Brevet FR2986312A1 — publié le 20130802

Échangeur thermique, tube plat et plaque correspondants L'invention concerne un échangeur thermique notamment pour véhicule automobile. Un échangeur thermique, par exemple utilisé dans l'industrie automobile et plus précisément dans un moteur thermique à combustion interne de véhicule automobile, comprend des éléments d'échange thermique et d'écoulement de fluide dans lesquels circulent des fluides échangeant de la chaleur entre eux. De nombreuses associations de fluides peuvent être envisagées, qu'il s'agisse de 10 liquides et/ou de gaz. On connaît de tels échangeurs utilisés dans le domaine automobile, notamment dans le domaine des moteurs thermiques suralimentés. Dans ce cas, l'échangeur thermique encore appelé refroidisseur d'air de suralimentation (en abrégé RAS), permet de refroidir l'air de suralimentation du moteur 15 par échange thermique avec un autre fluide comme de l'air extérieur ou un liquide comme l'eau du circuit de refroidissement du moteur, formant ainsi un échangeur du type air/air ou liquide/air. De nombreuses configurations structurelles sont envisageables. On connaît des échangeurs comprenant un faisceau de plaques disposées par 20 paires parallèlement les unes aux autres sur une ou plusieurs rangées parallèles entre elles. Les paires de plaques sont agencées pour définir d'une part un passage d'écoulement d'un premier fluide et d'autre part un intervalle entre deux paires de plaques voisines à travers lequel un deuxième fluide peut s'écouler en échangeant de la chaleur avec le premier fluide. 25 Selon une solution connue, chaque plaque peut définir deux ou plusieurs passes de circulation. Chaque passe est définie par un canal de circulation. Ces plaques sont généralement identiques et rectangulaires. Les plaques présentent donc une longueur constante pour chacune des passes indépendamment du nombre de passes. 30 On connaît aussi des échangeurs comprenant un empilement de tubes agencés -2- parallèlement pour transporter le premier fluide tandis qu'un deuxième fluide s'écoule entre les tubes. Ces tubes présentent généralement une longueur constante sur l'ensemble de l'échangeur. Par ailleurs, un échangeur en particulier un refroidisseur d'air de suralimentation 5 est de façon connue monté directement sur la culasse du moteur. Cependant, cette culasse présente généralement une longueur plus importante que l'échangeur. De plus, la longueur de l'échangeur est souvent limitée par la présence d'autres composants dans son environnement. On peut citer notamment la présence d'une pompe 10 huile, et/ou d'une pompe pour la re-circulation des gaz d'échappement, couramment appelée pompe EGR pour « Exhaust gas recirculation » en anglais. Il s'en suit généralement la perte d'un volume disponible entre l'échangeur et ces autres composants dans l'environnement de l'échangeur. L'invention a donc pour objectif d'éviter la perte de volume disponible. 15 À cet effet, l'invention a pour objet un échangeur thermique comprenant un faisceau de tubes plats pour la circulation d'un fluide, respectivement formés par l'assemblage d'une paire de plaques définissant des canaux de circulation dudit fluide communiquant entre eux à une extrémité de façon à définir une circulation dudit fluide en plusieurs passes, caractérisé en ce que lesdits canaux de circulation présentent des 20 longueurs variables. La structure de l'échangeur avec des passes de circulation de longueurs variable permet de définir un échangeur dont la longueur peut être adaptée en fonction du volume disponible restant qu'on cherche à utiliser. Ledit échangeur peut en outre comporter une ou plusieurs caractéristiques 25 suivantes, prises séparément ou en combinaison : lesdits canaux de circulation sont organisés par longueur décroissante ; lesdites plaques comportent respectivement deux côtés opposés sensiblement parallèles auxdits canaux de circulation et de longueurs différentes ; lesdites plaques présentent une forme générale de trapèze rectangle ; 30 lesdites plaques présentent respectivement au moins une nervure formant saillie -3- dans ledit au moins un tube plat, telles qu'une nervure d'une première plaque est agencée en contact avec une nervure en vis-à-vis de la deuxième plaque, de façon à délimiter au moins deux canaux de circulation communiquant entre eux ; lesdites nervures sont sensiblement rectilignes ; lesdites nervures sont sensiblement courbées ; ledit échangeur comporte un empilement de tubes disposés en alternance avec des seconds canaux de circulation d'un deuxième fluide, lesdits seconds canaux présentant respectivement une section variable d'écoulement du second fluide ; ladite section variable est croissante selon le sens d'écoulement dudit deuxième fluide de l'amont vers l'aval ; ledit échangeur comprend des perturbateurs agencés dans lesdits seconds canaux, lesdits perturbateurs présentant respectivement des crêtes, telles que lesdites crêtes soient espacées selon un premier pas sur un premier côté du perturbateur et selon un second pas distinct du premier pas sur un deuxième côté opposé du perturbateur ; ledit échangeur est configuré pour le refroidissement d'air de suralimentation. L'invention concerne aussi un tube plat pour un tel échangeur thermique, formé par l'assemblage d'une paire de plaques définissant des canaux de circulation dudit fluide communiquant entre eux à une extrémité de façon à définir une circulation dudit fluide en plusieurs passes, caractérisé en ce que lesdits canaux de circulation présentent des longueurs variables. L'invention concerne encore une plaque pour tube plat d'échangeur thermique, ledit tube étant formé par l'assemblage d'une paire de plaques définissant des canaux de circulation dans ledit tube, lesdits canaux communiquant entre eux à une extrémité pour une circulation en plusieurs passes dudit fluide, caractérisée en ce que ladite plaque comporte deux côtés opposés sensiblement parallèles à la direction de circulation dudit fluide et présentant des longueurs différentes. Selon une variante de réalisation, la plaque présente une forme générale de 30 trapèze rectangle. -4- D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : la figure 1 représente une vue de côté d'un échangeur thermique à plaques, la figure 2 représente une plaque de l'échangeur de la figure 1, et la figure 3 représente de façon simplifiée un perturbateur de l'échangeur de la figure 1. Dans ces figures, les éléments sensiblement identiques portent les mêmes références. L'invention concerne un échangeur thermique, en particulier pour refroidir l'air de suralimentation pour moteur thermique, tel qu'un moteur de véhicule automobile. Un tel échangeur est généralement monté sur la culasse (non représentée) du 15 moteur et est agencée à proximité d'autres composants tels qu'une pompe huile, ou une pompe pour la re-circulation des gaz d'échappement, autrement appelée pompe EGR pour « Exhaust gas recirculation » en anglais. Cet échangeur de refroidissement d'air de suralimentation peut être un échangeur dit « air-eau », c'est-à-dire un échangeur dans lequel les fluides qui échangent de la 20 chaleur sont l'air et l'eau. Dans le cas d'un refroidisseur d'air de suralimentation; l'eau est de préférence de l'eau du circuit de refroidissement dit "basse température" dudit moteur; il s'agit typiquement d'eau glycolée. La figure 1 représente, vu de côté, un échangeur thermique 1. 25 L'échangeur 1 comprend un empilement de tubes plats 3 pour la circulation d'un premier fluide, tel que l'eau du circuit de refroidissement. Les tubes plats 3 peuvent être disposés en alternance avec des perturbateurs intercalaires 5. Un perturbateur 5 est par exemple formé à partir d'une feuille mince ondulée 30 conductrice de la chaleur, dont les crêtes 6 sont en contact alternativement avec les deux -5- tubes plats 3 de part et d'autre du perturbateur 5. Le deuxième fluide, par exemple un flux d'air, peut circuler à travers les perturbateurs 5, pour échanger de la chaleur, avec le premier fluide circulant dans les tubes plats 3, tel que l'eau. Les perturbateurs 5 perturbent l'écoulement de l'air de façon 5 à augmenter la surface d'échange. Selon le mode de réalisation décrit, tous les tubes plats 3 sont identiques. Chaque tube 3 est par exemple formé par l'assemblage d'une paire de plaques 7 en regard. L'échangeur 1 est donc du type à plaques. 10 Les plaques 7 assemblées définissent entre elles un passage pour l'écoulement du premier fluide, comme l'eau du circuit de refroidissement, dans le tube plat 3. Un tel passage peut présenter une épaisseur sensiblement constante. Une plaque 7 (mieux visible sur la figure 2) comporte des orifices formant une entrée de fluide 11 pour introduire le premier fluide dans le tube 3 et une sortie de fluide 15 13 pour évacuer le premier fluide. Par ailleurs, selon le mode de réalisation illustré sur les figures 1 et 2, les plaques 7 sont réalisées à partir de tôle embouties. Chaque plaque 7 comporte un bord périphérique 15 formant un contour de la plaque 7. 20 Les plaques 7 d'une même paire sont réunies entre elles de façon étanche sur tout leur contour au niveau de leur bord périphérique 15 respectif pour définir un passage pour l'écoulement du fluide. Les plaques 7 sont agencées de sorte que leurs concavités soient tournées l'une vers l'autre. On pourrait prévoir en variante une telle plaque emboutie 7 assemblée avec une 25 plaque plane qui repose sur le contour périphérique 15 de la plaque 7 emboutie pour définir le passage 9 d'écoulement du fluide. Les plaques 7 sont reliées de façon étanche par exemple par brasage. De plus, une plaque 7 emboutie, telle que l'illustre la figure 2, définit plusieurs passes de circulation pour le premier fluide, ici l'eau. 30 À cet effet, la plaque 7 comporte une ou plusieurs nervures 17, trois selon -6- l'exemple illustré ce qui permet de définir une circulation de l'eau en quatre passes. Ces nervures 17 sont agencées sur la surface intérieure de la plaque 7, c'est-à-dire en regard du passage d'écoulement de fluide, de sorte que les nervures 17 forment saillie dans le tube plat 3. Dans le cas d'un tube plat 3 formé par l'assemblage de deux plaques 7 embouties, les nervures 17 d'une plaque 7 sont maintenues en contact avec les nervures 17 en regard de l'autre plaque 7. Selon la variante avec une plaque 7 emboutie assemblée avec une plaque plane, cette dernière repose contre les nervures 17 de la plaque 7 emboutie. On crée ainsi des séparations dans le passage d'écoulement du fluide. Ces séparations délimitent des premiers canaux de circulation 19. De plus, les nervures 17 présentent une longueur inférieure à la longueur de la plaque 7, de sorte que les premiers canaux de circulation 19 communiquent entre eux ; l'eau peut donc circuler en plusieurs passes dans le tube plat 3. Il s'agit par exemple de nervures 17 sensiblement longitudinales. On peut prévoir aussi bien des nervures 17 rectilignes de façon à définir des passes de circulation droites, que des nervures 17 courbées de façon à définir des passes de circulation courbes. De plus, les nervures 17 peuvent être régulièrement espacées selon un pas 20 prédéfini, comme selon l'exemple illustré sur la figure 2. En outre, la plaque 7 est configurée de manière à définir des canaux de circulation 19 de longueurs variables. Pour ce faire, selon le mode de réalisation illustré, la plaque 7 comporte deux côtés opposés 21,23 sensiblement parallèles à la direction de circulation du premier 25 fluide. Ces côtés opposés 21,23 sont donc sensiblement parallèles aux premiers canaux de circulation 19 et en outre présentent des longueurs Li,L2 différentes. Le premier côté 21 présente par exemple une première longueur L1 et le deuxième côté opposé 23 présente par exemple une deuxième longueur L2 inférieure à la première longueur L1. 30 La variation des longueurs est progressive selon le mode de réalisation décrit. -7- Les premiers canaux 19 peuvent par exemple être organisés par longueur décroissante. Dans ce cas, la plaque 7 peut présenter une forme générale de trapèze rectangle. Par ailleurs, la plaque 7 peut encore présenter une multitude de bossages (non 5 représentés) sur sa surface intérieure. Ainsi, ces bossages forment saillie dans le tube plat 3. Les bossages peuvent être des points de brasage. Ces bossages permettent de créer des turbulences dans la circulation du premier fluide, ici l'eau, traversant le tube plat 3, et ainsi d'améliorer l'échange thermique. 10 Une plaque 7 peut de plus comporter au niveau de l'entrée de fluide 11 et de la sortie de fluide 13 des plaques 7 des renflements 25 (cf figure 1). Ces renflements 25 sont orientés vers l'extérieur du tube plat 3. Les renflements 25 d'une plaque 7 communiquent avec les renflements 25 d'une plaque 7 d'une paire de plaques 7 voisine. 15 En outre, comme on le constate sur la figure 1, l'échangeur 1 comporte respectivement deux tubulures d'entrée et de sortie 27, pour le passage d'un fluide. Ces tubulures 27 communiquent respectivement avec les renflements 25 et orifices associés 11,13 des plaques 7, pour permettre la circulation du fluide entre les plaques 7. 20 De plus, comme dit précédemment, l'empilement des tubes plats 3 peut se faire en alternance avec des perturbateurs 5. En effet, selon le mode de réalisation illustré, du fait des renflements 25, l'empilement de tubes plats 3 crée, entre deux paires de plaques 7 voisines, un intervalle définissant un second canal 29 de circulation pour le deuxième fluide, l'air dans 25 l'exemple décrit. Et, ces seconds canaux 29 peuvent être garnis d'un perturbateur 5 tel que décrit précédemment. Ces seconds canaux 29 présentent respectivement une section d'écoulement du second fluide qui est variable. Cette section variable des seconds canaux 29 leur permet d'être adaptés à la longueur variable des premiers canaux 19. 30 Plus précisément, les seconds canaux 29 peuvent présenter une section qui varie -8- progressivement de façon complémentaire à la variation graduelle de la longueur des premiers canaux 19. En particulier, lorsque la plaque 7 présente une forme de trapèze rectangle, un second canal 29 présente une section d'écoulement du deuxième fluide croissante de 5 l'amont vers l'aval selon le sens d'écoulement du deuxième fluide, ici l'air. Le perturbateur 5 présente une forme complémentaire de celle du second canal 29 dans lequel il est agencé. En référence aux figures 1 et 3, le perturbateur 5 correspondant est par exemple formé à partir d'une feuille mince ondulée conductrice de chaleur, dont les crêtes 6 sont 10 en contact alternativement avec les deux tubes plats 3 de part et d'autre, et sont espacées d'un premier pas sur un premier côté 31 du perturbateur 5 et selon un second pas distinct du premier pas sur un deuxième côté 33 opposé du perturbateur 5. Le sens d'écoulement de l'air est schématisé par la flèche F sur la figure 3. Le premier côté 31 correspond donc au côté amont selon le sens d'écoulement de l'air F, et 15 le deuxième côté 33 opposé correspond au côté aval selon le sens d'écoulement F de l'air. Ainsi, pour un second canal 29 de section croissante de l'amont vers l'aval selon le sens d'écoulement de l'air F, le premier pas d'espacement au niveau du côté amont 31 du perturbateur 5 est plus petit que le second pas au niveau du côté aval 33 du 20 perturbateur 5. Ainsi, la longueur variable des passes de circulation de l'eau, permet d'adapter la forme de l'échangeur 1 pour remplir un volume disponible entre l'échangeur 1 et d'autres composants dans son environnement, comme une pompe EGR ou une pompe 25 huile, lorsque l'échangeur 1 est monté sur la culasse du moteur. REVENDICATIONS1. Échangeur thermique comprenant un faisceau de tubes plats (3) pour la circulation d'un fluide, respectivement formés par l'assemblage d'une paire de plaques (7) définissant des canaux de circulation (19) dudit fluide communiquant entre eux à une extrémité de façon à définir une circulation dudit fluide en plusieurs passes, caractérisé en ce que lesdits canaux de circulation (19) présentent des longueurs variables. 2. Échangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits canaux de circulation (19) sont organisés par longueur décroissante. 3. Échangeur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdites plaques (7) comportent respectivement deux côtés opposés (21,23) sensiblement parallèles auxdits canaux de circulation (19) et de longueurs (Li,L2) différentes. 4. Échangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites plaques (7) présentent une forme générale de trapèze rectangle. 5. Échangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites plaques (7) présentent respectivement au moins une nervure (17) formant saillie dans ledit au moins un tube plat (3), et en ce qu'une nervure (17) d'une première plaque (7) est agencée en contact avec une nervure (17) en vis-à-vis de la deuxième plaque (7), de façon à délimiter au moins deux canaux de circulation (19) communiquant entre eux. 6. Échangeur selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites nervures (17) sont sensiblement rectilignes. 7. Échangeur selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites nervures (17) sont sensiblement courbées. 8. Échangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un-10- empilement de tubes (3) disposés en alternance avec des seconds canaux (29) de circulation d'un deuxième fluide, lesdits seconds canaux (29) présentant respectivement une section variable d'écoulement du second fluide. 9. Échangeur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite section variable est croissante selon le sens d'écoulement dudit deuxième fluide de l'amont vers l'aval. 10. Échangeur selon l'une des revendications 8 ou 9, comprenant des perturbateurs (5) agencés dans lesdits seconds canaux (29), lesdits perturbateurs (5) présentant respectivement des crêtes (6), caractérisé en ce que lesdites crêtes (6) sont espacées selon un premier pas sur un premier côté (31) du perturbateur (5) et selon un second pas distinct du premier pas sur un deuxième côté opposé (33) du perturbateur (5). 11. Échangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est configuré pour le refroidissement d'air de suralimentation. 12. Tube plat pour échangeur thermique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, formé par l'assemblage d'une paire de plaques (7) définissant des canaux de circulation (19) dudit fluide communiquant entre eux à une extrémité de façon à définir une circulation dudit fluide en plusieurs passes, caractérisé en ce que lesdits canaux de circulation (19) présentent des longueurs variables. 13. Plaque pour tube plat d'échangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, ledit tube (3) étant formé par l'assemblage d'une paire de plaques (7) définissant des canaux de circulation (19) dans ledit tube (3), lesdits canaux (19) communiquant entre eux à une extrémité pour une circulation en plusieurs passes dudit fluide, caractérisée en ce que ladite plaque (7) comporte deux côtés opposés (21,23) sensiblement parallèles à la direction de circulation dudit fluide et présentant des longueurs différentes (L1,L2). 14. Plaque selon la revendication 13, caractérisée en ce qu'elle présente une forme générale de trapèze rectangle.