Brevet FR2953282A1 — publié le 20110603

ÉCHANGEUR DE CHALEUR La présente invention concerne un échangeur de chaleur du type qui présente un boîtier et des cassettes en profilés filés d'aluminium dotées de canaux, disposées dans le boîtier, les cassettes traversées par un premier fluide et contournées par un second fluide étant disposées en plusieurs rangées. Un échangeur de chaleur de ce type compte parmi l'état de la technique selon le document DE 10 2007 015 146 Al. Il présente un boîtier cylindrique en un profilé filé d'aluminium. De zones opposées de la surface intérieure du boîtier font saillies plusieurs nervures de fixation orientées parallèlement les unes aux autres. Les nervures de fixation servent à la fixation de cassettes pourvues de canaux. Chaque cassette présente un canal ainsi que respectivement une nervure de fixation et une rainure de réception opposée. En raison de cette réalisation, plusieurs cassettes peuvent être assemblées dans une rangée pour former une matrice et fixées sur les nervures de fixation côté intérieur du boîtier. Les cassettes sont aussi formées par des profilés filés d'aluminium. La cassette qui est prévue dans une rangée sur l'extrémité opposée à la nervure de fixation à l'intérieur du boîtier, peut aussi être pourvue uniquement d'une rainure de réception. La nervure de fixation est supprimée ici. Dans le cas connu, un fluide chaud à refroidir passe dans les cassettes et dans le boîtier circule, un fluide froid réfrigérant. L'échangeur de chaleur est apte à être employé dans un véhicule automobile, dans lequel il est utilisé dans le tronçon d'échappement relativement chaud pour le refroidissement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. Un autre domaine d'utilisation dans le véhicule automobile est son utilisation pour le réchauffement du circuit d'eau de refroidissement. Une particularité de l'échangeur de chaleur connu consiste en ce qu'il faut mettre à disposition une pluralité de cassettes avec des nervures de fixation et des rainures de réception pour le guidage du premier fluide formé des gaz d'échappement chauds. Les cassettes doivent être poussées tout d'abord dans une rangée dans le sens longitudinal les unes dans les autres et aussi reliées aux nervures de fixation à l'intérieur du boîtier. En outre, il est nécessaire de disposer à l'intérieur du boîtier de minces nervures de fixation nécessaires à la fixation des cassettes. De plus, les canaux individuels des cassettes doivent être raccordés à une amenée de gaz d'échappement ou à une dérivation de gaz d'échappement sur un côté frontal. La dépense en termes de fabrication et de montage est ainsi relativement élevée. Dans le document DE 10 2007 025 883 Al, il est de plus connu pour un échangeur de chaleur pour véhicules automobiles de fixer des cassettes avec plusieurs canaux disposés les uns à côté des autres par leurs extrémités dans des fonds qui forment des éléments de boîtes de distribution et de cuves collectrices. La présente invention a pour objectif, en partant de l'état de la technique, de perfectionner l'échangeur de chaleur connu en ce sens que d'un côté, la fabrication ainsi que le montage peuvent être simplifiés et de l'autre, le guidage du second fluide contournant les cassettes peut être conçu plus efficacement au sens d'un échange de chaleur amélioré. L'objectif de l'invention est atteint selon l'invention par les caractéristiques suivantes. Les cassettes forment une voie d'écoulement courbée à différentes reprises en forme de S pour le second fluide alternativement en touchant une paroi de boîtier respectivement avec un premier côté longitudinal et en étant disposées à distance devant la paroi de boîtier opposée avec l'autre second côté longitudinal. Des perfectionnements avantageux de l'invention font l'objet de ce qui suit. Les cassettes sont orientées en position par des plaques de bridage prévues sur les côtés frontaux du boîtier. Le boîtier est fixé de manière étanche dans des cavités de type poche des plaques de bridage. Des évidements adaptés au contour de section transversale des cassettes sont prévus dans les plaques de bridage. Les cassettes sont reliées de manière étanche aux plaques de bridage. Les premiers côtés longitudinaux des cassettes sont positionnés par des rainures prévues dans les parois de boîtier. Le premier fluide passant dans les cassettes est un fluide à refroidir et le second fluide contournant en S les cassettes est un fluide réfrigérant. Les cassettes sont traversées par plusieurs canaux disposés les uns à côté des autres. Des générateurs de turbulence sont prévus dans les canaux des cassettes. Les générateurs de turbulence sont constitués par estampage de portions de paroi des cassettes. Les générateurs de turbulence sont constitués d'estampages trapézoïdaux dans le sens longitudinal et transversal. Les générateurs de turbulence s'étendent par leurs développements longitudinaux inclinés d'un angle a par rapport aux canaux. Les générateurs de turbulence de deux canaux s'étendant l'un à côté de l'autre sont disposés en déport (ou décalés) les uns par rapport aux autres dans le sens longitudinal des canaux. Les générateurs de turbulences sont constitués par des dispositifs insérables de torsion insérés dans le sens longitudinal dans les canaux. Les générateurs de turbulence sont formés par des rubans de tôle courbés en hélice. Selon l'invention, une seule cassette est prévue à présent dans chaque rangée. Les cassettes respectivement contiguës sont intégrées en déport transversal les unes par rapport aux autres dans le boîtier de sorte que respectivement un premier côté longitudinal touche une paroi de boîtier et l'autre second côté longitudinal soit disposé à distance devant la paroi de boîtier opposée. De cette manière, une voie d'écoulement courbée à différentes reprises en forme de S pour le second fluide est formée exclusivement par la réalisation et l'agencement des cassettes dans le boîtier, c'est-à-dire sans l'agencement de tôles de guidage. Ainsi, un échange de chaleur extrêmement efficace entre le premier fluide passant dans les cassettes et le second fluide contournant les cassettes en ligne sinueuse est généré simplement. L'orientation de position des cassettes dans le boîtier est effectuée de préférence à l'aide de plaques de bridage fixées côté avant du boîtier. La liaison des plaques de bridage au boîtier est provoquée en particulier du fait que les extrémités du boîtier sont insérées dans des cavités de type poche des plaques de bridage et fixées ensuite de manière étanche auxdites plaques de bridage par liaison de matière. La fixation peut être réalisée par soudage au laser ou par brasage. Un collage est aussi concevable. Il est de plus avantageux que des évidements adaptés au contour de section transversale des cassettes soient prévus dans les plaques de bridage. Les cassettes s'enchâssent dans ces évidements des plaques de bridage. Cela permet de relier lors du montage d'un échangeur de chaleur, tout d'abord toutes les cassettes à une plaque de bridage, puis d'introduire cette unité de montage dans le boîtier et de relier aussi ensuite les cassettes à l'autre plaque de bridage ainsi que celle-ci au boîtier. Les cassettes sont reliées de manière étanche aux plaques de bridage. Cela peut être effectué par exemple par brasage, soudage au laser ou collage. Bien qu'il soit concevable qu'un passage du second fluide soit empêché exclusivement par le contact entre les premiers côtés longitudinaux des cassettes et les parois de boîtier dans ces zones de contact, il peut être avantageux de positionner les premiers côtés longitudinaux des cassettes à l'aide des rainures prévues dans les parois de boîtier. La section transversale des rainures et des premiers côtés longitudinaux des cassettes peut certes être quelconque. Mais les sections transversales doivent être adaptées les unes aux autres. De préférence, les rainures sont conçues de manière concave et les premiers côtés longitudinaux sont conçus de manière convexe, les contours des rainures et des premiers côtés longitudinaux pouvant être en forme d'arcs de cercle. Des contours différents par exemple ovales sont aussi imaginables. Les cassettes peuvent être positionnées étanches dans les rainures si besoin est. En ce qui concerne le domaine d'utilisation préféré de l'échangeur de chaleur selon l'invention dans le secteur automobile, il est avantageux que le premier fluide passant dans les cassettes soit un fluide à refroidir et le fluide contournant les cassettes dans un renvoi multiple en forme de S soit un fluide de refroidissement. Le premier fluide est par exemple les gaz d'échappement chauds provenant d'un moteur à combustion interne alors que le fluide de refroidissement est formé par de l'eau de refroidissement. Il est de plus avantageux que les cassettes soient traversées par plusieurs canaux disposés les uns à côté des autres. Une pression antagoniste la plus faible possible est visée en cas de turbulence élevée. Celle-ci est atteinte de préférence par une petite section transversale pour chaque canal individuel. Par là-même, un écoulement turbulent du premier fluide (gaz d'échappement) et une puissance de refroidissement supérieure ainsi liée sont favorisés en raison du second fluide (eau de refroidissement) contournant en S les cassettes. Une autre augmentation de l'écoulement turbulent du premier fluide dans les canaux des cassettes peut être obtenue au moyen de générateurs de turbulences. De tels générateurs peuvent être constitués par exemple par estampage de portions de paroi des cassettes. Les générateurs de turbulences pénètrent dans les canaux. Les générateurs de turbulence sont avantageusement constitués d'estampages trapézoïdaux dans le sens longitudinal et transversal. Il peut s'agir de cavités en forme de pyramide tronquée. Il est de plus approprié dans ce contexte que les générateurs de turbulences s'étendent avec leurs développements longitudinaux de manière angulaire par rapport au développement longitudinal des canaux. En outre, il s'est avéré approprié que les générateurs de turbulence prévus dans deux canaux s'étendant l'un à côté de l'autre soient disposés en déport les uns par rapport aux autres dans le sens longitudinal des canaux. Mais des générateurs de turbulences sous la forme de dispositifs insérables de torsion insérés dans les canaux sont aussi concevables. Il peut s'agir avantageusement de rubans de tôle cintrés en forme d'hélice. La présente invention est expliquée en détail par la suite à l'aide d'exemples de réalisation représentés schématiquement sur les dessins, dont les figures représentent: figure 1 : en vue de face, un boîtier pour un échangeur de chaleur ; figure 2 : en vue de face, une cassette pour l'échangeur de chaleur ; figure 3 : la cassette de la figure 2 en perspective, en partie en coupe ; figure 4 : la cassette des figures 2 et 3 en vue en élévation ; figure 5 : en perspective un générateur de turbulences ; figure 6 : une vue de face de l'échangeur de chaleur, vu dans le sens de la flèche VI de la figure 8 ; figure 7 : une vue de face du boîtier de l'échangeur de chaleur avec des cassettes insérées en cas de plaques de bridage retirées avec la voie d'écoulement dessinée pour le second fluide, et figure 8 : une coupe longitudinale de la représentation de la figure 6 le long de la ligne VIII-VIII, vue dans le sens des flèches VIlIa. Un boîtier d'un échangeur de chaleur 2 reconnaissable sur les figures 6 à 8 en détail est désigné par la référence 1 sur les figures 1 et 6 à 8, lequel est fabriqué dans un profilé filé d'aluminium. Le boîtier 1 présente, dans l'exemple de réalisation, une section transversale rectangulaire avec des arêtes longitudinales 3 arrondies. Il possède sur sa paroi de boîtier mince 4, une tubulure d'entrée 5 pour un second fluide 6 se composant d'eau de refroidissement et sur l'autre paroi de boîtier mince 7, une tubulure de sortie 8 pour le second fluide 6. La tubulure de sortie 8 est disposée en déport diagonal par rapport à la tubulure d'entrée 5. De plus, il faut reconnaître qu'une chambre séparée 9 est prévue dans le boîtier 1. Cette chambre 9 n'est pas reliée à l'intérieur 10 du boîtier 1. Elle sert au logement d'une dérivation. Des rainures 14 réalisées concaves sont formées dans les surfaces intérieures 11 des larges parois de boîtier 12, 13 opposées. Leur contour est en forme d'arcs de cercle. Il faut voir en particulier à l'aide de la figure 1 que les rainures 14 sont disposées en déport dans la surface intérieure 11 de la paroi de boîtier 12 par rapport aux rainures 14 dans la surface intérieure 11 de la paroi de boîtier 13 en direction des parois de boîtier 4, 7. Les rainures 14 dans les parois de boîtier 12, 13 servent à l'aide au montage ainsi qu'au positionnement de cassettes 16 adaptées en ce qui concerne leurs premiers côtés longitudinaux 15 aux rainures 14 et disposées en plusieurs rangées R les unes à côté des autres (dans l'exemple de réalisation les unes au-dessus des autres) (figures 1 à 4 et 6 à 8). Les cassettes 16 présentent plusieurs canaux 17 disposés les uns à côté des autres qui sont séparés les uns des autres par des nervures 18 (figures 2, 3, 6 et 7). Les cassettes 16 sont aussi fabriquées dans des profilés filés d'aluminium. Comme il ressort de la figure 7, les cassettes 16 sont intégrées dans le boîtier 1 de telle sorte que respectivement les premiers côtés longitudinaux 15 soient positionnés dans les rainures 14 des parois de boîtier 12, 13 et soient disposés avec les autres deuxièmes côtés longitudinaux 19 à distance devant la paroi de boîtier 13, 12 opposée. De cette manière, une voie d'écoulement 20 courbée à différentes reprises en forme de S pour le second fluide 6 est formée en partant de la tubulure d'entrée 5, laquelle voie quitte le boîtier 1 par la tubulure de sortie 8. Les cassettes 16 sont orientées en position selon la figure 8 par leurs extrémités 21 dans des plaques de bridage 22 prévues côté frontal du boîtier 1 en aluminium. Une vue de face d'une plaque de bridage 22 est reconnaissable sur la figure 6. Elle présente des évidements 23 se trouvant les uns au-dessus des autres selon le contour de section transversale des cassettes 16. En outre, une cavité 24 de type poche est prévue dans chaque plaque de bridage 22 (figure 8), laquelle est adaptée au contour extérieur du boîtier 1 et sert au logement étanche du boîtier 1. La jointure étanche du boîtier 1 avec les plaques de bridage 22 peut être effectuée par brasage, soudage au laser ou collage. Dans les brides 25 des plaques de bridage 22 côté périphérie du boîtier 1 sont prévus des perçages 26 pour la fixation locale de l'échangeur de chaleur 2. Lors du montage de l'échangeur de chaleur 2, les cassettes 16 sont insérées par une extrémité 21 dans les évidements 23 d'une plaque de bridage 22 et assemblées de manière étanche par exemple par brasage, collage ou soudage au laser. Puis l'unité de montage se composant des cassettes 16 et d'une plaque de bridage 22 est assemblée au boîtier 1, les premiers côtés longitudinaux 15 des cassettes 16 glissant dans les rainures 14 dans les surfaces intérieures 11 des parois de boîtier 12, 13. Si le boîtier 1 se trouve dans la cavité de type poche 24, une jointure étanche est ici aussi réalisée par brasage, soudage au laser ou collage. Puis la seconde plaque de bridage 22 est assemblée par ses évidements 23 aux autres extrémités 21 des cassettes 16 ainsi que par sa cavité 24 au boîtier 1 et jointée de manière étanche et ce par collage, brasage ou soudage au laser. Sur les côtés éloignés du boîtier 1 des plaques de bridage 22, des raccords d'entrée et de sortie pour le premier fluide 27 passant dans les cassettes 16 (fluide à refroidir, par exemple des gaz d'échappement) peuvent être prévus. Ces raccords ne sont pas représentés en détail. Le premier fluide 27 est illustré sur la figure 7 par des croix et sur la figure 8 par des flèches. De plus, les canaux 17 dans les cassettes 16 peuvent être dotés de générateurs de turbulences 28. A ce sujet, des portions de paroi des cassettes 16 peuvent être si estampées que les générateurs de turbulences 28 formés par là-même pénètrent dans les canaux 17 (voir figure 2). Si besoin est, tous ou seuls quelques canaux 17 peuvent être dotés de générateurs de turbulences 28. Les générateurs de turbulences 28 peuvent être constitués d'estampages (de type pyramide tronquée) trapézoïdaux en section longitudinale et transversale (figures 3 et 4). Ils peuvent s'étendre par leurs développements longitudinaux 29 en angle a par rapport aux canaux 17 (voir figure 4). En outre, les générateurs de turbulences 28 prévus dans deux canaux 17 s'étendant l'un à côté de l'autre peuvent être disposés en déport les uns par rapport aux autres dans le sens longitudinal des canaux 17 (figure 4). De plus, des générateurs de turbulences 30 peuvent être formés par des dispositifs insérables de torsion insérés dans les canaux 17 dans le sens longitudinal sous la forme de rubans de tôle cintrés en forme d'hélice (figure 5). Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Liste des références : 1 - Boîtier de 1 2 - Echangeur de chaleur 3 - Arêtes longitudinales de 1 4 - Paroi de boîtier mince de 1 5 - Tubulure d'entrée de 6 6 - Second fluide 7 - Paroi de boîtier mince de 1 8 - Tubulure de sortie de 6 9 - Chambre dans 1 10 - Intérieur de 1 11 - Surfaces intérieures de 12, 13 12 - Paroi de boîtier large de 1 13 - Paroi de boîtier large de 1 14 - Rainures dans 11 15 - Premiers côtés longitudinaux de 16 16 - Cassettes 17 - Canaux dans 16 18 - Nervures dans 16 19 - Seconds côtés longitudinaux de 16 20 - Voie d'écoulement de 6 21 - Extrémités de 16 22 - Plaques de bridage 23 - Evidements dans 22 24 - Cavité dans 22 25 - Brides de 22 26 - Perçages dans 25 27 - Premier fluide 28 - Générateur de turbulences 29 - Développements longitudinaux de 28 30 - Générateur de turbulences R - Rangée REVENDICATIONS1. Echangeur de chaleur (2) qui présente un boîtier (1) et des cassettes (16) en profilés filés d'aluminium dotées de canaux (17), disposées dans le boîtier (1), les cassettes (16) traversées par un premier fluide (27) et contournées par un second fluide (6) étant disposées en plusieurs rangées (R), caractérisé en ce que les cassettes (16) forment une voie d'écoulement (20) courbée à différentes reprises en forme de S pour le second fluide (6) alternativement en touchant une paroi de boîtier (12, 13) respectivement avec un premier côté longitudinal (15) et en étant disposées à distance devant la paroi de boîtier opposée (13, 12) avec l'autre second côté longitudinal (19). 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cassettes (16) sont orientées en position par des plaques de bridage (22) prévues sur les côtés frontaux du boîtier (1). 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le boîtier (1) est fixé de manière étanche dans des cavités (24) de type poche des plaques de bridage (22). 4. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé 20 en ce que des évidements (23) adaptés au contour de section transversale des cassettes (16) sont prévus dans les plaques de bridage (22). 5. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les cassettes (16) sont reliées de manière étanche aux plaques de bridage 25 (22). 6. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les premiers côtés longitudinaux (15) des cassettes (16) sont positionnés par des rainures (14) prévues dans les parois de boîtier (12, 13). 30 7. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le premier fluide (27) passant dans les cassettes (16) est un fluide à refroidir et le second fluide (6) contournant en S les cassettes (16) est un fluide réfrigérant. 8. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les cassettes (16) sont traversées par plusieurs canaux (17) disposés les uns à côté des autres. 10 9. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que des générateurs de turbulence (28, 30) sont prévus dans les canaux (17) des cassettes (16). 10. Echangeur de chaleur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les 15 générateurs de turbulence (28) sont constitués par estampage de portions de paroi des cassettes (16). 11. Echangeur de chaleur selon la revendication 10, caractérisé en ce que les générateurs de turbulence (28) sont constitués d'estampages trapézoïdaux dans le 20 sens longitudinal et transversal. 12. Echangeur de chaleur selon la revendication 11, caractérisé en ce que les générateurs de turbulence (28) s'étendent par leurs développements longitudinaux (29) inclinés d'un angle (a) par rapport aux canaux (17). 13. Echangeur de chaleur selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que les générateurs de turbulence (28) de deux canaux (17) s'étendant l'un à côté de l'autre sont disposés en déport les uns par rapport aux autres dans le sens longitudinal des canaux (17). 14. Echangeur de chaleur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les générateurs de turbulences (30) sont constitués par des dispositifs insérables de torsion insérés dans le sens longitudinal dans les canaux (17). 25 30 15. Echangeur de chaleur selon la revendication 14, caractérisé en ce que les générateurs de turbulence (30) sont formés par des rubans de tôle courbés en hélice.