Brevet FR2850740A1 — publié le 20040806

VTM1437.FRD Echangeur de chaleur à plaques à haute tenue à la pression, en particulier pour circuit de climatisation de véhicule automobile L'invention se rapporte aux échangeurs de chaleur, notamment pour véhicules automobiles. Elle concerne plus particulièrement un échangeur de chaleur constitué par une multiplicité de plaques courantes empilées délimitant de premiers canaux d'écoulement pour un premier fluide Fl et de seconds canaux d'écoulement pour un second fluide F2, les premiers canaux alternant avec les seconds 15 canaux, des premiers conduits de passage étant prévus pour assurer une communication entre les premiers canaux d'écoulement et de seconds conduits de passage étant prévus pour assurer une communication entre les seconds canaux d'écoulement. Un échangeur de chaleur de ce type, appelé aussi échangeur à lames, est connu en particulier d'après les publications de brevets français FR 9907833 du 21/06/1999 et FR 99 07930, également du 21/06/1999. Toutefois, dans des échangeurs à 25 plaques de ce type, les conduits de passage qui permettent l'écoulement du premier fluide et du second fluide d'un canal d'écoulement à l'autre sont obtenus par emboutissage des plaques de l'échangeur de manière à former un bossage réuni à la plaque adjacente par brasage. La réalisation de l'embou30 tit donne naissance à une zone amincie, donc fragilisée. Par ailleurs, les zones de l'échangeur qui comportent les trous de passage du fluide ne sont pas réunies l'une à l'autre de sorte que cette zone est la plus sensible à la tenue mécanique de l'échangeur. En conséquence, un échangeur de ce type 35 n'est pas capable de résister à une pression élevée. La présente invention a précisément pour objet un échangeur de chaleur à plaques capable de résister à de hautes pressions de fonctionnement, par exemple supérieures à 100 bars. 40 Elle s'applique en particulier aux échangeurs internes C02/CO2, aux réchauffeurs ou refroidisseurs de C02 avec de l'eau de refroidissement, tels que des évaporateurs ou des refroidisseurs de gaz frigorigène (en anglais "gas cooler") des circuits de climatisation fonctionnant au C02. Ces buts sont atteints, conformément à l'invention, par le fait que les premiers et les seconds conduits de passage sont constitués par des rondelles disposées entre deux plaques successives. Ces rondelles sont massives et donc très résistantes mécaniquement. L'une des faces de la rondelle est brasée à une plaque, tandis que l'autre face de la rondelle est brasée à la plaque adjacente. Chaque rondelle joue ainsi le rôle d'une 15 entretoise qui solidarise chaque paire de plaques au niveau des ouvertures de passage des fluides de l'échangeur. La tenue à la pression de l'échangeur est de ce fait augmentée de manière très importante. Cette caractéristique permet d'augmenter considérablement la pression d'éclatement de 20 l'échangeur sans réduire ses performances. L'échangeur peut être utilisé pour effectuer l'échange thermique entre tout type de fluide (gaz, liquide, multiphases). Dans une boucle de C02, il peut être utilisé comme 25 évaporateur échangeant de la chaleur entre le fluide de climatisation, par exemple de type R744, et l'eau à refroidir. Cette eau circule ensuite dans un radiateur froid d'un appareil de ventilation et de climatisation de l'habitacle du véhicule. Il peut également être utilisé comme refroidisseur 30 de gaz entre le fluide de climatisation R744 et l'eau de refroidissement. Cette eau provient d'une boucle de refroidissement du véhicule. Dans une réalisation particulièrement avantageuse, les 35 rondelles sont munies de languettes rabattues gerbables qui se superposent les unes aux autres. Ainsi, les languettes se brasent les unes aux autres pour faire un effet d'entretoise et améliorer encore la tenue à la pression de l'échangeur. Conformément à une réalisation avantageuse, les rondelles possèdent un épaulement de centrage reçu dans une découpe d'une plaque de l'échangeur. L'écartement entre deux plaques successives de l'échangeur 10 est avantageusement compris entre 0,3 mm et 0,9 mm. Les rondelles peuvent être réalisées par un procédé choisi dans le groupe comprenant le matriçage, l'emboutissage et le découpage non débouchant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées. Sur ces figures: la figure 1 est une vue générale en perspective d'un échangeur de chaleur à plaques; la figure 2 est une vue partielle en coupe d'un échangeur de chaleur à plaques conforme à l'art antérieur; 25 la figure 3 est une vue schématique en coupe partielle d'un échangeur illustrant la circulation du premier et du second fluide; la figure 4 est une vue partielle en coupe d'un échangeur à plaques conforme à l'invention; la figure 5 est une vue partielle en coupe d'un mode préféré de réalisation des rondelles d'un échangeur conforme à 35 l'invention; la figure 6 est une vue en coupe d'une rondelle à échelle agrandie comportant un trou débouchant; X 2850740 la figure 7 est une vue en coupe à échelle agrandie d'une rondelle non débouchante. On a représenté sur la figure 1 une vue en perspective d'un 5 échangeur de chaleur à plaques. Etant donné que la structure interne de l'échangeur n'est pas représentée sur cette figure, elle illustre aussi bien l'art antérieur que l'invention. L'échangeur de chaleur comprend une multiplicité de plaques, ou lames, empilées selon une technique d'assemblage dite "en écailles". L'échangeur comprend des premières plaques 10 qui alternent avec des secondes plaques 12 de configuration différente. Les premières plaques 10 présentent chacune un 15 fond 14 entouré par un bord périphérique 16 relevé vers le haut (voir figures 2 et 4). Le fond 14 est muni d'ondulations 18, de forme sensiblement sinusodale définies par des génératrices parallèles entre elles qui s'étendent dans une première direction. Les secondes plaques 12, disposées en 20 alternance avec les premières plaques 10, présentent chacune un fond 20 entouré par un bord périphérique relevé 22 (voir figures 2 et 4), ayant une forme homologue de celle du bord périphérique 16 précité. Le fond 20 comporte des ondulations 24 de forme sensiblement sinusodale, définies par des 25 génératrices s'étendant dans une seconde direction qui est sensiblement perpendiculaire à la première direction. Les plaques 10 et 12 sont formées par emboutissage d'une tôle métallique, à base d'aluminium ou d'acier, de préférence 30 d'acier inoxydable. Elles ont par exemple une forme générale rectangulaire mais pourraient présenter une autre forme. L'échangeur représenté sur la figure 1 comprend en outre une tubulure d'entrée 26 et une tubulure de sortie 28 pour le premier fluide Fl, ainsi qu'une tubulure d'entrée 30 et une 35 tubulure de sortie 32 pour le second fluide F2. Les plaques et 12 sont empilées et leurs bords relevés respectifs 16 et 22 sont brasés pour assurer une liaison mécanique étanche. Par ailleurs, les ondulations 18 d'une première plaque sont en contact avec les ondulations 24 d'une seconde plaque adjacente. Les plaques 10 et 12 délimitent ainsi entre elles des canaux 34 pour le premier fluide Fl qui alternent avec des canaux 36 pour le second fluide F2. On a illustré schématiquement sur la figure 3 la circulation du premier fluide Fl et du second fluide F2 dans un échangeur à plaques tel que celui de la figure 1. Le fluide Fl pénètre dans l'échangeur par la tubulure d'entrée 26 et circule entre les premières plaques 10 et les premières plaques 12 comme 10 schématisé par la flèche 40. Le fluide F2 pénètre dans l'échangeur par la tubulure d'entrée 32. Il est guidé jusqu'au premier canal d'écoulement 36 par le conduit de passage 44 situé immédiatement dans le prolongement de la tubulure d'entrée 32. Une partie du fluide F2 s'écoule à 15 contre courant du fluide Fl dans le canal d'écoulement 36, tandis que l'autre partie du fluide gagne les autres canaux d'écoulement parallèles par le conduit de passage 44 situé entre les plaques 10 et 12 suivantes. Comme on le constate sur cette figure, les premiers conduits de passage 42 pour le 20 premier fluide Fl alternent avec les seconds conduits de passage 44 pour le second fluide F2. De cette manière, les fluides sont séparés l'un de l'autre et les premiers canaux d'écoulement 34 alternent avec les seconds canaux d'écoulement 36, la circulation des fluides s'effectuant à compte 25 courant dans l'exemple représenté, sans que cette caractéristique soit impérative. Dans l'échangeur de l'art antérieur représenté sur la figure 2, les plaques 10 comportent des bossages 46 réalisés par 30 emboutissage au milieu desquels se trouve un trou circulaire 48 permettant la traversée du fluide. Les plaques 12, quant à elles, comportent également un trou de passage circulaire pour la traversée du fluide, mais ne comportent pas de bossage embouti. Leur surface est donc plane. L'embouti 46 35 d'une plaque 10 vient au contact de la face plane de la plaque immédiatement supérieure (selon la figure 2). Au moment du brasage, le bossage 46 est assemblé à la face plane de la plaque voisine, ce qui réalise des conduits de passage 42 et 44 décrits en référence à la figure 3. Cette technique de réalisation des conduits de passage est simple, mais comme on l'a expliqué antérieurement, elle ne permet pas à l'échangeur de résister à la pression. En effet, du fait de la présence de l'embouti, les plaques 10 présentent des zones 5 fragilisées 49 proches des ondulations 18. D'autres part, les plaques ne sont pas solidarisées entre elles au niveau des passages de fluide sur une surface importante, ce qui rend cette zone particulièrement sensible à la tenue mécanique. L'échangeur représenté sur la figure 4 comporte de premières plaques 50 et de secondes plaques 52. Conformément à l'invention, les plaques 50 et 52 de l'échangeur représentées sur la figure 4 peuvent être réalisées en un matériau, par exemple l'acier inoxydable, plus résistant mécaniquement que l'alumi15 nium utilisé classiquement. Chacune des plaques 50 et 52 comporte un bord périphérique 16 respectivement 22, relevé vers le haut. Les fonds des plaques 50 et 52 sont munis d'ondulations 18 et 20 qui s'étendent selon deux directions perpendiculaires comme expliqué précédemment. Les plaques 50 20 et 52 sont planes au niveau du trou de passage 48. Aucune d'entre elles ne comporte d'embouti de telle sorte que la zone fragilisée, présente dans les échangeurs de l'art antérieur est supprimée. En d'autres termes, les plaques 50 et 52 sont identiques, exception faite de la présence 25 d'ondulation 18 et 20 s'étendant selon des directions différentes. Conformément à l'invention une rondelle 54 est placée entre une paire 50, 52 de plaques, de manière à réaliser les premiers conduits de passage et les seconds conduits de passage comme décrits en référence à la figure 3. 30 On a représenté sur la figure 4 trois rondelles 54 qui alternent avec deux conduits de passage 34 qui ne comportent pas d'entretoise afin de permettre le passage du fluide Fl 35 comme schématisé par les flèches 40. Il va de soi que dans la partie de l'échangeur (non représentée) destinée à la circulation du fluide F2, la présence et l'absence de rondelles 54 dans les canaux de passage 34 et 36 sont inversées. On a représenté sur la figure 6 une vue en coupe d'un exemple de réalisation d'une rondelle 54 conforme à la présente invention. Cette rondelle comporte une partie centrale poinçonnée pour la réalisation d'un trou circulaire 56 pour 5 le passage du fluide Fl ou F2. La rondelle 54 comporte également un épaulement 58 destiné à venir se loger dans l'ouverture 48 d'une plaque 50, 52 de manière à centrer la rondelle par rapport aux trous de passage 48. On a représenté sur la figure 7 une rondelle 54 qui ne comporte pas d'orifice 56 dans sa partie centrale. Une rondelle de ce type est utilisée pour fermer une plaque courante de l'échangeur de manière à réaliser une cloison permettant de dériver la circulation du fluide, par exemple 15 pour réaliser une circulation comportant plusieurs passes. On a représenté sur la figure 5 un mode de réalisation préféré de l'invention. Dans ce mode de réalisation, les rondelles 54 comportent des languettes gerbables 60. Chacune 20 des rondelles comporte avantageusement un nombre limité de languettes, par exemple trois ou quatre, angulairement espacées et inclinées par rapport au plan de la rondelle. Comme on peut le constater, la languette 60 d'une rondelle 54 vient en contact avec la languette de la rondelle immédiate25 ment inférieure (selon la figure 5). L'ensemble des rondelles est donc assemblé de manière rigide au moment du brasage, ce qui permet de renforcer la tenue de l'échangeur à la pression, en particulier parce que les plaques entre lesquelles il n'existe aucune rondelle 54 afin de permettre le passage 30 du fluide sont ainsi rendues solidaires l'une de l'autre. Revendications 1 - Echangeur de chaleur, notamment pour un véhicule automobile, constitué par une multiplicité de plaques courantes 5 (50, 52) délimitant de premiers canaux d'écoulement (34) pour un premier fluide (Fl) et de seconds canaux d'écoulement (36) pour un second fluide (F2), les premiers canaux d'écoulement (34) alternant avec les seconds canaux d'écoulement (36), de premiers conduits de passage (42) étant prévus pour assurer 10 une communication entre les premiers canaux (34) et de seconds conduits de passage (44) étant prévus pour assurer une communication entre les seconds canaux (36), caractérisé en ce que les premiers et les seconds conduits de passage (42, 44) sont constitués par des rondelles (54) disposées 15 entre deux plaques successives (50, 52). 2 - Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les rondelles (54) sont munies de languettes gerbables (60) qui se superposent les unes aux autres. 20 3 - Echangeur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les rondelles (54) possèdent un épaulement de centrage (58) reçu dans une découpe (48) d'une plaque (50, 52). 4 - Echangeur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'espacement entre deux plaques successives (50, 52) est compris entre 0,3mm et 0,9mm. 5 - Echangeur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les rondelles (54) sont réalisées par un procédé choisi dans le groupe comprenant le matriçage, l'emboutissage et le découpage non débouchants. 6 - Echangeur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les plaques (50, 52) sont réalisées en acier inoxydable.