Brevet FR2902183A1 — publié le 20071214

ECHANGEUR THERMIQUE A AILETTES METALLIQUES CREUSES L'invention concerne un échangeur thermique à ailettes métalliques creuses, à hautes performances, adapté à traiter des fluides à pression différentielle et température relativement élevées. Les échangeurs thermiques à ailettes creuses ont des performances très supérieures à celles des échangeurs pourvus d'ailettes métalliques pleines. En effet, pour une même conductance thermique, leurs surfaces frontales et les puissances de pompage de liquide et de ventilation d'air qu'ils nécessitent sont inférieures. Et cependant, les échangeurs thermiques à ailettes métalliques pleines demeurent d'un usage universel dans de nombreux domaines, notamment pour les radiateurs de refroidissement des moteurs thermiques. Des dispositifs de refroidissement à hautes performances, pour applications diverses, sont décrits dans la demande internationale publiée WO 2006/010822, déposée par TET, le titulaire de la présente demande. Dans ces dispositifs, les radiateurs sont des échangeurs thermiques constitués par des empilements à pas constant d'ailettes creuses minces, à parois fines ( Pour une application particulière (le refroidissement des gaz d'échappement d'un moteur Diesel), il est prévu dans cette demande d'utiliser un échangeur thermique à ailettes métalliques creuses, susceptible de supporter une pression différentielle et une température beaucoup plus élevées que celles auxquelles un échangeur monobloc en polymère peut être soumis. A cet effet, l'ébauche en accordéon de cet échangeur thermique devait être fabriquée par hydroformage. Cette technique connue semble prometteuse dans le domaine des échangeurs thermiques monoblocs à ailettes métalliques creuses mais, pour le moment, elle n'a pas encore pu être correctement mise en oeuvre. En conséquence, une autre façon de réaliser des échangeurs thermiques métalliques à hautes performances a dû être développée pour plusieurs applications, notamment celle visée plus haut et les dispositifs de refroidissement des moteurs thermiques de puissance élevée (>100 kW). L'objet principal de l'invention est un échangeur thermique perfectionné, à ailettes métal- ligues creuses et minces, à haute conductance volumique, facile à industrialiser et adapté à traiter des fluides liquides et/ou gazeux, soumis à des températures et/ou des pressions différentielles élevées, telles que 600 C et 1 MPa . Le premier objet particulier de l'invention est un tel échangeur thermique perfectionné, comportant un empilement d'ailettes creuses et minces, à parois métalliques fines, raidies par 10 gaufrage. Le deuxième objet particulier de l'invention est un tel échangeur thermique, particulière-ment bien adapté au refroidissement d'un liquide chaud par un courant d'air ambiant ou celle d'un gaz chaud par un liquide de refroidissement. Le troisième objet particulier de l'invention est un radiateur à surface frontale réduite 15 possédant une conductance thermique élevée, tout en ne nécessitant que des puissances de pompage et de ventilation limitées. Selon l'invention, un échangeur thermique à haute conductance, adapté à traiter des fluides à pression différentielle et température élevées, constitué par un empilement d'ailettes creuses 20 minces, raccordées à deux collecteurs et pourvues de parois métalliques fines ( Grâce à ces dispositions, sous l'action d'une surpression interne relativement élevée appliquée aux ailettes creuses d'un tel échangeur thermique, les reliefs rigides externes viennent prendre appui sur les zones planes sans relief des ailettes contiguës et les maintiennent ainsi à une distance de séparation indépendante de la pression différentielle subie par les parois des ailettes. Il en est de même pour les zones planes (avec ou sans relief externe) des parois de la première et de la dernière ailette d'un échangeur thermique qui prennent appui sur des butées appropriées. De telles butées seront, par exemple, deux barrettes parallèles, solidaires des extrémités des deux collecteurs ou une gaine rigide enserrant les zones centrales à parois gaufrées des ailettes creuses. Ce qui a pour résultat de permettre à ces ailettes creuses, à parois fines raidies par gaufrage, de pouvoir supporter une surpression interne relativement élevée, sans être pour autant trop défor- mées. En effet, en l'absence de tels reliefs et butées, deux alignements contigus de bossages alternatifs à raideur élevée seraient séparés par une zone souple faisant charnière. Ce qui entraîne-rait un gonflement des ailettes et une forte diminution des échanges thermiques dans leurs espaces de séparation ou même une rapide détérioration de ces ailettes. En revanche, grâce à un tel relief ajouté à l'une des parois des ailettes et à ces butées externes, il n'est pas nécessaire de systéma- tiquement augmenter l'épaisseur des parois fines des ailettes creuses pour pouvoir faire face à une surpression interne élevée. Ce qui permet de réaliser des échangeurs thermiques plus légers et moins onéreux. Selon l'invention, un radiateur à très haute conductance thermique comprend plusieurs échangeurs thermiques métalliques à ailettes creuses disposés à intervalles constants de part et 5 d'autre de deux collecteurs généraux plats trapézoïdaux, les bords des ailettes de deux échangeurs contigus étant de préférence intercalés avec des espaces de séparation sensiblement égaux à ceux des ailettes elles-mêmes. Grâce à ces dispositions, on peut construire un radiateur à très haute conductance thermique présentant un maître-couple aussi réduit que possible qui demande des puissances de pompage et 10 de ventilation particulièrement faibles, environ cinq fois plus faibles que les puissances exigées par les radiateurs à ailettes pleines ayant la même conductance thermique. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'une manière plus précise de la description ci-après d'une forme de réalisation non limitative de l'invention, faite en référence 15 aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue de dessus d'une paroi d'ailette selon l'invention ; - la figure 2 est une section longitudinale des bossages alternatifs d'une ailette; - la figure 3 est une section longitudinale d'une extrémité d'ailette soudée à un collecteur ; - la figure 4 est une perspective cavalière d'un échangeur thermique à quinze ailettes ; 20 - les figures 5 et 6 représentent une vue latérale et une vue de dessus des résultats partiels de deux façons de monter en parallèle des échangeurs thermiques selon l'invention, pour fabriquer un radiateur. Selon la figure 1, une paroi métallique mince 10, emboutie puis découpée, d'une ailette 25 creuse comprend une zone centrale gaufrée, disposée entre deux zones de raccordement. A titre d'exemple, cette paroi a une épaisseur de 0,3 mm et une zone centrale gaufrée de 70 mm de large et de 100 mm de long, formée par deux alignements contigus 12 et 14 de bossages alternatifs, séparés par une zone étroite plane 16, de 4 mm de large. Les deux zones de raccordement 18 et 20 ont des parois lisses. Les bossages alternatifs des alignements 12-14 ont des formes identiques 30 inversées, et chaque alignement comprend un nombre égal de bosses et de creux, soit, pour les alignements 12-14, quatre bosses 221.2 et 241.2, d'une part, et quatre creux 22'1.2 et 24'1.2, d'autre part, ces derniers étant représentés en gris. Chaque bosse 221.2-241.2 ou chaque creux 22'1_2-24'1_2 a la forme d'un toit à quatre pentes à arêtes vives inclinées, soit pour l'alignement 12: (1) deux trapèzes symétriques 261.2 et 281.2 pour les bosses, et 26'1.2 et 28'1.2 pour les creux, tous avec une 35 grande base de 25 mm, (2) deux triangles isocèles 301.2 et 321.2 pour les bosses, et 30'1.2 et 32'1.2 pour les creux, tous avec une base de 30 mm, (3) une crête 341.2 pour les bosses et 34'1.2 pour les creux, tous longs de 6 mm, et (4) une même hauteur de 5 mm. On notera que les deux paires de triangles isocèles 302-30'I et 30'2-321 de l'alignement 12, qui appartiennent à deux alternances consécutives du bossage alternatif, forment deux losanges plans. Il en est de même dans l'aligne-ment 14. Au centre de la zone plane 16, qui partage en deux la zone centrale gaufrée de la paroi 10 représentée, est fixée par soudure ou réalisée par emboutissage une barrette 36 en forme de I. Une telle barrette soudée est pleine et possède 0,5 mm d'épaisseur, 100 mm de long et 6 mm de hauteur totale. Une telle barrette emboutie est creuse et possède 2 mm d'épaisseur totale et les mêmes hauteur et longueur que la précédente. Deux lignes 38-40 séparent les bords externes parallèles des deux alignements 12-14 de bossages alternatifs d'une paroi d'ailette, de la paire de rebords externes parallèles 42-44, qui forment une partie du plan de joint de deux parois d'ailette. Les lignes 38-40 et les rebords 42-44 ont 1 mm de large. Ces deux lignes planes 38-40 aboutissent aux deux parties planes 46-48 des deux zones de raccordement 18-20 de la paroi 10 et ces deux rebords parallèles 42-44 se terminent par les deux paires de rebords externes obliques 501-502 et 521-522 de ces mêmes zones de raccordement ; ils forment l'autre partie du plan de joint des parois de l'ailette. Chaque paire de rebords 501-50 2 ou 521-522 forme un angle de 60 avec la ligne de symétrie longitudinale de la paroi 10. L'extrémité de chaque zone de raccordement 18-20 forme une portion de tronc de cône presque plat 54-56, de 88,5 de demi angle au sommet, délimitée par deux arcs de cercle 581-582 et 601-602, ayant respectivement 20 et 8 mm de rayon. La figure 2 représente un agrandissement d'une coupe longitudinale le long d'un axe AA' (voir fig.1) de l'une des extrémités d'une partie d'une ailette creuse avant son raccordement à un collecteur. Cette ailette est le résultat de la soudure des deux parois 10 et 10', cette paroi 10' étant la paroi 10 retournée autour de l'axe de symétrie transversale BB' (voir fig.1). La coupe en question est effectuée le long des crêtes 352 et 35'2 du bossage alternatif formé par la bosse 242 et le creux 24'2 de l'alignement 14 et elle traverse la zone de raccordement 18 de la paroi 10 de cette ailette. La figure 3 représente un agrandissement d'une coupe de cette même extrémité d'ailette, effectuée le long de la ligne de symétrie longitudinale CC' (voir fig.1) des alignements 12 et 14 de 30 bossages alternatifs et des zones de raccordement 18 et 20 de la paroi 10. Sur la figure 2, les bosses et creux de la paroi basse 10' et de la paroi haute 10 d'une ailette sont inversés, de sorte que les références 242 et 24'2 de la paroi haute 10, vue de profil sur cette figure 2, apparaissent respectivement comme un creux et une bosse. Dans ce creux est emboîtée la bosse 24'1 et dans cette bosse, le creux 241 de la paroi 10' définie plus haut. L'épaisseur de la 35 partie 62 du canal interne d'une ailette creuse, située entre les crêtes emboîtées 341-35'2 ou 34'1- 352 de la zone gaufrée de cette ailette, est de 0,4 mm et celle de la partie 64 de ce canal interne, située entre les pentes à 45 des flancs ascendants ou descendants de ces bossages, est de 0,28 mm. L'épaisseur du canal interne 66, entre les parties planes des zones de raccordement 18 et 20, est de 0,4 mm. Selon la figure 2, la partie droite de la coupe le long de la ligne AA' représente (1) le début 68 de l'écartement progressif des parois des deux sections coniques en regard 54-56 des parois 10-10', qui terminent ces deux zones de raccordement, (2) les deux marches symétriques de ces parois qui débutent avec les cercles 582 et 581 et (3) les deux rebords externes symétriques 522 et 501 qui définissent le plan de joint des parois 10 et 10'. Selon la figure 3, la coupe représentée est effectuée le long de l'axe de symétrie longitudi- nale CC' d'une extrémité d'ailette creuse engagée et soudée par un cordon de soudure 70, dans les bords et les extrémités d'une fente 72, en forme d'arc de cercle de 120 , pratiquée dans la paroi 74 d'un collecteur externe 75 à section circulaire. Cette coupe montre deux tronçons parallèles 16 et 16'des zones centrales étroites des parois 10 et 10', séparés par un écart 66 de 0,4 mm et deux autres tronçons divergents 54 et 56 correspondant aux sections coniques en regard des deux parois 10 et 10' de l'ailette. L'écart entre les bords extrêmes de ces deux tronçons divergents est de 1,4 mm et la longueur des arcs 602 et 601 de 120 , de 12 mm. Les surfaces des sections droites du canal interne à parois gaufrées et des ouvertures des extrémités de l'ailette sont sensiblement égales. Selon la figure 4, un échangeur thermique élémentaire 76 est représenté qui comprend quinze ailettes métalliques creuses minces 781.15 à parois gaufrées. Les extrémités de ces ailettes sont engagées et soudées comme indiqué plus haut dans des fentes de 1,5 mm de large au pas de 8 mm, pratiquées dans les parois des collecteurs externes 80-82. Pour permettre la réalisation aisée de telles soudures, les collecteurs 80-82 sont formés par deux coquilles cylindriques à sections semi-circulaires soudées bord à bord. Selon les figures 5 et 6, de part et d'autre de deux collecteurs principaux plats trapézoïdaux 84 et 86, peuvent être montés en parallèle six échangeurs thermiques identiques 761_6 et 767.12, de manière à constituer un radiateur à conductance thermique globale appropriée. Ces collecteurs plats 84-86 ont une épaisseur sensiblement égale au diamètre des collecteurs externes 801.3. Au-dessus des collecteurs principaux 8486 de la figure 5, sont disposés deux échangeurs 761.2, de telle façon que les bords latéraux de leurs ailettes soient pratiquement jointifs. Dans ce cas, les pieds des collecteurs externes amont 801.2 et aval 821.2 sont engagés de la même profondeur dans des ouvertures circulaires appropriées pratiquées à intervalles constants dans ces collecteurs principaux 84-86 puis ils sont soudés. Cette manière de monter les échangeurs 761.6 laisse apparaître des espaces relativement importants entre deux échangeurs contigus. Dans un dispositif de refroidissement à air, ces espaces seront traversés par un courant d'air qui participe beaucoup moins à l'échange thermique recherché que celui qui traverse les espaces séparant les plaques de chaque échangeur. Pour une même conductance thermique globale, le maître-couple d'un tel radiateur sera augmenté. Ce qui peut ne pas convenir à plusieurs applications, notamment aux refroidisseurs pour certains appareils mobiles. Pour pallier cet inconvénient, au-dessous des collecteurs principaux de la figure 5, sont représentés disposés, avec des intervalles constants un peu inférieurs aux précédents, trois échangeurs thermiques 767.9, de telle façon que les bords latéraux de leurs ailettes soient intercalés et que la largeur moyenne des espaces qui les séparent soit sensiblement égale à la valeur moyenne des espaces séparant les zones centrales gaufrées des ailettes. Ce qui permet de minimiser le maître-couple tout en maximisant la conductance thermique globale du radiateur. Selon la figure 6, les collecteurs généraux plats amont et aval 84-86 du radiateur ont une forme trapézoïdale avec une grande base 881.2 environ quatre fois plus longue que la petite 901.2. Les ouvertures respectivement amont et aval de ces collecteurs 84-86 sont rectangulaires et aménagées dans les deux grandes bases 881.2. Les douze ouvertures de sortie (ou d'entrée) 941_6 et 947_12 (non visibles) pour le collecteur 86 sont circulaires et aménagées sur ses faces trapézoïdales. Il en est de même pour les douze ouvertures 9614 et 967.12 du collecteur 84. La largeur de l'espace 100 séparant les deux collecteurs généraux 84-86 est déterminée par la valeur de l'écartement des collecteurs externes 801 et 802 des échangeurs thermiques 761.6. Un tel assemblage d'échangeurs thermiques formés par des empilements d'ailettes métalliques creuses minces, à parois fines raidies par gaufrage, permet de constitue un radiateur particu- fièrement intéressant pour le refroidissement des moteurs thermiques à haute puissance (surface frontale très diminuée, conductance thermique très élevée, puissances de pompage et de ventilation réduites et poids limité). Il convient également au traitement des gaz d'échappement des moteurs Diesel, utilisés refroidis pour améliorer le fonctionnement de ces moteurs. Plus généralement, tout échange thermique entre deux fluides, notamment entre un liquide et un gaz, présentant une tempé- rature et/ou une pression différentielle élevées (jusqu'à environ 600 C et 1 MPa) peut être efficacement réalisé au moyen d'un tel assemblage. 35 REVENDICATIONS 1. Echangeur thermique (76) à haute conductance, adapté à traiter des fluides à pression différentielle et température élevées, constitué par un empilement d'ailettes creuses minces (781.15) raccordées à deux collecteurs (80-82) et pourvues de parois (10) métalliques fines ( 2. Echangeur thermique (76) selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits bossages (221.2-22'1.2) forment plusieurs alignements (12-14) parallèles rapprochés et, pour une surface déterminée de ladite zone centrale gaufrée, le nombre d'alignements, le nombre de bossages dans 35 chaque alignement et l'amplitude transversale de ces bossages sont aussi grands que possible. 3. Echangeur thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ces bossages (221.2-22' 1.2) sont quadrangulaires et leurs arêtes vives sont inclinées de 30 à 50 par rapport à leur plan médian longitudinal. 4. Echangeur thermique selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que deux alignements contigus (12-14) de bossages alternatifs des ailettes creuses, sont séparés l'un de l'autre par une zone plane étroite (16) , et au moins l'une des deux parois de chaque ailette est munie, sur toute la longueur de sa zone plane étroite, d'une barrette rigide externe (36), de hauteur pratiquement égale à la largeur de l'espace séparant deux ailettes voisines. 5. Echangeur thermique selon la revendication 4, caractérisé en ce que des butées externes sont associées aux barrettes rigides dont sont pourvues les parois de la première et de la dernière ailette de cet échangeur. 6. Radiateur à très haute conductance thermique comprenant plusieurs échangeurs thermiques (761.12) métalliques à ailettes creuses, selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ces échangeurs sont disposés à intervalles constants de part et d'autre de deux collecteurs principaux plats trapézoïdaux (84-86), les bords des ailettes de deux échangeurs contigus étant de préférence intercalés avec des écarts moyens de séparation égaux à ceux des ailettes elles-mêmes. 25 30 35