FR2931542A1

FR2931542A1 - Echangeur de chaleur a plaques, notamment pour vehicules automobiles

Info

Publication number: FR2931542A1
Application number: FR0802772A
Authority: FR
Inventors: Cathenod Anne Sylvie Magnier; Jean Sylvain Bernard; Carlos Martins
Original assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Current assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority date: 2008-05-22
Filing date: 2008-05-22
Publication date: 2009-11-27
Also published as: EP2294348A1; US20110108258A1; CN102084205B; US9618280B2; EP2294348B1; PL2294348T3; CN102084205A; WO2009141379A1

Abstract

Un échangeur de chaleur (10) comprend un empilement alterné de premières plaques (12) et de secondes plaques (14) munies respectivement de premières ondulations (16) distantes entre elles d'un premier pas (P1) et de secondes ondulations (18) distantes entre elles d'un second pas (P2), qui est différent du premier pas (P1). On définit ainsi, entre les plaques, des premiers canaux de circulation ayant une première section de passage adaptée à premier fluide (F1) qui alternent avec des seconds canaux de circulation ayant une seconde section de passage adaptée à un second fluide (F2). L'invention s'applique en particulier aux échangeurs de chaleur pour véhicules automobiles.

Description

Échangeur de chaleur à plaques, notamment pour véhicules automobiles L'invention se rapporte au domaine des échangeurs de 5 chaleur, notamment pour véhicules automobiles.

Elle concerne plus particulièrement un échangeur de chaleur du type comprenant un empilement alterné de premières plaques et de secondes plaques munies respectivement de 10 premières ondulations et de secondes ondulations pour définir, entre les plaques, des premiers canaux de circulation pour un premier fluide qui alternent avec des seconds canaux de circulation pour un second fluide.

15 Dans un tel échangeur de chaLeur, les premières plaques et les secondes plaques sont pourvues d'ouvertures traversantes alignées qui définissent des conduits pour permettre au premier fluide d'alimenter les premiers canaux de circulation et au second fluide d'alimenter les seconds 20 canaux de circulation.

Un tel échangeur de chaleur est généralement réalisé par brasage par assemblage étanche de bords relevés respectifs des de toutes :Les plaques. 25 Les échangeurs de chaleur à plaques empilées sont utilisés surtout comme échangeurs d'huile, par exemple pour le refroidissement de l'huile du moteur ou de l'huile de la boîte de vitesses de véhicules automobiles. Ils sont 30 également utilisés pour des condenseurs à eau, dans lesquels un fluide frigorigène est refroidi par de l'eau, habituellement l'eau de refroidissement du moteur.

Les plaques peuvent présenter différentes formes géométriques, par exemple rectangulaires, et elles sont généralement munies de reliefs destinés à être brasés mutuellement pour assurer la tenue mécanique. Ces reliefs servent aussi à perturber la circulation du fluide et à augmenter la surface d'échange thermique.

Dans la plupart des solutions connues, les plaques utilisées sont identiques ou symétriques, si bien que les premiers canaux de circulation et les seconds canaux de circulation présentent des sections de passage identiques.

Il est connu par ailleurs, d'après EP 1 630 510, de prévoir des plaques empilées permet-=ant d'avoir des sections de passage différentes pour les premiers et les seconds canaux de circulation, donc pour les deux fluides qui échangent de la chaleur entre eux.

La publication précitée enseigne pour cela de prévoir des plaques symétriques comportant des ondulations différentes, par exemple une grande ondulation alternant avec deux petites ondulations. Toutefois, dans cette solution connue, les petites ondulations ne passent jamais par la ligne neutre de la plaque, c'est-à-dire par le plan moyen de la plaque. Il en résulte que chaque petite ondulation ne vient pas en contact avec une autre petite ondulation, ce qui a pour effet que la tenue à la pression n'est assurée que par l'épaisseur de la plaque. Or ces échangeurs de chaleur à plaques peuvent dans certaines applications être traversés par des fluides fonctionnant à pression élevée, par exemple de l'ordre d'une centaine de bars, nécessitant une tenue mécanique à de telles valeurs de pression.

L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients précités.

Elle vise principalement à procurer un échangeur de chaleur du type précité qui permet d'adapter les sections de passage respectives des premiers canaux et des seconds canaux de circulation aux deux fluides utilisés, notamment en ce qui concerne leurs débits et leurs propriétés physiques.

L'invention vise encore à procurer un échangeur de chaleur du type précité offrant une meilleure tenue à la pression de chacun des premiers canaux et des seconds canaux de circulation par une configuration appropriée des ondulations.

L'invention propose à cet effet un échangeur de chaleur à plaques, comme défini en introduction, dans lequel les premières ondulations, sont distantes entre elles d'un premier pas P1r tandis que les secondes ondulations sont distantes entre elles d'un second pas P2, qui est différent du premier pas, ce qui permet aux premiers canaux et aux seconds canaux de définir respectivement une première section de passage et une seconde section de passage différentes adaptées respectivement au premier fluide et au second fluide.

Cette adaptation s'effectue ainsi par un choix approprié des valeurs du premier pas et. du second pas. Les premières ondulations sont en principe identiques entre elles et il en est de même oour les secondes ondulations, ce qui évite d'avoir à réaliser des ondulations différentes30 au sein d'une même plaque, comme c'est le cas dans la publication EP 1 630 510 précitée.

Ainsi, par le choix des valeurs des pas P1 et P2, il est possible d'adapter la sect__on de passage des premiers canaux et celle des seconds canaux respectivement au premier fluide et au second fluide en fonction des propriétés de ces deux fluides.

La tenue à la pression des premiers et seconds canaux est assurée en faisant à chaque fois passer les ondulations par la ligne neutre des plaques respectives.

Dans la description détaillée qui suit, faite seulement à 15 titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels :

- la figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un échangeur de chaleur à plaques dans une première forme de 20 réalisation de l'invention ;

- la figure 2 est une vue en perspective d'une première plaque de l'échangeur de chaleur de la figure 1 dont les ondulations sont droites et espacées d'un premier pas P1 ; - la figure 3 est une vue en perspective d'une seconde plaque de l'échangeur de chaleur de la figure 1 dont les ondulations sont droites et espacées d'un second pas P2 ;

30 - la figure 4 est une vue de côté d'un échangeur de chaleur à plaques dans une deuxième forme de réalisation de l'invention ; 25 - la figure 5 est une vue en perspective d'une première plaque de l'échangeur de chaleur de la figure 4 dont les ondulations sont en chevron et espacées d'un premier pas P1 ; - la figure 6 est une vue en coupe longitudinale de la première plaque de la figure 5 ;

- la figure 7 est une vue en coupe longitudinale d'une 10 seconde plaque de l'échangeur de chaleur de la figure 4 ;

- la figure 8 est une vue en coupe, à échelle agrandie, selon la ligne VIII-VIII de la figure 4 ;

15 - la figure 9 est une secticn partielle de la coupe de la figure 8 montrant une seconde plaque superposée au-dessus d'une première plaque ;

- la figure 10 est une section partielle de la coupe de la 20 figure 8 montrant une première plaque superposée au-dessus d'une seconde plaque ;

- la figure 11 illustre les surfaces de brasage entre les plaques de la figure 9 ; et - la figure 12 illustre les surfaces de brasage entre les plaques de la figure 10. L'échangeur de chaleur 10 représenté à la figure 1 comprend 30 un empilement alterné de premières plaque 12 et de secondes plaques 14 munies respectivement de premières ondulations 16 et de secondes ondulations 18. Cet empilement est compris entre deux plaques d'extrémité, à savoir une plaque 25 inférieure 20, qui est fermée, et une plaque supérieure 22, qui est munie de deux tubulures 24 et 26 pour l'entrée et la sortie d'un premier fluide F1 et de deux autres tubulures 28 et 30 pour l'entrée et la sortie d'un second fluide F2.

La première plaque 12 (figure 2) comporte un fond plan 32, dans l'exemple de forme générale rectangulaire, définissant une ligne neutre par laquelle passent les premières ondulations 16. Toutes les ondulations passent par le fond 32.

Dans l'exemple, ces premières ondulations 16 se propagent en ligne droite parallèlement à une première direction D1r laquelle s'étend obliquement par rapport aux côtés du rectangle que définit le fend 32 de la plaque. Dans la figure 2, les ondulations 16 sont identiques entre elles et espacées d'un premier pas P1.

Le fond 32 est entouré d'un bord périphérique relevé 34, en forme de dépouille, pour permettre son assemblage à des bords relevés respectifs de secondes plaques adjacentes, comme on le verra plus loin.

Par ailleurs, le fond de la plaque comprend deux bossages 36 et 38 prévus le long d'un grand côté du rectangle et munis d'ouvertures respectives 40 et 42. Ces deux bossages sont plans et surélevés par rapport au plan que définit le fond 32 de la plaque. Le fond 32 comporte deux autres ouvertures 44 et 46 le long de l'autre grand côté, ces dernières étant ménagées directement dans le fond 32 de la plaque. Les ouvertures 40, 42, 44 et 46 sont réalisées circulaires.

La seconde plaque 14 est réalisée de façon homologue. Elle comporte un fond plan 48 définissant une ligne neutre par laquelle passent les secondes ondulations 18. Ces dernières se propagent en ligne droite parallèlement à une seconde direction D2 qui s'étend obliquement par rapport aux côtés du rectangle que définit le fond 48. Les ondulations 18 sont parallèles entre elles et espacées d'un second pas P2 qui est supérieur au pas P1.

Comme dans le cas de la première plaque 12, la plaque 14 est entourée d'un bord périphérique relevé 50 en dépouille pour permettre un assemblage mutuel des plaques par emboîtement et brasage de leurs bords périphériques respectifs.

Le fond plan 48 comporte deux bossages 52 et 54 prévus le long d'un grand côté du rectangle et munis d'ouvertures respectives 56 et 58. Le fond 48 comprend par ailleurs deux ouvertures 60 et 62 aménagées le long de l'autre grand côté du rectangle, ces ouvertures étant réalisées directement dans le fond 48. Les ouvertures 56, 58, 60 et 62 sont réalisées circulaires. L'ensemble formé par les premières plaques et les secondes plaques ainsi que par les plaques d'extrémité peut être assemblé par brasage en une seule opération.

On définit ainsi une multiplicité de canaux alternés pour la circulation du premier fluide F1 qui alternent avec une multiplicité de canaux de circulation pour le fluide F2. La tubulure 24 vient dans le prolongement des ouvertures 40 et 60, qui sont alignées, pour définir un conduit d'alimentation. La tubulure 26 vient dans le prolongement des ouvertures 42 et 62, qui sont alignées, pour définir un conduit d'alimentation. La tubulure 28 vient dans le prolongement des ouvertures 46 et 58, qui sont alignées, pour définir un conduit d'alimentation. Enfin la tubulure 30 vient dans le prolongement. des ouvertures 44 et 56, qui sont alignées, pour définir un conduit d'alimentation.

Dans l'empilement, les ondulations 16 d'une première plaque viennent à chaque fois s'intersecter avec les ondulations 18 des secondes plaques adjacentes, si bien que les premières ondulations et les secondes ondulations se croisent et viennent en contact entre elles par des sommets respectifs. Ces sommets sont brasés lors de l'opération de brasage, assurant ainsi une meilleure tenue mécanique des plaques à la pression.

Du fait que les pas P1 et P2 sont différents, les sections de passage définies par les premiers canaux et les seconds canaux sont différentes et peuvent être adaptées par un choix approprié des valeurs des pas P1 et P2. Avantageusement, le rapport P1/P2 entre le premier pas P1 et le second pas P2 est compris entre 1 et 6 avec P1 P2. Avantageusement, ce rapport est un nombre fractionnaire, par exemple k, 2/3, etc..

Dans l'exemple de la figure 1, ce rapport est de =-L

La différence des sections de passage des canaux de circulation sera davantage expliquée avec le deuxième mode 30 de réalisation des figures 4 à 12.

Dans ce second mode de réalisation, les éléments homologues à ceux du premier mode de réalisation sont désignés par les mêmes références numériques augmentées de 100.

La figure 4 est une vue de côté de l'échangeur de chaleur 110 du second mode de réalisation.

La figure 5 montre une première plaque 112 qui est homologue à la plaque 12 de la figure 2, la principale différence étant que les ondulations 116 se propagent en chevron, c'est-à-dire qu'elles présentent des formes en V emboîtées les unes dans les autres. Ces ondulations sont identiques entre elles et espacées d'un pas P1 comme on le voit sur la figure 5 et comme on le voit aussi sur la coupe de la figure 6. Les ondulations 116 passent par la ligne neutre que définit le fond 132 de la plaque 116.

La seconde plaque 114 n'est pas représentée en perspective, mais seulement en coupe sur la figure 7. Elle comprend des secondes ondulations 118 qui se propagent en chevron mais avec une orientation différente de celle des ondulations 116 de la plaque 112. En effet, les chevrons respectifs de des plaques 112 et 114 se propagent dans des directions mutuellement opposées en sorte que les premières ondulations et les secondes ondulations se croisent et soient en contact par des sommets respectifs. Ces sommets respectifs sont destinés à être brasés lors du brasage de l'empilement des plaques pour assurer une meilleure tenue mécanique.

Comme on le voit sur la vue en coupe de la figure 7, les ondulations 118 sont distantes entre elles d'un second pas P2 qui, dans l'exemple est le double du pas P1. Il en résulte que le rapport P1 sur P2 est aussi de comme dans la première forme de réalisation.

La vue en coupe de la figure 8 montre l'empilement alterné des plaques 112 et 114, entre une plaque inférieure 120 et une plaque supérieure 122 qui porte les tubulures 124, 126, 128 et 130 (voir aussi la figure 4). La figure 8 montre aussi les sections de passage des canaux de circulation respectifs définis entre les .()laques 112 et 114.

La figure 9 montre une première plaque 112 avec des ondulations 116 espacés d'un pas P1r sur laquelle est placée une seconde plaque 114 avec des ondulations 118 espacées d'un pas P2. On voit que les ondulations 116 et 118 viennent se contacter par leurs sommets respectifs, une fois sur trois pour les ondulations 116 et une fois sur deux pour les ondulations 118, et cela grâce au choix du rapport P1/P2. Entre les plaques 112 et 114, sont définis des premiers canaux de circulation C1 dont la section de passage S1 est matérialisée par des hachures.

La figure 10 montre la configuration inversée dans laquelle la première plaque 112 est disposée au-dessus d'une seconde plaque 114. Dans ce cas, on définit entre ces plaques des seconds canaux de circulation C2 dont la section de passage S2 est matérialisée par des hachures. On voit, par une comparaison des figures 9 et 10, que la section de passage Si des premiers canaux C1 (figure 9) est supérieure à la section de passage S2 des seconds canaux C2 (figure 10).

Ainsi, par un choix approprié des valeurs des pas P1 et P2, on peut faire varier les valeurs de ces sections de passage et les adapter au fluide considéré.

Par exemple, dans le cas d'un condenseur parcouru par un fluide frigorigène sous haute pression (typiquement de 110 bars) et par de l'eau de refroidissement sous basse pression (typiquement de 1 à 2 bars), on fera passer le fluide frigorigène par la section de passage la plus faible, c'est-à-dire par les canaux C2 (figure 10). En revanche, le fluide fonctionnant à pression plus basse, ici l'eau, passera par la section de passage la plus grande, c'est-à-dire par les canaux de passage C1 (figure 9). L'eau correspond dans ce cas au fluide F1 amené par la tubulure 124 et évacué par la tubulure 126, tandis que le fluide frigorigène correspond alors au fluide F2 amené par la tubulure 128 et évacué par la tubulure 130. Ainsi, celle de la première section de passage S1 et de la seconde section de passage S2 qui est la plus petite est adaptée à celui du premier fluide F1 et du second fluide F2 qui fonctionne à la pression la plus élevée.

La figure 11 montre les surfaces de brasage SB1 entrent les plaques 112 et 114 dans la configuration de la figure 9, tandis que la figure 12 montre les surfaces de brasage SB2 entre la première plaque 112 et la deuxième plaque 114 dans la configuration de la figure 10.

Dans les surfaces SB1 de la figure 11 sont plus limitées que les surfaces SB2 de la figure 12. Le fluide à plus basse pression, ici le fluide F1r peut se propager entre les surfaces de brasage SB1 comme représenté par la flèche de la figure 11.

Par contre, dans le cas de la figure 12, le fluide F2 à plus haute pression peut se propager entre les surfaces de brasage SB2 comme montré par la flèche. 5 10 15 Dans le cas de la figure 11, les surfaces de brasage sont plus limitées et les sections de passage plus étendues, ce qui permet le passage d'un fluide à plus basse pression.

Inversement, dans le cas de La figure 12, les surfaces de brasage sont plus étendues, ce qui permet une meilleure résistance à la pression pour le passage d'un fluide à plus haute pression.

L'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation, notamment en ce qui concerne la forme générale des plaques, la forme et les pas respectifs des ondulations des différentes plaques.

L'invention trouve une application préférentielle aux échangeurs de chaleur pour véhicules automobiles, et notamment aux condenseurs parcourus par un fluide frigorigène et refroidis par de l'eau.

Claims

Revendications1. Échangeur de chaleur comprenant un empilement alterné de premières plaques (12 ; 112) et de secondes plaques (14 ; 114) munies respectivement de premières ondulations (16 ; 116) et de secondes ondulations (18 ; 118) pour définir, entre les plaques, des premiers canaux de circulation (C1) pour un premier fluide (F1) qui alternent avec des seconds canaux de circulation (C2) pour un second fluide (F2), caractérisé en ce que les premières ondulations (16 ; 116) sont distantes entre elles d'un premier pas (P1) tandis que les secondes ondulations (18 ; 118) sont distantes entre elles d'un second pas (P2), qui est différent du premier pas (P1), ce qui permet aux premiers canaux (C1) et aux seconds canaux (C2) de définir respectivement une première section de passage (S1) et une seconde section de passage (S2) différentes adaptées au premier fluide (F1) et au second fluide (F2).
2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première plaque (12 ; 112) comporte un fond plan (32 ; 132) définissant une ligne neutre par laquelle passent les premières ondulations (16 ; 116).
3. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la seconde plaque (14 ; 114) comporte un fond plan (48 ; 148) définissant une ligne neutre par laquelle passent les secondes ondulations (18 ; 118).
4. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les premières ondulations (16) se 13propagent en ligne droite parallèlement à une première direction (D1) et en ce que les secondes ondulations (18) se propagent en ligne droite parallèlement à une seconde direction (D2), s'étendant angulairement par rapport à la première direction (Dl), en sorte que les premières ondulations et les secondes ondulations se croisent et soient en contact par des sommets respectifs.
5. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les premières ondulations (116) se propagent en chevrons et en ce que les secondes ondulations (118) se propagent en chevrons dans des directions mutuellement opposées, en sorte que les premières ondulations et les secondes ondulations se croisent et soient en contact par des sommets respectifs.
6. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le rapport (P1/P2) entre le premier pas (P1) et le second pas (P2) est compris entre 1 et 6, avec P1 < P2.
7. Échangeur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le rapport (P1/P2) entre le premier pas (P1) et le second pas (P2) est un nombre fractionnaire, par exemple 1/2, 2/3, etc.
8. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les premières plaques (12 ; 112) et les secondes plaques (14 ; 114) sont munies chacune d'un bord périphérique relevé (34 ; 134 ; 50 ; 150) en dépouille pour permettre un assemblage mutuel des plaques par emboîtement et brasage de leurs bords périphériques respectifs.
9. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les premières plaques (12 ; 112) et les secondes plaques (14 ; 114) sont de forme générale rectangulaire.
10. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les premières plaques (12 ; 112) et les secondes plaques (14 ; 114) sont munies d'ouvertures (40, 42, 44, 46 ; 56, 58, 60, 62 ; 140, 142, 144, 146 ; 156, 158, 160, 162) pour le passage du premier fluide (F1) et du second fluide (F2).
11. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend une première plaque d'extrémité (20 ; 120) fermée et une seconde plaque d'extrémité (22 ;
12) munie de deux tubulures (24, 26 ; 124, 126) pour l'entrée et la sortie du premier fluide (F1) et de deux autres tubulures (28, 30 ; 128, 130) pour l'entrée et la sortie du second fluide (F2). 12. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que celle de la première section de passage (Si) et de la seconde section de passage (S2) qui est la plus petite est adaptée à celui du premier fluide (F1) et du second fluide (F2) qui fonctionne à la pression la plus élevée.
13. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous la forme d'un condenseur apte à être traversé par un fluide frigorigène et un fluide de refroidissement.