Brevet FR2814537A1 — publié le 20020329

Échangeur de chaleur pour deux fluides à rendement amélioré L'invention concerne un échangeur de chaleur pour l'échange de chaleur entre un premier fluide et un second fluide, comprenant un faisceau d'échange de chaleur présentant deux extrémités mutuellement opposées dans une première direction et deux côtés mutuellement opposés dans une seconde direction perpendiculaire à la première direction, ledit faisceau comportant une multiplicité de cloisons s'étendant chacune de l'une à l'autre desdites extrémités et de l'un à l'autre desdits côtés et délimitant entre elles, en alternance dans une troisième direction perpendiculaire aux première et seconde directions, des premiers intervalles fermés aux deux extrémités et ouverts sur les deux côtés du faisceau et des seconds intervalles ouverts aux deux extrémités et fermés sur les deux côtés du faisceau, l'échangeur de chaleur comprenant en outre des moyens de guidage pour faire circuler le premier fluide dans les premiers intervalles et le second fluide dans les seconds intervalles de manière à permettre un échange de chaleur entre les fluides à travers les cloisons, les moyens de guidage définissant deux boîtes collectrices pour le second fluide situées respectivement en regard des deux extrémités du faisceau et communiquant avec les seconds intervalles sensiblement sur toute la largeur du faisceau d'un côté à l'autre de celui-ci. Dans les échangeurs de chaleur connus de ce genre, le premier fluide pénètre dans chacun des premiers intervalles par l'un des côtés du faisceau, sur toute la longueur de celui-ci, et en ressort par le côté opposé, également sur toute la longueur, tandis que le second fluide circule dans les seconds intervalles d'une extrémité à l'autre du faisceau. Les deux fluides circulent donc de manière croisée, à savoir dans la seconde direction pour le premier fluide et dans la première direction pour le second fluide. Il peut cependant être souhaitable de faire circuler les deux fluides dans une même direction, soit dans le même sens, soit en sens opposé. En particulier, une circulation en sens opposé, ou à contre-courant, améliore le rendement de l'échange de chaleur entre les deux fluides. Le but de l'invention est de permettre une circulation des deux fluides au moins en partie dans une même direction. L'invention vise notamment un échangeur de chaleur du genre défini en introduction, et prévoit que les moyens de guidage définissent deux boîtes collectrices pour le premier fluide situées chacune en regard de l'un des côtés du faisceau, et communiquant avec les premiers intervalles au total sur une fraction minoritaire de la longueur du faisceau, au voisinage des deux extrémités de celui-ci respectivement, et obturent de manière étanche les premiers intervalles sur la surface restante desdits côtés de manière à établir dans chaque premier intervalle un trajet pour le premier fluide orienté essentiellement dans la première direction. Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémentaires ou alternatives, sont énoncées ci-après : - Le faisceau est formé d'un empilement de plaques dont chacune présente un profil en U ou en C et possède un dos plan constituant l'une desdites cloisons et deux ailes s'étendant hors du plan du dos pour venir en contact étanche avec la face extérieure du dos d'une plaque voisine, l'empilement comportant en alternance des premières plaques dont les ailes sont situées aux extrémités du faisceau et des secondes plaques dont les ailes sont situées le long des côtés du faisceau. - Les moyens de guidage comprennent un boîtier fermé muni de tubulures d'entrée et de sortie pour les fluides et comportant deux joues qui s'étendent selon des plans parallèles aux première et seconde directions de part et d'autre du faisceau. - Le boîtier comporte une paroi tubulaire se raccordant aux joues à la périphérie de celles-ci, s'écartant du faisceau pour définir les boites collectrices et venant en contact étanche avec le faisceau sur ladite surface restante. - Les tubulures d'entrée et de sortie s'étendent dans la troisième direction à partir des joues. - Les boîtes collectrices pour le premier fluide et/ou pour le second fluide présentent le long de la troisième direction une section transversale qui diminue progressivement à partir des tubulures d'entrée et de sortie. - Le boîtier comporte deux parois profilées situées en regard des côtés du faisceau, s'écartant du faisceau pour définir les boîtes collectrices pour le premier fluide et venant en contact étanche avec le faisceau sur ladite surface restante, et deux couvercles situés en regard des extrémités du faisceau, définissant les boites collectrices pour le second fluide. - Les tubulures d'entrée et de sortie pour le premier fluide s'étendent dans la seconde direction à partir des parois latérales et les tubulures d'entrée et de sortie pour le second fluide s'étendent dans la première direction à partir des couvercles. - Chacun desdits seconds intervalles est subdivisé en canaux s'étendant dans la première direction par un intercalaire ondulé dont les crêtes d'ondulation viennent en contact alternativement avec les deux cloisons afin de perturber la circulation du second fluide. - Chacun desdits seconds intervalles est subdivisé en canaux s'étendant dans la première direction par des nervures formées sur l'une des deux cloisons limitant cet intervalle et venant en contact avec l'autre de ces deux cloisons. - Les nervures sont formées sur le dos des secondes plaques et font saillie du même côté du plan de celui-ci que les ailes correspondantes. - Des obstacles propres à perturber la circulation du premier fluide sont prévus dans les premiers intervalles. - Lesdits obstacles sont formés par des enfoncement du dos des premières plaques et font saillie du même côté du plan de celui-ci que les ailes correspondantes pour s'appuyer sur le dos des secondes plaques. - Les deux boîtes collectrices pour le premier fluide sont situées respectivement en regard des deux côtés du faisceau. - Les deux boites collectrices pour le premier fluide sont situées en regard du même côté du faisceau. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront exposés plus en détail dans la description ci-après, en se référant aux dessins annexés. La figure 1 est une vue en perspective d'un échangeur de chaleur selon l'invention. La figure 2 est une vue partielle en perspective de l'échangeur de la figure 1, avec arrachement partiel. La figure 2a est une autre vue partielle en perspective de cet échangeur. La figure 3 est une vue en coupe longitudinale de l'échangeur selon la ligne III-III de la figure 1. La figure 4 représente le détail A de la figure 3 à plus grande échelle. La figure 5 est une vue en coupe de l'échangeur, selon la ligne V-V de la figure 3. La figure 6 est une vue analogue à la figure 1, montrant une variante du boîtier de l'échangeur. La figure 7 est une vue analogue à la figure 4, montrant une variante des premières plaques. La figure 8 est une vue partielle en coupe longitudinale de l'une des premières plaques montrées sur la figure 7. La figure 9 est une vue partielle en plan de cette même plaque. La figure 10 est une vue en perspective d'un autre échangeur de chaleur selon l'invention. Les figures 11 et 12 sont des vues en élévation, respectivement selon la troisième direction et selon la seconde direction, de l'échangeur de la figure 10. La figure 13 est une vue en perspective éclatée de l'échangeur de la figure 10. La figure 14 représente le détail A de la figure 13, à plus grande échelle. La figure 15 est une vue partielle en perspective du faisceau d'un échangeur de chaleur selon l'invention, montrant une forme particulière des secondes plaques. L'échangeur de chaleur représenté sur les figures 1 à 5 comprend un faisceau 1 en forme de parallélépipède rectangle et un boîtier 2 entourant le faisceau 1 de tous côtés. Le faisceau 1 est formé par des plaques empilées dans une direction représentée comme étant verticale sur les figures 1 à 4, appelée ci-après par commodité direction de la hauteur. Ces plaques sont de deux types, empilées en alternance, et sont réalisées en tôle profilée. Chaque plaque 3 d'un premier type comprend un dos rectangulaire 4 s'étendant selon un plan horizontal et deux ailes repliées vers le bas le long des petits côtés du rectangle, chaque aile comportant une partie verticale 5 adjacente au bord du dos, suivie d'une partie 6 repliée horizontalement en direction de l'extrémité opposée de la plaque. La plaque 3 présente donc un profil en C. Chaque plaque 7 du second type présente un profil analogue à celui de la plaque 3, et possède un dos rectangulaire horizontal 8 de mêmes dimensions que le dos 4, et deux ailes en deux parties 9,10 qui s'abaissent au-dessous du plan du dos 8 et s'étendent le long des grands côtés du rectangle, c'est-à-dire dans une direction perpendiculaire à celle de la longueurs des ailes 5,6, les parties 9 étant plus hautes que les parties 5. Les parties horizontales des ailes de chaque plaque s'appuient sur le dos de la plaque de l'autre type située immédiatement au-dessous, auquel elles sont reliées de manière étanche au fluide par brasage. Les plaques 3,7 délimitent entre elles des intervalles s'étendant chacun sur toute la longueur et sur toute la largeur du faisceau, correspondant à la longueur et à la largeur des dos rectangulaires des plaques. Ces intervalles sont également de deux types disposés alternativement dans la direction de la hauteur. Les intervalles 17 d'un premier type, limité vers le haut par un dos 4 et vers le bas par un dos 8, sont fermés aux deux extrémités 11, 12 du faisceau, mutuellement opposées dans la direction longitudinale, par les ailes 5,6 des plaques 3, et ouverts sur les côtés opposés 13,14 du faisceau, sur toute la longueur de celui-ci. Les intervalles 15 du second type, au contraire, sont fermés par les ailes 9, 10 des plaques 7, sur toute la longueur des côtés 13,14, et ouverts sur toute la largeur des extrémités 11, 12. Comme on le voit sur les figures 2 et 2a, des intercalaires 16 sont logés de manière connue dans les intervalles 15. Ces intercalaires sont des feuilles métalliques ondulées selon un profil sensiblement sinusoïdal dont les crêtes d'ondulation viennent en contact alternativement avec les deux dos 4,8 limitant chaque intervalle, auxquels elles sont brasées. Les crêtes d'ondulation s'étendent dans la direction longitudinale du faisceau, de l'une à l'autre des extrémités 11, 12, de sorte que chaque intercalaire divise l'intervalle correspondant en une multiplicité de canaux parallèles pour perturber la circulation du second fluide. Le boîtier 2 comprend une joue supérieure 20, une joue inférieure 21 et une paroi tubulaire ou annulaire 22, toutes en tôle. Les joues 20 et 21 s'étendent selon des plans horizontaux, c'est-à-dire parallèles à ceux des dos 4 et 8, et viennent en appui, dans l'exemple illustré, respectivement sur le dos 8 de la plaque 7 située au sommet du faisceau et sur les parties horizontales 6 des ailes de la plaque 3 située à la base du faisceau. La paroi 22 relie entre eux les bords périphériques des joues 20 et 21, auxquels elle est brasée de manière étanche, formant ainsi une ceinture qui entoure le faisceau 1 dans toutes les directions horizontales. En regard des extrémités 11 et 12 du faisceau, la paroi 22 comporte des régions respectives 23,24 présentant en section par un plan horizontal une forme incurvée dont la concavité est tournée vers le faisceau, de manière à définir, entre chaque extrémité 11,12 et la région correspondante 23, 24, une boite collectrice 25,26 qui communique avec les intervalles 15 sur toute la largeur de ceux-ci entre les ailes 9,10. En regard de chacun des côtés 13,14 du faisceau, la paroi 22 comporte une région plane 26,27 accolée à ce côté, qui se raccorde à l'une des régions incurvées 23,24 et s'étend sur la majeure partie de la longueur du faisceau. Chaque région plane 26,27 est brasée aux parties verticales 9 des ailes des plaques 7 pour fermer latéralement les intervalles 17 de manière étanche au fluide. Chaque région plane 26,27 se raccorde, à l'opposé de la région incurvée 23,24, à une autre région incurvée 28,29 située en regard du côté correspondant 13,14 et délimitant avec celui-ci une boite collectrice 30,31 qui communique avec l'ensemble des intervalles 17, mais sur une petite fraction de la longueur du faisceau. Entre chaque région incurvée d'extrémité 23,24 et la région incurvée latérale voisine 29,28, la paroi 22 présente une zone d'étanchéité 32 brasée de manière étanche au faisceau sur toute la hauteur de celui-ci de manière à éviter toute communication entre les deux boîtes collectrices délimitées par ces régions. Dans l'exemple illustré, chaque zone d'étanchéité 32 est en contact avec un côté 13, 14 du faisceau sur une petite fraction de la longueur de celui-ci. En variante, elle pourrait être en contact avec l'une des extrémités 11,12 du faisceau sur une petite fraction de la largeur de celui-ci, ou simplement avec une arête verticale du faisceau. Chacune des boîtes collectrices 25,26, 30,31 est reliée à une tubulure d'entrée ou de sortie d'axe vertical 35,36, 37, 38 brasée à l'une des joues 20,21 le long du bord d'une ouverture circulaire ménagée dans celle-ci. Dans l'exemple illustré sur les figures 1 à 3 et 5, les deux tubulures d'entrée/sortie affectées à un même fluide, 35 et 36 d'une part, 37 et 38 d'autre part, sont situées l'une au-dessous et l'autre au-dessus du faisceau. Dans la variante de la figure 6, toutes les tubulures sont situées au-dessus du faisceau. Sur la figure 5, la flèche illustre le trajet en forme de S suivi par le fluide dans les intervalles 17, dont une grande partie s'étend dans la direction longitudinale, c'est-à-dire parallèlement au trajet du fluide dans les intervalles 15. Par ailleurs, on voit sur les figures 1 à 3 et 6 que les régions curvilignes d'extrémité 23 et 24 de la paroi tubulaire du boîtier sont inclinées par rapport à la direction verticale, de manière à conférer aux boites collectrices 25, 26 une section par un plan horizontal qui diminue progressivement lorsque ce plan s'éloigne de la tubulure d'entrée/sortie 35,36. Cette disposition améliore la répartition du débit de fluide entre les différents intervalles 15. Dans l'exemple représenté sur la figure 4, aucun obstacle ne vient perturber la circulation du fluide à l'intérieur des intervalles 17. Au contraire, dans la variante de la figure 7, des boutons 40 sont formés par déformation du dos 4 de chaque plaque 3, du côté du plan du dos où se trouvent les ailes 5,6. Ces boutons viennent donc s'appuyer sur le dos de la plaque 7 voisine en même temps que les parties horizontales 6 des ailes. Ils améliorent l'échange de chaleur entre les deux fluides, en perturbant la circulation du fluide dans les intervalles 17, et améliorent également la tenue mécani- que du faisceau. L'échangeur de chaleur représenté sur les figures 10 à 14 comprend un faisceau 1 semblable à celui illustré plus particulièrement sur les figures 2,2a et 4, sous réserve de l'absence des intercalaires 16 et du fait que la hauteur des parties 9 des ailes des plaques 7, et par conséquent des intervalles 15, est la même que celle des parties 5 des ailes des plaques 3, et des intervalles 17, étant observé par ailleurs que les ailes des plaques sont représentées sur les figures 13 et 14 comme étant tournées vers le haut et non plus vers le bas. Le boîtier 50 de l'échangeur de chaleur des figures 10 à 14 est composé de six composants brasés entre eux et au faisceau 1, qui viennent en regard des six faces du faisceau parallélépipédique respectivement. Deux de ces composants sont des joues en tôle planes 51 et 52 qui recouvrent les faces supérieure et inférieure du faisceau de la même manière que les joues 20 et 21 du boîtier 1. Deux autres composants comprennent chacun une bande de tôle 53,54, d'une largeur égale à la hauteur du faisceau, pliée de manière à comporter une région plane 55,56 qui recouvre un côté 13,14 du faisceau sur la majeure partie de la longueur de celui-ci, à partir de l'une de ses extrémités 11, 12, une région intermédiaire 57,58 qui s'écarte du côté 13,14, et une zone d'extrémité 59,60, située dans le même plan que la région 55,56 de manière à s'appliquer également sur le côté 13,14 au voisinage immédiat de l'extrémité opposée 12,11 du faisceau. Sur la région intermédiaire 57,58 de chaque bande 53,54 est fixée une tubulure d'entrée ou de sortie de fluide 61,62 dont l'axe est orienté dans la seconde direction, c'est-à-dire dans la direction de la largeur du faisceau. Les deux derniers composants sont des couvercles emboutis 63, 64 coiffant les extrémités 11, 12 du faisceau et dont chacun définit une tubulure d'entrée ou de sortie 65 orientée selon l'axe longitudinal du faisceau, une région intermédiaire 66 s'évasant en forme de buse en direction du faisceau et quatre rebords plans 67 recouvrant les zones marginales des joues 51,52 et des bandes 53, 54. Les joues 51,52 présentent des élargissements 70 qui coopèrent avec les régions 57,58 des bandes latérales 55,56 pour délimiter des boîtes collectrices qui communiquent d'une part avec les tubulures d'entrée et de sortie 61,62, d'autre part avec les intervalles 17 de la manière décrite précédemment. Ces mêmes joues présentent, en regard des régions planes 55,56 des bandes latérales, des rebords 71 qui sont repliés sur la face extérieure de ces régions, sur des zones marginales de celle-ci. Les buses 66 délimitent quant à elles des boites collectrices qui communiquent d'une part avec les tubulures d'entrée/sortie 65, d'autre part avec les intervalles 15 de la manière décrite plus haut. La figure 15 montre des plaques 80 modifiées par rapport aux plaques 7 décrites précédemment, et qui peuvent être obtenues par extrusion. Chaque plaque 80 comprend un dos plan 81 et une série de nervures longitudinales verticales, parmi lesquelles deux nervures latérales 82 (dont une seule est visible sur la figure 15) qui remplacent les ailes 9,10, et des nervures intermédiaires 83, de même hauteur que les précédentes, qui jouent le rôle de l'intercalaire 16 en subdivisant l'intervalle 15 en une multiplicité de canaux parallèles et en renforçant mécaniquement le faisceau. Entre deux nervures intermédiaires 83, et entre une nervure latérale 82 et une nervure intermédiaire 83, peut être prévue une nervure 84 de moindre hauteur. Bien que, dans les exemples décrits, les deux boîtes collectrices pour le premier fluide soient disposées respectivement sur les deux côtés du faisceau, conduisant à des trajets de fluide en forme de S, ces deux boites peuvent également être situées sur un même côté du faisceau, les trajets du fluide étant alors en forme de U. L'échangeur de chaleur selon l'invention peut être utilisé pour l'échange de chaleur entre deux liquides, entre un liquide et un gaz ou entre deux gaz. Il est utilisable en particulier pour le refroidissement de l'air de suralimentation d'un moteur thermique de véhicule par de l'air ou par un liquide de refroidissement. L'échangeur des figures 10 à 14 est utilisable avantageusement pour le refroidissement des gaz d'échappement d'un moteur thermique de véhicule, en tant que second fluide, par un liquide de refroidissement en tant que premier fluide. Revendications 1. Échangeur de chaleur pour l'échange de chaleur entre un premier fluide et un second fluide, comprenant un faisceau d'échange de chaleur (1) présentant deux extrémités (11,12) mutuellement opposées dans une première direction et deux côtés (13,14) mutuellement opposés dans une seconde direction perpendiculaire à la première direction, ledit faisceau comportant une multiplicité de cloisons (4,8) s'étendant chacune de l'une à l'autre desdites extrémités et de l'un à l'autre desdits côtés et délimitant entre elles, en alternance dans une troisième direction perpendiculaire aux première et seconde directions, des premiers intervalles (17) fermés aux deux extrémités et ouverts sur les deux côtés du faisceau et des seconds intervalles (15) ouverts aux deux extrémités et fermés sur les deux côtés du faisceau, l'échangeur de chaleur comprenant en outre des moyens de guidage (2) pour faire circuler le premier fluide dans les premiers intervalles et le second fluide dans les seconds intervalles de manière à permettre un échange de chaleur entre les fluides à travers les cloisons, les moyens de guidage définissant deux boîtes collectrices (25,26) pour le second fluide situées respectivement en regard des deux extrémités du faisceau et communiquant avec les seconds intervalles sensiblement sur toute la largeur du faisceau d'un côté à l'autre de celui-ci, caractérisé en ce que les moyens de guidage définissent deux boîtes collectrices (30,31) pour le premier fluide situées chacune en regard de l'un des côtés (13,14) du faisceau, et communiquant avec les premiers intervalles au total sur une fraction minoritaire de la longueur du faisceau, au voisinage des deux extrémités de celui-ci respectivement, et obturent de manière étanche les premiers intervalles sur la surface restante desdits côtés de manière à établir dans chaque premier intervalle un trajet pour le premier fluide orienté essentiellement dans la première direction. 2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, dans lequel le faisceau est formé d'un empilement de plaques (3, 7) dont chacune présente un profil en U ou en C et possède un dos plan (4, 8) constituant l'une desdites cloisons et deux ailes (5,6, 9,10) s'étendant hors du plan du dos pour venir en contact étanche avec la face extérieure du dos d'une plaque voisine, l'empilement comportant en alternance des premières plaques (3) dont les ailes (5,6) sont situées aux extrémités (11,12) du faisceau et des secondes plaques (7) dont les ailes (9,10) sont situées le long des côtés (13, 14) du faisceau. 3. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel les moyens de guidage comprennent un boîtier fermé (2) muni de tubulures d'entrée et de sortie (35-38) pour les fluides et comportant deux joues (20,21) qui s'étendent selon des plans parallèles aux première et seconde directions de part et d'autre du faisceau. 4. Échangeur de chaleur selon la revendication 3, dans lequel le boîtier comporte une paroi tubulaire (22) se raccordant aux joues à la périphérie de celles-ci, s'écartant du faisceau pour définir les boîtes collectrices et venant en contact étanche avec le faisceau sur ladite surface restante. 5. Échangeur de chaleur selon la revendication 4, dans lequel les tubulures d'entrée et de sortie s'étendent dans la troisième direction à partir des joues. 6. Échangeur de chaleur selon la revendication 5, dans lequel les boîtes collectrices pour le premier fluide et/ou pour le second fluide présentent le long de la troisième direction une section transversale qui diminue progressivement à partir des tubulures d'entrée et de sortie. 7. Échangeur de chaleur selon la revendication 3, dans lequel le boîtier (50) comporte deux parois profilées (53, 54) situées en regard des côtés (13,14) du faisceau, s'écartant du faisceau pour définir les boîtes collectrices pour le premier fluide et venant en contact étanche avec le faisceau sur ladite surface restante, et deux couvercles (63, 64) situés en regard des extrémités (11, 12) du faisceau, définissant les boites collectrices pour le second fluide. 8. Échangeur de chaleur selon la revendication 7, dans lequel les tubulures d'entrée et de sortie (61,62) pour le premier fluide s'étendent dans la seconde direction à partir des régions écartées (57,58) des parois latérales (53,54) et les tubulures d'entrée et de sortie pour le second fluide s'étendent dans la première direction à partir des couvercles 63,64). 9. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chacun desdits seconds intervalles (15) est subdivisé en canaux s'étendant dans la première direction par un intercalaire ondulé (16) dont les crêtes d'ondulation viennent en contact alternativement avec les deux cloisons (4,8) limitant cet intervalle. 10. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel chacun desdits seconds intervalles est subdivisé en canaux s'étendant dans la première direction par des nervures (83) formées sur l'une (81) des deux cloisons limitant cet intervalle et venant en contact avec l'autre de ces deux cloisons. 11. Échangeur de chaleur selon la revendication 10, rattachée à la revendication 2, dans lequel les nervures (83) sont formées sur le dos (81) des secondes plaques (80) et font saillie du même côté du plan de celui-ci que les ailes correspondantes (82). 12. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel des obstacles (40) propres à perturber la circulation du premier fluide sont prévus dans les premiers intervalles (17). 13. Échangeur de chaleur selon la revendication 12, rattachée à la revendication 2, dans lequel lesdits obstacles sont formés par des enfoncement du dos (4) des premières plaques (3) et font saillie du même côté du plan de celui-ci que les ailes correspondantes (5, 6) pour s'appuyer sur le dos (8) des secondes plaques (7). 14. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les deux boites collectrices pour le premier fluide sont situées respectivement en regard des deux côtés (13,14) du faisceau. 15. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 13, dans lequel les deux boîtes collectrices pour le premier fluide sont situées en regard du même côté du faisceau.