Brevet FR2914413A1 — publié le 20081003

Description La présente invention concerne un échangeur thermique constitué d'au moins un boîtier et d'au moins un profilé de refroidissement creux disposé dans le boîtier. Un fluide devant être refroidi circule dans le profilé de refroidissement et un fluide réfrigérant circule dans le boîtier. Le boîtier et les profilés de refroidissement sont fabriqués dans un profilé extrudé en aluminium. ~o Un échangeur thermique conforme à celui du préambule est connu du document DE 41 06 296 Al. Le document DE 41 06 296 Al décrit un échangeur thermique, en particulier un refroidisseur eau/air destiné à des moteurs à combustion interne, comprenant un bloc tube/ailettes constitué d'au moins une série de tubes plats et d'éléments formant ailettes disposés entre ceux-ci. Les extrémités des tubes plats sont 15 reçues dans des plateaux à tubes. Les plateaux à tubes sont reliés ensemble par l'intermédiaire de pièces latérales qui entourent le bloc tube/ailettes. Les plateaux à tubes et le bloc tube/ailettes sont réalisés en aluminium. Conformément à l'invention, les faces latérales, au lieu d'être réalisées en aluminium, sont fabriquées dans un métal qui présente un module d'élasticité supérieur à celui de l'aluminium. L'utilisation d'eau en tant 20 qu'agent réfrigérant dans un moteur à combustion interne, l'eau étant à son tour refroidie par l'air, implique que le fluide devant être refroidi traversant l'échangeur thermique en aluminium, à savoir l'eau, a une température maximale de 120 C lorsqu'elle pénètre dans le refroidisseur. Ainsi, la température d'entrée est largement inférieure à une température critique à laquelle l'aluminium perd sa stabilité de forme. 25 Le document DE 20 2005 020 584 U1 décrit un profilé extrudé en aluminium qui est utilisé simultanément pour le transfert thermique et l'accumulation thermique. Pour cela, des chambres du profilé extrudé en aluminium sont remplies d'un matériau accumulateur. Un canal interne est parcouru par un fluide qui délivre la chaleur dissipée au matériau 30 accumulateur. Par l'intermédiaire d'ailettes de refroidissement externes, le matériau accumulateur, à son tour, dissipe de façon constante l'énergie thermique dans l'environnement pendant une longue période. À cet effet, le document DE 20 2005 020 584 U1 part par exemple du principe que le milieu qui s'écoule a une température de 80 C. 35 2 Le document DE 199 00 970 Al décrit une unité de refroidissement fabriquée à partir d'aluminium extrudé, comportant une pluralité d'ailettes de refroidissement faisant saillie par rapport à une unité de refroidissement. En outre, l'unité de refroidissement présente un profilé d'écartement d'ailettes périphérique muni de rainures fonctionnelles prévues du côté des ailettes de refroidissement et dans lesquelles saillent les extrémités libres des ailettes de refroidissement qui sont fixées à l'intérieur en étant soutenues latéralement. Aucune indication n'est faite sur l'application à laquelle est destinée l'unité de refroidissement. ~o Afin de réduire les émissions brutes des moteurs à combustion interne, une partie des gaz d'échappement produits revient dans les cylindres du moteur à combustion interne et est mélangée à l'air de suralimentation. Il s'agit donc ici de ce qu'on appelle une recirculation des gaz d'échappement (RGE). À cet effet, un prélèvement des gaz d'échappement est réalisé soit dans une zone haute pression derrière un 15 turbocompresseur à suralimentation ou un collecteur de gaz d'échappement, soit dans une zone basse pression derrière un catalyseur ou un filtre à particules diesel. La température des gaz d'échappement prélevés varie donc entre environ 650 et 200 C. Au fur et à mesure que le prélèvement de gaz des gaz d'échappement augmente, les gaz d'échappement recyclés doivent être refroidis avant le mélange, et la température des gaz 20 d'échappement suite à un refroidissement est comprise entre 100 C et 180 C. En principe, les refroidisseurs RGE sont fabriqués en acier spécial en raison des contraintes thermiques dues aux gaz d'échappement chauds ainsi qu'en raison des propriétés corrosives des gaz d'échappement et de la formation de condensat qui y est associée. Sans refroidissement suffisant, l'aluminium n'est plus stable en termes de forme au- 25 dessus d'une température d'environ 200 C à 280 C, en fonction de la composition de l'alliage, c'est-à-dire que sous l'effet de la température il peut se produire une déformation permanente du refroidisseur en aluminium. Le document DE 102 16 773 B4 présente un refroidisseur destiné à des gaz 30 d'échappement prélevés du flux de gaz d'échappement principal d'un moteur à combustion. Le refroidisseur est configuré en forme de U et est parcouru transversalement. À cet effet, le refroidisseur comporte une conduite de gaz d'échappement qui est raccordée d'une part à une conduite située entre la sortie du moteur et la turbine et d'autre part à une conduite qui mène l'air frais vers le refroidisseur 35 à suralimentation. La conduite de gaz d'échappement est reliée à un boîtier dans lequel s'étendent plusieurs tubes de refroidissement en forme de U. Les extrémités des tubes de 3 refroidissement débouchent dans la conduite de gaz d'échappement. Du côté de la périphérie des extrémités, on a prévu une paroi de séparation entre la conduite de gaz d'échappement et le boîtier. L'autre extrémité du boîtier est également fermée par une paroi. Une tubulure est reliée au boîtier par l'intermédiaire de laquelle un fluide réfrigérant du moteur est introduit dans le boîtier, parcoure les tubes de refroidissement transversalement et quitte, avec les gaz d'échappement guidés dans les tubes de refroidissement, le boîtier par l'intermédiaire d'une autre tubulure en forme d'arc après l'échange thermique indirect. Ce refroidisseur n'est pas réalisé en aluminium, mais en acier ou en acier spécial. Le document DE 103 55 649 Al décrit un refroidisseur de gaz d'échappement parcouru dans le sens de la longueur, destiné à la recirculation des gaz d'échappement vers un moteur à combustion. Le refroidisseur RGE présente une section d'admission de gaz d'échappement entourée d'une paroi de boîtier et un tube d'alimentation en gaz d'échappement, et une zone d'évacuation de gaz d'échappement avec un tube d'évacuation des gaz d'échappement. Entre les deux, on a disposé une zone de transfert thermique ainsi qu'un canal de dérivation isolé intégré à l'intérieur. Ici encore, ce refroidisseur n'est pas réalisé en aluminium, mais en acier ou en acier spécial. Le document DE 44 27 854 Al présente un dispositif de refroidissement et un procédé de montage destinés à réguler l'augmentation de température dans les parties dégageant de la chaleur d'appareils électroniques. Cette chaleur est transmise par des pièces de base de semi-conducteurs à un corps de refroidissement constitué d'une pluralité d'ailettes constituées de plaques en tôle brasée, lesquelles présentent chacune un matériau d'âme constitué d'un alliage d'aluminium et un matériau de brasage prévu sur une surface de celui-ci, sachant que les ailettes sont fixées sous vide par brasage fort sur une plaque plane réalisée dans un alliage d'aluminium. La chaleur s'évacue par l'ensemble de la surface des ailettes. Grâce à un ventilateur de refroidissement, de l'air forcé est soufflé entre les ailettes de telle sorte que la chaleur rayonnée par les surfaces des ailettes est transmise à l'atmosphère. Il s'agit donc d'un refroidisseur air/air. L'objectif du document DE 44 27 854 Al est de proposer un dispositif de refroidissement qui permet le positionnement d'ailettes sans utiliser d'outil, et qui peut maintenir les ailettes verticalement dans leurs positions correctes en excluant un décalage ou un renversement des ailettes. En l'occurrence, il s'agit exclusivement d'une fixation temporaire, car la fixation définitive des ailettes est réalisée par brasage. Cet objectif est résolu par le document DE 44 27 854 Al par le fait que chaque ailette est formée en recourbant une 4 zone périphérique supérieure et une zone périphérique inférieure selon un angle déterminé dans la même direction. Des évidements et des saillies sont disposés sur une ligne qui coupe la direction de courbage selon un angle droit au niveau d'une pluralité d'emplacements situés dans les zones périphériques plus courtes supérieures et inférieures. Les évidements d'une ailette sont en prise avec les saillies d'une autre ailette lorsque les ailettes sont disposées parallèles entre elles sur la plaque métallique. Le document DE 44 27 854 Al présente des aides destinées exclusivement au positionnement et qui ne sont pas adaptées à établir une liaison ferme, d'autant plus que le refroidisseur du document DE 44 27 854 Al ne doit en aucun cas satisfaire à des ~o exigences d'étanchéité étant donné que le milieu réfrigérant et le milieu devant être refroidi sont, de manière identique, constitués d'air. Par conséquent, le brasage est une condition fondamentale dans le document DE 44 27 854 Al pour maintenir la cohésion du refroidisseur. 15 Les solutions présentées en acier spécial sont relativement onéreuses en termes de matériaux et de montage, de telle sorte qu'on cherche à fabriquer ces refroidisseurs à partir d'autres matériaux tels que l'aluminium, des matières plastiques ou des solutions mixtes. Un défi toujours plus grand à relever concerne le rapport entre la taille de construction et la puissance calorifique pour tenir compte de la place disponible qui est de 20 plus en plus réduite dans le compartiment moteur. En partant de l'état de la technique, la présente invention a donc pour objectif de concevoir un refroidisseur en aluminium, aussi bien en ce qui concerne la puissance calorifique qu'en ce qui concerne la taille de construction, de telle sorte qu'il puisse être 25 fabriqué de manière variable et à peu de coûts, et qu'il puisse également être inséré dans une conduite de gaz d'échappement. L'échangeur thermique de la présente invention atteint cet objectif. Cet échangeur thermique est constitué d'un boîtier et d'au moins un profilé de refroidissement creux 30 disposé dans le boîtier. Le profilé de refroidissement et le boîtier sont fabriqués dans un profil extrudé en aluminium. Un fluide chaud devant être refroidi circule dans le profilé de refroidissement tandis qu'un fluide réfrigérant froid circule à travers le boîtier. Le profilé de refroidissement est muni d'une rainure de réception et/ou d'une nervure de fixation par l'intermédiaire desquelles le profilé de refroidissement peut être relié au boîtier ou à un 35 autre profilé de refroidissement. Ainsi, on obtient quasiment un type de refroidisseur modulaire. Le boîtier et les profilés de refroidissement peuvent être fabriqués de façon économique à des dimensions et des longueurs quelconques par un procédé d'extrusion. Par l'intermédiaire de la rainure de réception et de la nervure de fixation, il est possible d'emboîter l'un dans l'autre deux profilés de refroidissement lesquels sont écrouis et se retreignent dans la zone de liaison. Cette liaison est maintenue favorisée par la 5 conjugaison de forme de telle sorte qu'aucune procédure d'assemblage supplémentaire n'est nécessaire, et qu'il est possible en particulier de renoncer à un brasage. En emboîtant les uns dans les autres une quantité déterminée de profilés de refroidissement afin d'obtenir une matrice de refroidissement, il est possible d'adapter l'échangeur thermique simplement à différentes puissances de refroidissement devant être atteintes ~o selon les différents modèles de véhicules. La matrice de refroidissement est alors reliée à la paroi interne du boîtier au niveau d'au moins une de ses extrémités. Au niveau de l'autre extrémité, la matrice de refroidissement peut, dans un mode de réalisation particulier, être dotée d'une pièce d'extrémité qui ne présente qu'une rainure de réception, mais ne présente pas de nervure de fixation. Dans le boîtier se trouve au moins une 15 nervure sur laquelle peut être raccordé un profilé de refroidissement ou l'intégralité d'une matrice de refroidissement. En fonction de la puissance devant être atteinte, il est possible de placer différentes matrices de refroidissement les unes au-dessus des autres ou à côté les unes des autres. Pour obtenir une liaison correspondante, le boîtier présente alors, pour chaque matrice, une nervure de fixation. Selon une autre solution, le boîtier 20 peut également être doté de rainures de réception en lieu et place des nervures de fixation, rainures dans lesquelles il est possible de coupler un profilé de refroidissement seul ou une matrice de refroidissement muni chacun d'une nervure de fixation. Dans ce mode de réalisation, les pièces d'extrémité ne possèdent alors qu'une nervure de fixation, mais pas de rainure de réception. Aussi bien le boîtier que les profilés de refroidissement 25 peuvent présenter une surface profilée ou structurée afin d'améliorer la puissance. Par exemple, des gravures peuvent être ménagées dans le profilé de refroidissement. La paroi externe du boîtier peut être munie d'ailettes de refroidissement. Dans un mode de réalisation particulier, la rainure de réception du profilé de 30 refroidissement est configurée sous la forme d'un logement élastique au sens d'un assemblage à rainure et languette. À cette fin, la paroi de la rainure est par exemple dotée d'un ajour qui, lors de l'emboîtement l'un dans l'autre de deux profilés de refroidissement, est fermé par la nervure de fixation de l'autre profilé de refroidissement, de telle sorte qu'aucun fluide ne peut sortir hors du profilé de refroidissement. 35 6 L'échangeur thermique selon l'invention peut également être utilisé dans une conduite de gaz d'échappement relativement chaude d'un véhicule afin de refroidir les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. Du fait qu'à l'intérieur du boîtier ils sont entourés par le fluide réfrigérant, les profilés de refroidissement en aluminium sont suffisamment refroidis en permanence pour qu'en dépit des températures élevées allant jusqu'à 650 C des gaz d'échappement circulant dans le profilé de refroidissement, leur forme reste stable. En particulier lorsque le refroidisseur est utilisé comme refroidisseur RGE, il est judicieux de prévoir dans le boîtier une zone exempte de fluide réfrigérant permettant de loger un canal de dérivation. Dans cette zone exempte de fluide ~o réfrigérant, on a logé un tube en acier spécial qui n'est pas en contact avec la paroi du boîtier, de telle sorte qu'il se forme une dérivation isolée par couche d'air. Par l'intermédiaire d'un clapet ou d'une soupape, il est possible au choix d'amorcer ou de contourner le refroidisseur. 15 Toutefois, le refroidisseur intégral en aluminium selon l'invention peut être également utilisé à un autre emplacement dans une conduite de gaz d'échappement afin de refroidir les gaz d'échappement ou par exemple d'utiliser la chaleur des gaz d'échappement afin de réchauffer l'eau d'un système de refroidissement. De façon générale, le refroidisseur modulaire en aluminium peut être utilisé quasiment dans tous 20 les domaines d'application d'un échangeur thermique. La présente invention va être décrite ci-dessous plus en détail à l'aide des figures qui montrent : Figure 1 une coupe au travers de deux profilés de refroidissement identiques 25 conformes à l'invention ; Figure 2 une coupe au travers d'un boîtier conforme à l'invention, avec une coupe du détail A ; Figure 3 une coupe au travers d'une pièce d'extrémité conforme à l'invention ; Figure 4 une coupe au travers d'une variante d'un profilé de refroidissement avec une 30 rainure de réception élastique ; Figure 5 une vue en perspective d'une autre variante d'un profilé de refroidissement avec une coupe du détail A ; Figure 6 une coupe schématique du boîtier muni de plusieurs matrices de refroidissement ; 35 Figure 7 une vue en perspective du boîtier vide ; Figure 8 une coupe à travers le boîtier rempli ; 7 Figure 9 une vue schématique d'un échangeur thermique. La figure 1 montre une vue en coupe d'un profilé de refroidissement (1) conforme à l'invention fabriqué par un procédé d'extrusion d'aluminium. Le profilé de refroidissement (1) est creux à l'intérieur afin de pouvoir laisser circuler un fluide à refroidir à l'intérieur. D'un côté, le profilé de refroidissement (1) est doté d'une nervure de fixation (3). Sur le côté opposé, le profilé de refroidissement (1) présente une rainure de réception (2). La nervure de fixation (3) et la rainure de réception (2) sont de forme correspondante de telle sorte que les nervures de fixation (3) de profilés de ~o refroidissement (1) identiques s'adaptent chacun dans les rainures de réception (2) de l'autre profilé de refroidissement (1) correspondant. De manière idéale, la nervure de fixation (3) et la rainure de réception (2) sont configurées de telle sorte que les deux sont écrouies et se rétreignent après avoir été 15 poussées l'une dans l'autre. De ce fait, une opération d'assemblage supplémentaire est inutile. Les profilés de refroidissement (1) peuvent être fabriqués à moindre coût et de manière précise dans le cadre du procédé d'extrusion. Ils peuvent être montés facilement et couplés les uns aux autres, quel que soit leur nombre. 20 La figure 2 montre une vue en coupe d'un boîtier (4) conforme à l'invention avec une coupe du détail A. Dans le cas présent, le boîtier (4) a une section circulaire. Dans la paroi interne du boîtier (4), on a placé des nervures de fixation (3). Ces nervures de fixation (3) s'adaptent également dans les rainures de réception (2) des profilés de refroidissement (1). En outre, on a encore prévu une chambre (5) séparée dans le 25 boîtier (4). Un fluide réfrigérant circule dans le boîtier (4), hormis dans la chambre (5). La chambre (5) reste n'est pas en contact avec le fluide réfrigérant. Elle sert à recevoir une dérivation. La figure 3 représente un profilé de refroidissement (6) configuré sous la forme 30 d'une pièce d'extrémité. La pièce d'extrémité ne dispose que d'une rainure de réception (2). Elle n'est pas munie de nervure de fixation (3). La pièce d'extrémité est elle aussi refermée sur elle-même et creuse de sorte qu'un fluide devant être refroidi peut s'écouler au travers de la pièce d'extrémité (6). 35 La figure 4 représente une autre variante d'un profilé de refroidissement (10). La nervure de fixation (3) reste inchangée, mais la rainure de réception (20) est interrompue 8 au niveau d'un emplacement (21), à la manière d'un raccord à rainure/languette, afin de pouvoir s'écarter lors de l'insertion l'un dans l'autre. Cette variante du profilé de refroidissement (10) également peut être emboîtée avec un nombre quelconque d'autres profilés de refroidissement (10). Sur la figure 5, la surface d'une autre variante d'un profilé de refroidissement (11) est dotée d'une structuration (7) ou d'un estampage (7) obtenu par une procédure d'estampage ou de roulage ou de toute autre manière. La structuration (7) sert à produire un tourbillon dans le fluide s'écoulant dans le profilé de refroidissement (11) afin ~o d'accroître la puissance de refroidissement. Sur la figure 6, le boîtier (4) est représenté de manière schématique en coupe. Dans le boîtier (4) se trouvent plusieurs matrices de refroidissement (12). Une matrice de refroidissement (12) est ici constituée de plusieurs profilés de refroidissement (10) 15 couplés les uns aux autres, les profilés de refroidissement (10) étant représentés en coupe sur la figure 4. En fonction du nombre de profilés de refroidissement (10) couplés les uns aux autres, il est possible d'ajuster la puissance de refroidissement. Une pièce d'extrémité (6) est placée d'un côté de chacune des matrices de refroidissement (12). 20 La figure 7 représente le boîtier (4) selon une vue en perspective. Les nervures de fixation (3) s'étendent sur toute la longueur du boîtier (4), de même que la chambre (5) séparée. Des ouvertures de passage (13, 14) sont évoquées sur le boîtier (4), lesquelles permettent d'assembler des conduites d'alimentation et de sortie non représentées pour le fluide réfrigérant circulant dans le boîtier (4). 25 Sur la figure 8, les matrices de refroidissement (12) sont reliées chacune par une extrémité à une nervure de fixation (3) du boîtier (4). L'autre extrémité de la matrice de refroidissement (12) est dotée d'une pièce d'extrémité (6). Un fluide devant être refroidi circule au travers des matrices de refroidissement (12). Les matrices de 30 refroidissement (12) sont refroidies de l'extérieur par l'intermédiaire d'un fluide réfrigérant s'écoulant dans le boîtier (4), lequel parvient également entre les différentes matrices de refroidissement (12). La chambre (5) n'est pas en contact avec le fluide réfrigérant. Dans la chambre (5), on a placé une dérivation (8) à distance des parois de la chambre (5), de telle sorte que la dérivation (8) est isolée de la fente. De préférence, c'est tout simplement 35 de l'air qui est présent dans la chambre (5). 9 La figure 9 montre un refroidisseur RGE (15) selon une vue en perspective. Un fluide réfrigérant, de préférence le fluide réfrigérant provenant du circuit de refroidissement du moteur à combustion, donc en général de l'eau, est introduit et évacué par l'intermédiaire de raccords (9, 90). Les ouvertures dans le boîtier destinées aux raccords ou tubes (9, 90) sont par exemple usinées par voie mécanique. Les raccords sont ensuite brasés ou soudés. Les extrémités ouvertes de l'échangeur thermique (15) sont rendues étanches et dotées d'un entonnoir permettant l'alimentation et la sortie des gaz d'échappement. À titre facultatif il est également possible d'intégrer une soupape RGE. Étant donné que la capacité thermique de l'aluminium est supérieure à celle de ~o l'acier spécial, il est possible d'obtenir une meilleure puissance de refroidissement pour une construction de même taille. Grâce au procédé d'extrusion, l'échangeur thermique (15) peut être fabriqué à moindre coût et simplement et, par ailleurs, il a un poids inférieur à celui d'un refroidisseur RGE comparable réalisé en acier spécial. Revendications 1. Échangeur thermique (15) constitué d'au moins un boîtier (4) et d'au moins un profilé de refroidissement (1, 10, 11) creux disposé dans le boîtier (4), un fluide devant être refroidi circulant dans le profilé de refroidissement (1, 10, 11) et un fluide réfrigérant circulant dans le boîtier (4), le boîtier et les profilés de refroidissement étant fabriqués dans un profilé extrudé en aluminium, caractérisé en ce que le profilé de refroidissement (1, 10, 11) est muni d'une rainure de réception (2, 20) et/ou d'une nervure de fixation (3) ~o au moyen desquelles le profilé de refroidissement (1, 10, 11) peut être raccordé au boîtier (4) ou à un autre profilé de refroidissement (1, 10, 11). 2. Échangeur thermique (15) selon la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs profilés de refroidissement (1, 10, 11) peuvent être assemblés ensemble au 15 moyen de rainures de réception (2, 20) et de nervures de fixation (3) pour former une matrice de refroidissement (12) et en ce que cette matrice de refroidissement (12) est reliée par une extrémité au boîtier (4). 3. Échangeur thermique (15) selon l'une des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce que des profilés de refroidissement (6) qui ne présentent chacun qu'une rainure de réception (2, 20) ou une nervure de fixation (3) sont placés en tant que pièce d'extrémité d'un côté de la matrice de refroidissement (12). 4. Échangeur thermique (15) selon l'une des revendications précédentes, 25 caractérisé en ce que plusieurs nervures de fixation (3) et/ou rainures de réception (2, 20) destinées aux profilés de refroidissement (1) sont disposées sur la paroi intérieure du boîtier (4). 5. Échangeur thermique (15) selon l'une des revendications précédentes, 30 caractérisé en ce qu'il est prévu dans le boîtier (4) une zone (5) protégée du fluide réfrigérant et destiné à recevoir une canalisation de dérivation (8). 6. Échangeur thermique (15) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le profilé de refroidissement (11) présente une surface structurée 35 pour favoriser la formation de tourbillons dans le fluide à refroidir circulant dans le profilé de refroidissement (11). 511 7. Échangeur thermique (15) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le boîtier (4) présente des ailettes de refroidissement sur une paroi extérieure. 8. Échangeur thermique (15) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la rainure de réception (20) du profilé de refroidissement (10, 11) est conçue comme une réception ressort grâce à une interruption (21). 9. Échangeur thermique (15) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la rainure de réception (2, 20) et la nervure de fixation (3) sont adaptées l'une à l'autre de telle sorte que la rainure de réception (2, 20) et la nervure de fixation (3) après introduction de l'une dans l'autre sont écrouies et se rétreignent. 15 10. Échangeur thermique (15) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide à refroidir est un gaz d'échappement provenant d'une machine à combustion interne.