile (ici en partie supérieure). Cette lame est une lame spécifique et est destinée à fermer l'autre prolongement. Cet échangeur de chaleur fonctionne de façon analogue à celui des figures 1 à 4. Il permet un raccordement des différentes tubulures dans des directions parallèles entre elles. On se réfère maintenant à la figure 7 qui montre un empilement de lames 78 qui sont identiques entre elles et toutes dirigées dans le mme sens de l'empilement. Ces lames comportent des bossages respectifs 80 qui délimitent chacun une bordure 82 de forme évasée, en sorte que ces bossages peuvent s'emboîter mutuellement les uns dans les autres pour constituer les premières chambres de l'échangeur de chaleur. Ainsi, il est possible de concevoir un échangeur de chaleur selon l'invention, soit avec des lames identiques regroupées par paires (figures 1 à 4), soit avec des lames différentes regroupées par paires (figures 5 et 6), soit avec des lames identiques empilées dans le mme sens (figure 7). Dans tous les cas, on a avantage à utiliser un boîtier en une ou plusieurs parties, délimité par au moins une paroi de forme générale cylindrique circulaire. Les lames et le boîtier, ainsi que les tubulures, sont avantageusement réalisés dans une mme matière métallique et assemblés entre eux par un brasage. Le choix de cette matière métallique dépendra de l'application envisagée. L'échangeur de chaleur de l'invention peut convenir à différentes utilisations, en particulier dans le domaine de l'automobile. Il peut tre réalisé, par exemple, sous la forme d'un échangeur air/eau, à partir d'éléments brasés en un matériau à base d'aluminium. Egalement, il peut tre réalisé sous la forme d'un échangeur huile/eau en étant formé à partir d'un matériau à base d'aluminium, ou à base d'un acier inoxydable. Il peut aussi constituer un échangeur de chaleur pour les gaz d'échappement d'un moteur de véhicule automobile. Auquel cas, il sera avantageusement formé à partir d'un matériau du type acier inoxydable. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites précédemment à titre d'exemple et s'étend à d'autres variantes. Revendications. 1.-Echangeur de chaleur comprenant un empilement de lames assemblées entre elles et logées dans un boîtier généralement cylindrique de manière à former des premières chambres pour la circulation d'un premier fluide et des secondes chambres pour la circulation d'un second fluide, échangeur comprenant en outre une entrée et une, sortie pour le premier fluide, ainsi qu'une une entrée et une sortie pour le second fluide, caractérisé en ce que les premières chambres (38) sont formées par des bossages (28 ; 54,56 ; 80) des lames (12 ; 50, 52 ; 78), disposés en lignes, ces premières chambres communiquant entre elles par des premières ouvertures (34) ménagées dans les bossages et communiquant avec deux extrémités opposées (20,22) du boîtier (14) qui constituent respectivement l'entrée et la sortie du premier fluide (F1), et en ce que les secondes chambres (40) sont délimitées par des espaces formés entre les lames en dehors des bossages, ces secondes chambres communiquant entre elles par des secondes ouvertures (36 ; 70,72) ménagées dans les lames en dehors des bossages et communiquant avec deux tubulures (24, 26 ; 74,76) extérieures au boîtier, qui constituent respectivement l'entrée et la sortie du second fluide (F2). 2.-Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les lames (12 ; 50,52 ; 78) sont réalisées chacune sous la forme d'une plaque généralement à partir de laquelle les bossages (28 ; 54,56 ; 80) sont formés en saillie d'un mme côté du plan de la lame. 3.-Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lames (12) sont identiques entre elles, et en ce que les bossages (28) comprennent chacun une face plane (32) dans laquelle est ménagée une première ouverture (34), les faces planes (32) des bossages des lames étant propres à tre adossés par paires, les unes aux autres, pour délimiter les premières chambres (38). 4.-Echangeur de chaleur selon la revendication 2, carat6- risé en ce que les lames sont de deux types différents (50, 52) et regroupées par paires en sorte que leurs bossages respectifs (54,56) s'emboîtent mutuellement pour délimiter les premières chambres (3. 8). 5.-Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caracté- risé en ce que les lames (78) sont identiques entre elles et empilées dans la mme direction, en sorte que les bossages (80) s'emboîtent mutuellement pour délimiter les premières chambres (38). 6.-Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les premières ouvertures (34) sont disposées suivant des lignes parallèles à l'empilement pour former des canaux parallèles de circulation du premier fluide (F1). 7.-Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les secondes ouvertures (36) sont disposées suivant des lignes parallèles à l'empilement et sont prévues en périphérie des lames. 8.-Echangeur de chaleur selon la revendication 6, caracté- risé en ce que les secondes ouvertures (36) s'étendent à l'intérieur du boîtier et en ce que les deux tubulures (24 et 26) débouchent latéralement dans le boîtier. 9.-Echangeur de chaleur selon la revendication 8, caracté- risé en ce que les deux tubulures (24 et 26) débouchent respectivement dans deux parois cylindriques (18,16), assemblées axialement pour constituer le boîtier. 10.-Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caracté- risé en ce que les secondes ouvertures (70,72) sont regroupées en deux séries alignées, ménagées respectivement dans des prolongements (58,60 ; 70,72) de chaque lame (70,72) qui font saillie d'une paroi généralement cylindrique du boîtier, et en ce que les deux tubulures (64,76) communiquent respectivement avec les deux séries alignées des secondes ouvertures. 11.-Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les lames sont brasées entre elles et à une paroi généralement cylindrique du boîtier. 12.-Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les lames sont circulaires et le boîtier (14) est délimité par au moins une paroi (16,18) de forme générale cylindrique circulaire.