Brevet FR2886390A1 — publié le 20061201

VTM1594.FRD Echanqeur de chaleur comportant un faisceau d'échanqe de chaleur logé dans un boîtier L'invention se rapporte aux échangeurs de chaleur, et plus particulièrement aux échangeurs de chaleur à plaques pour les véhicules automobiles, par exemple les refroidisseurs d'air de suralimentation de moteurs à combustion interne turbo-compressés. Elle concerne plus particulièrement un échangeur de chaleur comportant, d'une part, un faisceau d'échange de chaleur constitué par un empilement de plaques embouties disposées entre une première plaque d'extrémité et une deuxième plaque d'extrémité par laquelle débouchent des tubulures d'entrée et de sortie d'un liquide de refroidissement, les plaques déterminant entre elles des premiers canaux de circulation pour la circulation d'un gaz à refroidir et des second canaux de circulation pour la circulation d'un liquide de refroidissement et, d'autre part, un boîtier à l'intérieur duquel est logé le faisceau au dessus d'une paroi de fond du boîtier. Il est connu, d'après DE 199902504 et JP 10238969, de réaliser le boîtier, qui loge le faisceau d'échange de chaleur, en matière plastique ou en aluminium moulé et de fermer ce boîtier par un couvercle soudé ou serti. Lorsque l'on utilise un couvercle métallique, celui-ci peut être brasé sur le faisceau, ce qui permet alors d'assurer une étanchéité au passage des tubulures au travers du couvercle. Mais l'état métallurgique (recuit) du couvercle n'offre pas une tenue mécanique optimale. Dans les autres cas, il faut nécessairement prévoir une étanchéité au passage des tubulures au travers du couvercle. Ainsi le recours à un couvercle pose des problèmes de tenue 5 mécanique et/ou d'étanchéité. L'invention a précisément pour objet un échangeur de chaleur du type défini précédemment qui remédie à ces inconvénients. Ces buts sont atteints par le fait que l'échangeur de chaleur comprend une bride annulaire de serrage disposée en appui, d'une part, sur un bord d'appui du boîtier opposé à la paroi de fond et, d'autre part, sur un bord de la deuxième plaque d'extrémité du faisceau pour immobiliser le faisceau à l'intérieur du boîtier. Il en résulte que le couvercle habituel du boîtier est supprimé, ce qui simplifie la fabrication de l'échangeur de chaleur et permet de s'affranchir des problèmes d'étanchéité des tubulures du liquide de refroidissement. En effet, la bride annulaire de serrage assure conjointement la tenue mécanique du faisceau dans le boîtier, ainsi que l'étanchéité avec le boîtier et le faisceau. La forme annulaire de la bride de serrage permet aux tubulures d'entrée et de sortie du liquide de refroidissement de traverser librement l'anneau formé par la bride de serrage, ce qui résout les problèmes d'étanchéité posés par la traversée des couvercles des boîtiers de l'art antérieur par les tubulures d'entrée et de sortie du liquide de refroidissement. De manière avantageuse, le bord d'appui entoure le boîtier dans la région d'une face ouverte du boîtier, à l'opposé de la paroi de fond. Un joint est avantageusement disposé dans une gorge de la bride de serrage pour assurer l'étanchéité du boîtier entre la deuxième plaque d'extrémité du faisceau et le bord d'appui du boîtier. La bride de serrage est de préférence fixée à la périphérie du bord d'appui du boîtier et comprime le joint entre deuxième plaque d'extrémité et le bord d'appui du boîtier. Il est avantageux de prévoir une cale déformable qui est comprimée entre la première plaque d'extrémité du faisceau et la paroi de fond du boîtier par l'action de la bride de serrage sur la deuxième plaque d'extrémité du faisceau. Cette cale permet non seulement d'absorber le jeu entre la première plaque d'extrémité et la paroi de fond du boîtier, mais surtout d'éviter une dérivation du gaz entre la première plaque d'extrémité et la paroi de fond du boîtier. La bride de serrage est avantageusement de forme rectangulaire. Elle est de préférence réalisée dans une matière plastique moulée. Selon une autre caractéristique de l'invention, le faisceau est disposé dans le boîtier de façon que les orifices d'entrée et de sortie du gaz dans les premiers canaux soient respectivement en vis-à-vis de tubulures d'entrée et de sortie de gaz de l'échangeur. Dans une réalisation avantageuse, le boîtier comporte deux parois latérales en renflement opposées l'une à l'autre délimitant avec la paroi de fond un premier espace pour l'entrée du gaz dans les premiers canaux et un deuxième espace pour la sortie du gaz des premiers canaux. Les premiers canaux sont de préférence formés d'intercalaires ondulés disposés entre les plaques adjacentes du faisceau. Pour améliorer l'échange de chaleur, on prévoit avantageusement que le chemin suivi par le liquide de refroidissement dans chaque deuxième canal soit un chemin en forme de lacet délimité par des nervures sur les plaques. L'échangeur de chaleur de l'invention est de préférence réalisé sous la forme d'un refroidisseur d'air de suralimentation d'un moteur à combustion interne turbo-compressé. 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 et en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue éclatée en perspective d'un échangeur de chaleur selon l'invention; - la figure 2 est une vue montrant l'assemblage de la bride de serrage sur le bord d'appui du boîtier de la figure 1; - la figure 3 est une vue de côté en coupe représentant l'ensemble des éléments assemblés de la figure 1; - la figure 4 est une vue en perspective et en coupe du faisceau d'échange de chaleur de la figure 1; - la figure 5 est une vue partielle de détail en coupe 5 selon la ligne V- V de la figure 3; - la figure 6 est une vue en coupe selon la ligne V-V de l'ensemble des éléments assemblés représenté à la figure 3 -les figures 7 et 8 sont des vues respectivement en perspective et de dessus de l'ensemble monté représenté à la figure 1. La figure 1 est une vue éclatée en perspective d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention et qui est notamment utilisable comme refroidisseur d'air de suralimentation d'un moteur à combustion interne turbo-compressé de véhicule automobile. Dans cette application particulière, l'air de suralimentation est refroidi par un fluide, habituellement le liquide de refroidissement du moteur, pour pouvoir être admis dans le moteur à une température plus basse pour favoriser la combustion. L'échangeur de chaleur comporte un boîtier 1 renfermant un faisceau de plaques d'échange de chaleur 2. Le boîtier 1 se compose d'un corps 3 formé d'une paroi de fond 4 généralement plane et de deux parois latérales planes parallèles 5,6 en forme de rectangle sensiblement perpendiculaires à la paroi de fond 4 se prolongeant l'une vers l'autre sur chacune de leurs extrémités par deux parois en renflement 7,8 dont la convexité est tournée vers l'extérieur du boîtier 2. Une tubulure d'entrée d'air 9 est prévue au sommet d'une des parois latérales en renflement 7 du boîtier et une tubulure de sortie d'air 10 est prévue sur la paroi de fond 4 à proximité de la paroi latérale en renflement 8 opposée. Les parois en renflement 7,8 délimitent avec la paroi de fond 4 un premier espace formant une boîte à air d'entrée 11 et un deuxième espace formant une boîte à air de sortie 12 qui communiquent respectivement avec les tubulures d'entrée 9 et de sortie d'air 10 de l'échangeur. Le faisceau 2 est constitué de plaques 13 parallèles entre elles, empilées les unes au dessus des autres entre une première plaque d'extrémité 14 en vis-à-vis avec la paroi de fond 4 du boîtier 2 et une deuxième plaque d'extrémité 15 par laquelle débouchent les tubulures d'entrée 16 et de sortie 17 d'un fluide de refroidissement. Les plaques déterminent entre elles des premiers canaux 18 de circulation de l'air à refroidir 18 et des second canaux 19 de circulation du liquide de refroidissement montrés à la Figure 2. Le faisceau 2 est disposé dans le boîtier 1 de façon que les orifices 20 d'entrée de l'air dans les premiers canaux 18 soient en vis-à-vis de la paroi en renflement 7 comportant la tubulure d'entrée d'air 9 de sorte que les orifices de sortie d'air des premiers canaux 18 se trouvent en vis-à-vis de la paroi en renflement 8 opposée. Le boîtier 2 est fermé par la deuxième plaque d'extrémité 15 du faisceau. Comme le montre plus particulièrement la Figure 2, le bord ouvert du boîtier opposé à la paroi de fond 4 délimite un bord d'appui 21 sur lequel repose, dans un épaulement 21a du bord d'appui, la deuxième plaque d'extrémité 15 du faisceau. Autrement dit, le bord d'appui 21 entoure le boîtier dans la région du bord ouvert, c'est-à-dire de sa face ouverte, en formant une collerette ou rebord délimitant une surface annulaire généralement plane. La deuxième plaque d'extrémité 15 du faisceau est maintenue plaquée contre l'épaulement 21a sous l'action d'une bride de serrage 24 de forme annulaire fixée au boîtier par quatre vis 25. La profondeur de l'épaulement 21a est sensiblement égale à l'épaisseur de la deuxième plaque d'extrémité 15 de façon à définir pour la plaque d'extrémité 15 et le bord d'appui 21 un plan de joint commun pour un joint 22 disposé à l'intérieur d'une gorge 22a de la bride de serrage 24, ce qui permet d'assurer l'étanchéité du boîtier 1 avec l'extérieur. Sous l'action de la bride de serrage 24, le joint 22 est appliqué à la fois contre la plaque d'extrémité 15 et contre le bord d'appui 21. Pour absorber le jeu entre la première plaque d'extrémité 14 et le fond 4 du boîtier il est prévu une cale déformable 23. Celle-ci est comprimée entre la première plaque d'extrémité 14 du faisceau et la paroi de fond 4 lorsque la bride de serrage 24 agit sur la deuxième plaque d'extrémité 15 du faisceau pour fermer le boîtier 2. Comme on peut le voir en particulier sur la Figure 3 où les éléments homologues à ceux des Figures 1 et 2 portent les mêmes références, l'air de suralimentation pénètre dans l'échangeur par la tubulure d'entrée 9, comme schématisé par la flèche 26. Il parvient dans la boîte à air d'entrée 11 puis traverse le faisceau d'échange de chaleur 2 dont la structure sera décrite plus en détail ultérieurement en échangeant de la chaleur avec un fluide de refroidissement. Après avoir traversé le faisceau d'échange de chaleur 2, l'air de suralimentation refroidi parvient dans la boîte à air de sortie 12, puis quitte le refroidisseur d'air de suralimentation par la tubulure 10, comme schématisé par la flèche 27. Le faisceau d'échange de chaleur (Figure 4) est constitué par un empilement de plaques 13 entre lesquelles sont disposés des intercalaires ondulés 28 qui améliorent l'échange de chaleur entre l'air de suralimentation et les plaques. Chaque plaque 13 présente une forme sensiblement rectangulaire comportant deux petits côtés 29a, 29b et deux grands côtés 30a, 30b. Chaque plaque comporte une paroi de fond 31 limitée par un rebord périphérique 32. Des nervures 33a, 33b, 33c sont prévues dans la paroi de fond 31 de chacune des plaques afin de limiter des passes de circulation pour le liquide de refroidissement. Dans l'exemple de la Figure 4, le chemin suivi par le liquide de refroidissement présente une forme en lacet composé de deux demi-chemins en forme de U délimités par une nervure axiale 33a parallèle aux grands côtés 30a, 30b de la plaque et par deux nervures longitudinales 33b, 33c parallèles à la nervure axiale 33a et situées de part et d'autre de celleci. Les nervures 33a, 33b délimitent avec le bord relevé 29a de la plaque les deux branches parallèles du premier U et les nervures 33a, 33c délimitent les deux branches parallèles du deuxième U. La paroi de fond 31 et le rebord périphérique 29a déterminent une cuvette peu profonde. Les plaques 13 groupées par paires sont assemblées par leur rebord périphérique 29a. De la sorte, la cuvette 31 de la plaque supérieure et la cuvette 31 de la plaque inférieure appartenant à une même paire de plaques 13 s'ajoutent pour constituer un canal 19 de circulation du liquide de refroidissement. Par ailleurs (Figure 5), deux bossages 34a, 34b sont formés le long d'un petit côté 29b de chacune des plaques 13. Le fond 35 de chaque bossage 34a, 34b comporte un passage 36 de circulation pour le fluide de refroidissement. Les bossages 34a, 34b d'une paire de plaques sont en appui sur les bossages 34a, 34b des paires de plaques adjacentes. On réalise ainsi un collecteur d'entrée 36a et un collecteur de sortie 36b pour le liquide de refroidissement. Le fluide de refroidissement pénètre dans le faisceau comme schématisé par la flèche 37 puis circule dans les canaux de circulation comme schématisé par les flèches. La sortie du fluide hors du faisceau d'échange de chaleur s'effectue en sens inverse. Les bossages 34a, 34b de deux paires de plaques déterminent également entre eux des canaux de circulation pour le gaz à refroidir, l'air sortant du compresseur dans l'exemple décrit. Les intercalaires ondulés 28 améliorent l'échange de chaleur. Ils se présentent sous la forme d'intercalaires ondulés qui s'étendent jusqu'aux bossages 34a, 34b. Ces passages mettent directement en communication la boîte à air d'entrée 9 avec la boîte à air de sortie 12. Un faisceau selon l'invention composé de plaques de refroidissement 13 et d'intercalaires 28 tels que décrits précédemment et monté dans un boîtier 1 est représenté par la vue en coupe de la Figure 6 où les éléments homologues à ceux des figures précédentes portent les mêmes références. Cette figure fait apparaître la parfaite indépendance de la bride de serrage par rapport au faisceau qui assure conjointement l'étanchéité du boîtier et de la deuxième plaque d'extrémité 15 du faisceau. Ceci rend complètement indépendant les processus de fabrication du faisceau et du boîtier. Ceux-ci peuvent dès lors être assemblés par une bride de serrage obtenue dans un matériau différent, en plastique moulé par exemple, de ceux du faisceau et du boîtier. Comme dans les représentations précédentes le faisceau est fixé sur le boîtier 1 par la bride 24 et par des vis 25. Cependant ce mode de fixation n'est pas unique et il peut être remplacé par tout autre moyen de serrage tel que des barrettes métalliques serties sur deux côtés du bord d'appui, par exemple. Il n'est pas non plus nécessaire que le bord de la deuxième plaque d'extrémité du faisceau soit en appui sur l'épaulement 21a sur toute sa périphérie, il peut également être en appui sur deux bords opposés du boîtier 1 ou en plusieurs points. Les Figures 7 et 8 qui sont des vues respectivement en perspective et de dessus d'un échangeur de chaleur selon l'invention montrent la simplicité du montage de la bride de serrage sur le boîtier et de sa parfaite indépendance avec le faisceau dont elle n'est en contact que par le joint torique 22, non représenté sur ces figures, qui est en appui contre la deuxième plaque d'extrémité 15. Comme on peut le voir aisément sur ces figures, la forme annulaire de la bride de serrage permet aux tubulures d'entrée et de sortie du liquide de refroidissement de traverser librement l'anneau formé par la bride de serrage ce qui résout les problèmes d'étanchéité posés par la traversée des couvercles des boîtiers de l'art antérieur par les tubulures d'entrée et de sortie du liquide de refroidissement. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit précédemment à titre d'exemple. Ainsi, le boîtier de l'échangeur de chaleur de l'invention pourrait, en variante, être intégré au plenum d'admission d'air du moteur. En outre, l'échangeur de chaleur de l'invention peut trouver d'autres applications que le refroidissement de l'air de suralimentation de moteurs turbo-compressés. Revendications 1. Echangeur de chaleur comportant, d'une part, un faisceau d'échange de chaleur (2) constitué par un empilement de plaques embouties (13) disposées entre une première plaque d'extrémité (14) et une deuxième plaque d'extrémité (15) par laquelle débouchent des tubulures d'entrée (16) et de sortie (17) d'un liquide de refroidissement, les plaques déterminant entre elles des premiers canaux (18) pour la circulation d'un gaz à refroidir et des second canaux (19) pour la circulation d'un liquide de refroidissement et, d'autre part, un boîtier (1) à l'intérieur duquel est logé le faisceau (2) au dessus d'une paroi de fond (4) du boîtier, caractérisé en ce qu'il comprend une bride annulaire de serrage (24) disposée en appui, d'une part, sur un bord d'appui (21) du boîtier (1) opposé à la paroi de fond (4) et, d'autre part, sur un bord de la deuxième plaque d'extrémité du faisceau (15) pour immobiliser le faisceau (2) à l'intérieur du boîtier. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bord d'appui (21) entoure le boîtier (1) dans la région d'une face ouverte du boîtier à l'opposé de la paroi de fond (4). 3. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend un joint (22) disposé dans une gorge (22a) de la bride de serrage (24) pour assurer l'étanchéité du boîtier (1) entre la deuxième plaque d'extrémité (15) du faisceau et le bord d'appui (21) du boîtier (1). 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la bride de serrage (24) est fixée à la périphérie du bord d'appui (21) du boîtier (1) et comprime le joint (22) entre la deuxième plaque d'extrémité (15) du faisceau (2) et le bord d'appui (21) du boîtier (1). 5. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend une cale déformable (23) comprimée entre la première plaque d'extrémité du faisceau (14) et la paroi de fond (4) du boîtier par l'action de la bride de serrage (24) sur la deuxième plaque d'extrémité (15) du faisceau (2). 6. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la bride de serrage (24) est de forme rectangulaire. 7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la bride de serrage (24) est réalisée dans une matière plastique moulée. 8. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le faisceau (2) est disposé dans le boîtier (1) de façon que les orifices d'entrée et de sortie du gaz dans les premiers canaux (18) soient respectivement en vis-à-vis de tubulures d'entrée (9) et de sortie de gaz (10) de l'échangeur. 9. Echangeur de chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le boîtier (1) comporte deux parois latérales en renflement (7,8) opposées l'une à l'autre délimitant avec la paroi de fond (4) un premier espace (11) pour l'entrée du gaz dans les premiers canaux et un deuxième espace (12) pour la sortie du gaz des premiers canaux (18). 10. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les premiers canaux sont formés d'intercalaires ondulés (28) disposés entre les plaques adjacentes (13) du faisceau (2). 11. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le chemin suivi par le liquide de refroidissement dans chaque deuxième canal {19) est un chemin en forme de lacet délimité par des nervures (32, 33a, 33b, 33c) sur les plaques (13). 12. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous la forme d'un refroidisseur d'air de suralimentation d'un moteur à combustion interne turbo-compressé. 25