Brevet FR2855603A1 — publié le 20041203

Echangeur de chaleur à plaques, notamment refroidisseur des gaz d'échappement recirculés, comportant une enveloppe délimitant des boîtes d'entrée et de sortie de ces gaz L'invention concerne un échangeur de chaleur pour l'échange de chaleur entre un premier et un second fluide, en particulier un refroidisseur des gaz d'échappement recirculés. 10 Plus particulièrement, l'invention concerne un échangeur de chaleur pour l'échange de chaleur entre des gaz à refroidir et un liquide de refroidissement comprenant un faisceau d'échange de chaleur traversé par les gaz à refroidir et une 15 enveloppe logeant ce faisceau. Les normes de pollution de plus en plus strictes imposent de recycler ou recirculer une partie des gaz d'échappement dans l'admission des moteurs à combustion interne des véhicules 20 automobiles. Ce procédé permet de faire chuter la température dans la chambre de combustion du moteur et, par suite, d'abaisser la teneur en oxydes d'azote des gaz d'échappement relâchés dans l'atmosphère. Afin d'améliorer encore l'efficacité de ce procédé, il est connu de refroidir les gaz 25 d'échappement recirculés préalablement à leur mélange avec les gaz frais. A cet effet, les gaz d'échappement recirculés traversent un refroidisseur, généralement un refroidisseur liquide/gaz, le liquide de refroidissement étant constitué le plus souvent par l'eau de refroidissement du circuit de 30 refroidissement du moteur. Cependant, les refroidisseurs actuellement connus comportent des boîtes d'entrée et de sortie de gaz brasés aux extrémités du faisceau. Ces conceptions nécessitent l'emboutissage du 35 profil extérieur des plaques pour canaliser les gaz et un surplus de matière et un encombrement supplémentaire. L'invention a pour objet un échangeur de chaleur entre un premier et un second fluide, et plus particulièrement un refroidisseur des gaz d'échappement, qui remédie à ces inconvénients. Ce but est atteint par le fait que l'enveloppe comporte deux 5 prolongements de manière à délimiter avec le faisceau d'échange de chaleur un premier espace libre constituant une boîte d'entrée des gaz à refroidir et un second espace libre constituant une boîte de sortie de ces gaz. Grâce à cette caractéristique, le faisceau d'échange de chaleur est entièrement contenu dans une enveloppe étanche. Il peut être réalisé aisément et de manière simple en une seule opération, sans avoir à fabriquer par ailleurs des boîtes d'entrée et de sortie séparées qui doivent être 15 ensuite assemblées. En outre, il n'est pas nécessaire d'emboutir le profil extérieur des plaques pour canaliser les gaz. Avantageusement, l'échangeur comporte un canal de dérivation 20 qui permet aux gaz à refroidir de traverser l'échangeur sans traverser le faisceau d'échange de chaleur. Grâce à cette caractéristique on peut influer sur la température des gaz recirculés, et par suite sur la température du 25 mélange admis dans les chambres de combustion du moteur, par exemple en cas de démarrage à froid ou de température extérieure basse. Le fait que le passage de dérivation soit intégré à l'échangeur évite d'avoir à raccorder des tuyauteries supplémentaires. Cela permet en outre un gain d'encom30 brement. Une vanne, disposée en amont du canal de dérivation, permettant de faire circuler les gaz à refroidir soit au travers du faisceau, soit dans le canal de dérivation. 35 Dans une réalisation préférée, l'enveloppe comporte un troisième prolongement de manière à délimiter avec le faisceau un espace libre formant le canal de dérivation. Dans une réalisation particulière, le faisceau d'échange de chaleur est constitué par un empilement de plaques déterminant entre elles des canaux de circulation des gaz à refroidir et des canaux de circulation du liquide de refroidisse5 ment. Généralement, les plaques auront la forme d'un rectangle allongé ayant deux grands côtés et deux petits côtés. Dans ce cas, les boites d'entrée et de sortie des gaz à refroidir 10 sont disposées le long des grands côtés des plaques. Dans une réalisation particulière, les prolongements de l'enveloppe constituant les boites d'entrée et de sortie des gaz à refroidir présentent une forme sensiblement triangulai15 re. Toutefois, de nombreuses autres formes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Avantageusement, l'enveloppe est constituée de deux demicarters, chaque demi-carter comprenant une paroi de fond 20 accolée au faisceau d'échange de chaleur et un rebord périphérique entourant, au moins partiellement, le faisceau, les rebords des deux demi-carters étant assemblés l'un à l'autre pour constituer une enveloppe étanche. Dans une variante de réalisation, l'enveloppe peut être constituée par 25 un seul carter fermé par une plaque plane. L'échangeur comporte une tubulure d'entrée et une tubulure de sortie du liquide de refroidissement et une bride d'entrée et une bride de sortie des gaz à refroidir. 30 Avantageusement, ces tubulures et ces brides sont prévues sur un même côté du carter, la bride d'entrée des gaz à refroidir étant située sur l'un des prolongements et la bride de sortie étant située sur le deuxième prolongement de l'enveloppe. 35 Grâce à cette caractéristique, toutes les canalisations d'amenée et d'évacuation des fluides (gaz et liquide) sont situées d'un même côté de l'échangeur. Le raccordement de ce dernier est donc facilité et l'encombrement des canalisations est diminué. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 5 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 schématique en plan d'un premier 10 mode de réalisation d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention; les figures 2 et 3 sont des vues schématiques en plan d'un second mode de réalisation d'un échangeur de chaleur conforme 15 à l'invention comportant un canal de dérivation; et - la figure 4 est une vue éclatée en perspective d'un mode de réalisation préféré d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention. On a représenté sur la figure 1 un premier mode de réalisation d'un échangeur de chaleur entre un premier et un second fluide conforme à l'invention, par exemple un refroidisseur des gaz d'échappement recirculés provenant d'un moteur à 25 combustion interne de véhicule automobile. Il comporte un faisceau d'échange de chaleur désigné dans son ensemble par la référence générale 2. Le faisceau d'échange de chaleur 2 présente la forme générale d'un rectangle allongé (vu de dessus) constitué de deux grands côtés 3 et 4 et de deux 30 petits côtés 7. Le faisceau 2 est constitué, dans l'exemple, par un empilement de plaques. Dans une autre réalisation, le faisceau pourrait être constitué de tubes d'échange de chaleur, notamment de tubes plats, plusieurs tubes étant disposés selon la largeur 7 du faisceau. 35 Le faisceau d'échange de chaleur est entièrement contenu dans une enveloppe étanche 5 qui présente également, vue de dessus, la forme d'un rectangle allongé. Ce rectangle comporte deux grands côtés 11 et deux petits côtés 13. La longueur des grands côtés 11 de l'enveloppe 5 n'est que très légèrement supérieure à la longueur des grands côtés 3 et 4 du faisceau de manière que les deux extrémités 7 du faisceau d'échange de chaleur 2 soient en regard de la face intérieure 5 de l'enveloppe. Grâce à cette caractéristique, le faisceau d'échange de chaleur est obturé à ses deux extrémités. Il n'est donc pas nécessaire de prévoir des bords tombés ou rabattus, comme dans les échangeurs actuellement connus. Il en résulte une simplification de la fabrication et une 10 économie de matière. Les petits côtés 13 de l'enveloppe sont nettement plus grands que les petits côtés 7 du rectangle du faisceau 2 de manière à délimiter un premier espace libre 15 adjacent au grand côté 15 4, et un deuxième espace libre 17 adjacent au grand côté 3. Le premier et le second espace libre s'étendent sur toute la hauteur du faisceau, c'est-à-dire sur toute la hauteur de l'empilement des plaques dans l'exemple. Les espaces libres 15 et 17 peuvent présenter une forme parallélépipédique, 20 comme dans l'exemple, ou bien ils peuvent comporter une autre forme. L'espace libre 15 constitue une boîte d'entrée pour les gaz à refroidir et l'espace libre 17 une boîte de sortie pour ces gaz. Une bride d'entrée 19 est raccordée à la boîte d'entrée 15 et une bride de sortie 21 est raccordée à la 25 boîte de sortie 17. Le fluide de refroidissement, par exemple l'eau glycolée du circuit de refroidissement du moteur, pénètre dans le faisceau d'échange de chaleur par une tubulure d'entrée 32, 30 comme schématisé par la flèche 27. Il traverse ce faisceau suivant sa grande dimension (flèche 33) et en ressort par une tubulure de sortie 34 comme schématisé par la flèche 29. Le gaz à refroidir pénètre dans la boîte d'entrée par la bride 19 comme schématisé par la flèche 23. Il traverse le faisceau 35 selon sa petite dimension (flèche 24) et ressort de la boîte de sortie 17 par la bride 21 comme schématisé par la flèche 25. Ainsi, dans l'exemple représenté, le fluide à refroidir et le fluide de refroidissement circulent à courants croisés. Cependant, d'autres types de circulation sont envisageables. On a représenté sur les figures 2 et 3 un deuxième mode de réalisation d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention. Dans cette réalisation, la longueur des grands côtés 11 de l'enveloppe 5 excède nettement la longueur des grands côtés 5 3 et 4 du faisceau d'échange de chaleur de manière à délimiter entre l'un des petits côtés 7 du faisceau d'échange de chaleur et la paroi interne de l'enveloppe un troisième espace libre 35. L'espace libre 35 s'étend sur toute la largeur du faisceau 2. Il met en communication la boite 10 d'entrée 15 et la boîte de sortie 17 du gaz à refroidir. La bride d'entrée 19 des gaz à refroidir, au lieu d'être raccordée à la boîte d'entrée 15, est raccordée à l'espace libre 35. Toutefois, il n'est pas indispensable que l'espace libre 35 s'étende sur toute la hauteur du faisceau, contrai15 rement aux espaces 15 et 17. Il suffit qu'il offre une section de passage suffisante aux gaz à refroidir et qu'il mette en communication les espaces libres 15 et 17. Une vanne 37 est disposée dans l'espace libre 35 comme on le 20 voit sur les figures 2 et 3. Cette vanne peut prendre deux positions. Dans la position représentée sur la figure 2, la vanne 37 interdit le passage des gaz à refroidir vers la boîte d'entrée 15. Les gaz qui pénètrent par la bride d'entrée 19 sont donc dirigés directement vers la boîte de 25 sortie 17, comme schématisé par la flèche 39. Dans la position représentée sur la figure 3, au contraire, la vanne 37 force le passage des gaz à refroidir vers la boîte d'entrée 15. Les gaz doivent donc traverser le faisceau d'échange de chaleur comme schématisé par la flèche 41. Ils 30 quittent ensuite l'échangeur par la bride de sortie 21, de la même manière que précédemment. On constate ainsi que l'espace libre 35 constitue un canal de dérivation qui permet de contourner le faisceau d'échange de 35 chaleur. Il permet aux gaz de gagner directement la sortie de l'échangeur sans avoir à être refroidis par la traversée du faisceau d'échange de chaleur 2. Plus particulièrement, dans l'exemple des figures 2 et 3, c'est la partie 35a de l'espace libre 35 située du côté de la boîte de sortie 17 qui constitue le canal de dérivation proprement dit. L'autre partie 35b de l'espace libre 35 prolonge la bride d'entrée 19 pour amener les gaz jusqu'à la boîte d'entrée 15. Bien entendu, la bride d'entrée 19 ne doit pas être placée nécessairement sur l'espace libre 35. Elle pourrait être placée également sur la boîte d'entrée 15. Dans ce cas, la totalité de la longueur de l'espace libre 35 constituerait le canal de dérivation permettant aux gaz à refroidir de 10 contourner le faisceau d'échange de chaleur. On a représenté sur la figure 4 un troisième mode de réalisation d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention. Cet échangeur est un refroidisseur de la fraction recirculée des 15 gaz d'échappement. Son faisceau 2 est constitué par une superposition de plaques embouties 16 de forme générale rectangulaire comportant deux oreilles 43 situées le long d'un petit côté de la forme rectangulaire de la plaque. Des nervures 18 sont formées dans le fond de la plaque directe20 ment par emboutissage afin de constituer des passes pour la circulation du liquide de refroidissement. L'enveloppe 5 est constituée de deux demi-carters 46 et 47 comportant un fond plan 49. Lorsque l'échangeur est assemblé, les deux demicarters 46 et 47 sont en contact jointifs l'un avec l'autre 25 par leurs rebords 30 constituant un plan de joint, de manière à constituer une enveloppe étanche pour le fluide de refroidissement et le fluide à refroidir. Chacune des plaques 16 comporte deux bossages 51 emboutis 30 dans chacune des oreilles 43. Les bossages sont formés dans un sens opposé, par rapport au fond de la plaque, à celui des nervures 18 et des rebords 16. Dans l'exemple représenté, le refroidisseur comporte au total quatre plaques. Une plaque d'extrémité supérieure, située au-dessus du faisceau d'é35 change de chaleur, est assemblée par son rebord périphérique 16 au fond 49 du demi-carter supérieur 46. La plaque supérieure 16 délimite avec le demi-carter supérieur un canal de passage pour le fluide de refroidissement. De la même manière, l'échangeur comporte une plaque d'extrémité infé- rieure assemblée par son rebord périphérique 16 au fond 49 du demi-carter inférieur 47 de manière à délimiter un canal de circulation pour le fluide de refroidissement. L'échangeur comporte en outre deux plaques 16 centrales assemblées l'une à l'autre par leurs rebords périphériques 16 de manière à délimiter entre elles un troisième canal de passage pour le fluide de refroidissement. Les bossages 51 de la plaque d'extrémité supérieure, qui comportent des ouvertu10 res de passage circulaires 43 pour le fluide de refroidissement, sont assemblés aux bossages de la plaque centrale 16 dirigée vers le haut. Les deux bossages 51 de la plaque d'extrémité inférieure (non 15 référencés) sont assemblés pour leur part, aux deux bossages de la plaque centrale dirigée vers le bas. La superposition de la hauteur des deux bossages de la plaque d'extrémité supérieure et de la plaque centrale située en regard de cette plaque d'une part, de la plaque d'extrémité inférieure et de 20 la plaque centrale située en regard de cette plaque d'autre part, délimite entre les plaques, à l'extérieur des canaux de circulation du liquide de refroidissement, des canaux de circulation du gaz à refroidir dans lesquels sont disposés des surfaces d'échange secondaires et/ou des éléments 25 perturbateurs, réalisés ici sous la forme d'intercalaires ondulés 57. Un intercalaire ondulé 57 est disposé entre la plaque d'extrémité supérieure et les deux plaques centrales. L'autre 30 intercalaire 57 est disposé entre la plaque d'extrémité inférieure et les deux plaques centrales. On définit ainsi deux canaux de circulation pour les gaz à refroidir. Comme dans les exemples précédents, la forme de l'enveloppe est conçue de manière à délimiter des espaces libres de part et 35 d'autre du faisceau d'échange de chaleur pour constituer une boîte d'entrée 15 et une boîte de sortie 17 pour les gaz à refroidir. Dans l'exemple, le demi-carter supérieur 46 et le demi-carter inférieur 47 présentent des prolongements 59 de forme triangulaire aplatie disposés le long des grands côtés 3 et 4 du faisceau d'échange de chaleur. Ces prolongements contribuent à délimiter les boîtes 15 et 17 précitées. Dans une variante de réalisation, non représentée, les demi5 carters supérieur 46 et inférieur 47 pourraient présenter également une longueur supérieure à la longueur des plaques 16 du faisceau d'échange de chaleur de manière à délimiter un troisième espace libre situé à l'extrémité du faisceau d'échange de chaleur, opposée aux oreilles 43. 10 Le demi-carter supérieur est équipé d'une tubulure d'entrée 32 et d'une tubulure de sortie 34 pour le liquide de refroidissement. Ce liquide pénètre par ces tubulures, comme schématisé par la flèche 27. Il parcourt en parallèle les 15 trois canaux de circulation délimités entre les plaques centrales et entre les plaques d'extrémités supérieure et inférieure et chacun des demi-carters inférieur et supérieur respectivement. Il ressort ensuite par la tubulure de sortie 34 comme schématisé par la flèche 29. 20 Le demi-carter supérieur 46 comporte encore une bride 36 pour le raccordement d'une canalisation d'amenée des gaz à refroidir et une bride 38 pour le raccordement d'une canalisation d'évacuation des gaz à refroidir. 25 La bride 36, comme on le remarque, est disposée au dessus du prolongement 59 du côté de la boîte d'entrée des gaz à refroidir, tandis que la bride de sortie 38 est disposée audessus du prolongement 59 situé du côté de la boîte de sortie 30 des gaz à refroidir. Dans la variante de réalisation évoquée précédemment, la bride 36 pourrait être disposée dans une partie du demicarter supérieur située au dessus du troisième espace libre 35 situé à l'extrémité du faisceau d'échange de chaleur, opposée aux oreilles 43. Comme on l'a expliqué précédemment, la partie de l'espace libre située du côté de la boîte de sortie des gaz à refroi- dir constitue un canal de dérivation qui permet aux gaz de traverser l'échangeur sans passer par le faisceau de refroidissement. A cet effet, une vanne (non représentée) est disposée dans cet espace afin de diriger les gaz admis dans 5 l'échangeur, soit vers la boîte d'entrée, auquel cas les gaz traversent le faisceau d'échange de chaleur, soit vers la boîte de sortie directement, auquel cas les gaz quittent l'échangeur sans avoir été refroidis. -" ' 2855603 Revendications 1. Echangeur de chaleur, pour l'échange de chaleur entre des gaz à refroidir et un liquide de refroidissement, 5 comprenant un faisceau d'échange de chaleur (2) traversé par les gaz à refroidir et une enveloppe (5) qui loge ce faisceau, caractérisé en ce que l'enveloppe (5) comporte un premier prolongement (59) qui délimite avec le faisceau (2) un premier espace libre (15) constituant une boîte d'entrée 10 des gaz à refroidir et un second prolongement (59) qui délimite avec le faisceau (2) un second espace libre (17) constituant une boîte de sortie des gaz à refroidir. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caracté15 risé en ce qu'il comporte un canal de dérivation (35, 35a) qui permet aux gaz à refroidir de traverser l'échangeur sans traverser le faisceau d'échange de chaleur (2), une vanne (37) disposée en amont du canal de dérivation permettant de faire circuler les gaz à refroidir soit au travers du 20 faisceau (2), soit dans le canal de dérivation (35, 35a). 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'enveloppe comporte un troisième prolongement (35) de manière à délimiter avec le faisceau ledit troisième 25 espace libre formant le canal de dérivation. 4. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'enveloppe est constituée de deux demi-carters (46, 47), chaque demi-carter comportant une 30 paroi de fond (49) accolée au faisceau d'échange de chaleur (2) et un rebord périphérique (30) entourant le faisceau (2), les rebords des deux demi-carters (46, 47) étant assemblés l'un à l'autre pour constituer l'enveloppe étanche (5). 5. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications l à 4, caractérisé en ce que les plaques (8) déterminent entre elles des canaux de circulation des gaz à refroidir et des canaux de circulation du liquide de refroidissement. 6. Echangeur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les plaques (8) ont la forme d'un rectangle allongé ayant deux grands côtés (3, 4) et deux petits côtés (7) et en ce que les boîtes d'entrée (15) et de sortie (17) des gaz à 5 refroidir sont disposées le long des grands côtés (3, 4) des plaques. 7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les prolongements (59) de l'enve10 loppe présentent une forme sensiblement triangulaire. 8. Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte une tubulure d'entrée (32) et une tubulure de sortie (34) du liquide de refroidissement et une 15 bride d'entrée (36) et une bride de sortie (38) des gaz à refroidir, ces tubulures étant prévues sur un même demicarter (46), la bride d'entrée des gaz à refroidir étant située audessus du troisième espace libre (35), et la bride de sortie sur le prolongement (59) disposé vers la boîte de 20 sortie (17) des gaz à refroidir.