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WO2013079656A1 - Echangeur thermique pour gaz, en particulier pour les gaz d'echappement d'un moteur - Google Patents

Echangeur thermique pour gaz, en particulier pour les gaz d'echappement d'un moteur Download PDF

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Publication number
WO2013079656A1
WO2013079656A1 PCT/EP2012/074079 EP2012074079W WO2013079656A1 WO 2013079656 A1 WO2013079656 A1 WO 2013079656A1 EP 2012074079 W EP2012074079 W EP 2012074079W WO 2013079656 A1 WO2013079656 A1 WO 2013079656A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
housing
protuberances
tubes
exchanger
tube
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/074079
Other languages
English (en)
Inventor
Carlos Rodrigo Marco
Juan Carlos De Francisco Moreno
Eva Tomas Herrero
Serafin URZAY EJEA
Original Assignee
Valeo Termico, S.A.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Termico, S.A. filed Critical Valeo Termico, S.A.
Priority to EP12794337.1A priority Critical patent/EP2786084A1/fr
Priority to US14/361,322 priority patent/US20140345839A1/en
Priority to KR1020147017539A priority patent/KR20140106610A/ko
Publication of WO2013079656A1 publication Critical patent/WO2013079656A1/fr

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/0041—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for only one medium being tubes having parts touching each other or tubes assembled in panel form
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
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    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F28D7/1684—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation the conduits having a non-circular cross-section
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/42—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being both outside and inside the tubular element
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    • F28F9/007—Auxiliary supports for elements
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2275/00—Fastening; Joining
    • F28F2275/04—Fastening; Joining by brazing

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger for gas, in particular for the exhaust gases of an engine.
  • the invention is particularly applicable in heat exchangers of engine exhaust gas recirculation (EGRC).
  • EGRC engine exhaust gas recirculation
  • the two heat exchanging media are separated by a wall.
  • the basic principle in a heat exchanger is the exchange of heat between two fluids at different temperatures.
  • the hot fluid and the cold fluid usually flow through independent circuits located as close as possible to one another.
  • the efficiency of the exchange depends on the mass flow rate, the speed, the specific heat and the temperature of each fluid relative to each other.
  • the design of each circuit, the design of the separation wall and the raw materials are also important.
  • EGR exchangers on the market is a metal heat exchanger typically made of stainless steel or aluminum.
  • the heat exchanger itself may have various configurations: for example, it may consist of a housing inside which are arranged a series of parallel conduits for the passage of gases, the cooling fluid circulating in the housing, to the outside ducts; in another embodiment, the exchanger consists of a series of parallel plates which constitute the heat exchange surfaces, so that the exhaust gases and the cooling fluid circulating between two plates in alternating layers .
  • connection between the ducts and the housing can be of different types.
  • the conduits are fixed at their ends between two support plates connected to each end of the housing, the two support plates having a plurality of orifices for the placement of the respective ducts. These support plates are in turn attached to connecting means to the recirculation line.
  • connection means may consist of a V-shaped connection or a peripheral flange connection or flange, depending on the design of the recirculation pipe where is assembled the heat exchanger.
  • the support plate is made in one piece with the connecting means and forms a single connecting flange.
  • the connection means may also consist of a gas reservoir disposed at one end of the housing or both.
  • EGR exchangers In both types of EGR exchangers, most of their components are metallic, so that they are assembled by mechanical means and then oven-welded or arc-welded or laser-welded to ensure the proper sealing required this application. In some cases, they may also include some plastic components, which may have a single function or several functions integrated in one piece.
  • the corrugations or fins help to guide the fluid so that it can properly fill the entire circuit, promote heat exchange and improve the mechanical resistance to an increase in pressure in the circuit.
  • the patent application ES 2331218 of the same holder as the present application describes a tabular heat exchanger with a housing which comprises a series of protuberances stamped on its surface and directed towards the inside thereof, so that said protuberances are arranged to a predetermined distance from the set of tubes, thereby ensuring a controlled expansion of the tubes in case of pressure increase.
  • JP20010130114 discloses a heat exchanger which comprises a gas tube bundle of rectangular section inside which it has fins of cross-section crenellated, the smooth portions which form the ridge and the valley are in contact with the inner surface of the tube, and a plurality of protuberances disposed in the walls of the tube in opposition to said smooth parts of the fins. This provision of the protuberances allows the correct placement of the fin inside the tube and prevents it from dislodging.
  • Patent DE19961054368 discloses a heat exchanger which comprises a bundle of gas tubes of rectangular section disposed inside a housing. The tubes include outwardly directed protuberances which determine the distance between adjacent tubes and with respect to the interior surface of the housing.
  • the purpose of the gas heat exchanger, in particular the exhaust gases of an engine, according to the present invention is to solve the disadvantages of exchangers known in the art, by offering a perfect distribution of the compression between the assembled components, as well as a good oven welding of the exchanger.
  • the gas heat exchanger in particular the exhaust gas of an engine, object of the present invention is of the type which comprises a plurality of parallel tubes arranged inside a housing, through which the gases circulate. cooling by heat exchange with a coolant, and fins disrupting the flow of gas disposed within each tube, and is characterized in that the tubes and the housing respectively comprise a plurality of protuberances whose pattern of distribution and dimensions are defined according to the dimensions of the tubes and the housing, which are able to guarantee a good distribution of the compression between the housing, the tubes and the fins vis-à-vis each other during the brazing of the exchanger.
  • the invention is therefore based on a particular pattern and dimensions of the protuberances disposed on the surface of the housing and the tubes.
  • the tubes are optimally designed to obtain a good baking of the fins used.
  • the design improves the robustness of the mechanical resistance during the lifetime of the exchanger.
  • the heat exchanger housing compresses the tubes and fins at the same time.
  • the tubes after assembly, can compress the fins to ensure good contact with the tubes.
  • the housing and tubes have the same pattern of protuberances to compress the components at the same time.
  • the protrusions are made by stamping, each protuberance comprising a substantially planar and circular projecting contact surface and a frustoconical side defined by an embossing angle and fitting radii with respect to said contact surface and to the surface. of the tube or housing where the protuberance is stamped.
  • the dimensions of the protuberances respectively of the tubes and the housing are defined by their diameter and height, the stamping angle and the connecting radii of the frustoconical side.
  • the pattern of distribution of the protuberances on the tubes is defined according to the thickness, the width and the length of the tube itself, the tubes, of substantially rectangular cross-section, being provided with two wider flat opposed sides. that high.
  • the protuberances are disposed on the two opposite flat sides of the tubes, oriented towards the outside of the tube and distributed in one or more longitudinal rows depending on the width of the tube.
  • the protuberances of the same row on the tubes are spaced apart by a predetermined distance defined by the length of the tube and the first protrusion of the corresponding row is arranged relative to a end of the tube at a distance predetermined also defined by the length of the tube.
  • the protuberances on the tubes are distributed in two longitudinal rows parallel to each other, equidistant from a longitudinal axis of symmetry and spaced apart by a predetermined distance defined according to the width of the tube.
  • the tubes Preferably, between the two rows of protuberances on the tubes there are two reinforcing end protuberances each located with respect to one end of the tube at a predetermined distance defined by the length of the tube.
  • the pattern of distribution of the protuberances on the housing is defined according to the width of the tube and the thickness, the width and the length of the housing, the housing having a substantially rectangular cross section.
  • the protuberances are disposed on at least one side of the housing, directed towards the inside of the housing and distributed in one or more groups of two longitudinal rows depending on the width of the housing.
  • the protuberances of the same row on the housing are spaced apart by a predetermined distance defined by the length of the housing and the first protrusion of the corresponding row is arranged with respect to a end of the housing at a predetermined distance also defined by the length of the housing.
  • the protuberances on the housing are divided into two groups of two longitudinal rows, parallel to each other and spaced apart by a predetermined distance defined as a function of the width of the housing, and both Groups of two rows are equidistant from a longitudinal axis of symmetry.
  • each group there are two end protrusions in reinforcement each located with respect to an end of the housing at a predetermined distance defined by the length of the housing.
  • the protuberances may have different shapes such as, inter alia, circular, cross, diamond or linear.
  • Figure 1 is a perspective view of a known heat exchanger with protuberances on the housing
  • Figure 2 is a perspective view of the heat exchanger of the
  • Figure 3 is a cross-sectional view of a tube showing the fins housed therein and the protuberances of the invention
  • Figure 4 is a perspective view of a tube with a single row of protuberances, according to a first embodiment of the invention
  • Figure 5 is an elevational view of the tube of Figure 4;
  • Figure 6 is a plan view of the tube of Figure 4;
  • Figure 7 is a detailed cross section of a protuberance of the tube along line VII-VII of Figure 6;
  • Figure 8 is a plan view of the housing with a group of two rows of protuberances, according to the first embodiment of the invention.
  • Figure 9 is a detailed cross-section of a protrusion of the housing along the line IX-IX of Figure 8;
  • Figure 10 is a perspective view of a tube with two rows of protuberances, according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 11 is an elevational view of the tube of Figure 10;
  • Figure 12 is a plan view of the tube of Figure 10;
  • Fig. 13 is a detailed cross section of a protrusion of the tube along the line XIII-XIII of Fig. 12;
  • Figure 14 is a plan view of the housing with two groups of two rows of protuberances, according to the second embodiment of the invention.
  • Figure 15 is a detailed cross section of a housing protrusion along the line XV-XV of Figure 14;
  • Figures 16a to 16e are plan views of five protuberances having different shapes and orientations
  • Figure 17 is a diagram concerning the sensitivity of the position of the protuberances.
  • Fig. 18 is a diagram relating to the sensitivity of the thickness of the solder material. DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
  • the heat exchanger 1 for gas in particular for the exhaust gas of an engine, comprises a set of parallel tubes 2 which in this example are flat and of rectangular section, intended the circulation of gases with heat exchange with a cooling fluid.
  • Said set of parallel conduits 2 is housed inside a housing 3 which in this case is also of rectangular section.
  • Figure 2 shows the housing 3 longitudinally sectioned to show inside thereof the set of parallel tubes 2.
  • the two ends of the set of parallel ducts 2 are each fixed on a support plate 4 which has a plurality of orifices for the introduction of the respective conduits 2.
  • Each support plate 4 is assembled at the corresponding end of the housing 3.
  • the housing 3 comprises at each of its two ends a gas reservoir 5 assembled to the gas recirculation pipe, although a connection flange and a gas tank could also be used. Also, the housing 3 comprises an inlet duct 6 and an outlet duct 7 of the cooling circuit.
  • fins 9 are used inside the tubes 2 as can be seen in FIG. 3.
  • the tubes 2 and the housing 3 comprise a plurality of protuberances, respectively 10 and 11, whose distribution pattern and dimensions are defined according to the dimensions of the tubes 2 and the housing 3 and which are capable of guaranteeing a distribution.
  • each protrusion 10, 11 comprises a contact surface 12 projecting substantially planar and circular and a frustoconical side defined by an embossing angle A and RR connecting radii with respect to said contact surface 12 and the surface of the tube 2 or the housing 3 which is embossed the protrusion 10, 11.
  • the dimensions of the protuberances 10, 11 respectively of the tubes 2 and the housing 3 are defined by their diameter D and height H, the stamping angle A and the RR connecting radii of the frustoconical side.
  • FIGS. 4 to 7 there is shown a tube 2 with a single row of protuberances 10.
  • the definition of the pattern of protuberances 10 is determined by the following geometric relationships:
  • H Height of the protuberance 10.
  • Tl Thickness of the tube 2.
  • Wl Width of the tube 2.
  • Ll Length of the tube 2.
  • DD Distance between protuberances 10 of the same row.
  • DDE Distance between the center of the first protrusion 10 of a row and a end of the tube 2.
  • FIGS. 8 and 9 there is shown a housing 3 with a single group of two rows of protuberances 11.
  • the definition of the pattern of protuberances 11 is determined by the following geometrical relations:
  • Wl Width of the tube 2.
  • DD Distance between protuberances 11 of the same row.
  • DDE Distance between the center of the first protrusion 11 of a row and one end of the housing 3.
  • protruding end protrusions 10a having a rectangular configuration with two half-circles at the smallest opposite ends.
  • the definition of the protuberance pattern 10 is determined by the following geometric relationships:
  • Number of protuberances at least 1 protrusion per 100 to 600 mm 2
  • H Height of the protuberance 10.
  • RR Radius of connection with respect to the contact surface 12 and the surface of the tube 2.
  • Tl Thickness of the tube 2.
  • Wl Width of the tube 2.
  • Ll Length of the tube 2.
  • DDH Distance between protuberances 10 of the same row.
  • DDE Distance between the first protuberance 10 of a row and an end of the tube 2.
  • DDEIA Distance between a first center of an end protrusion 10a and an end of the tube 2.
  • DDE1B Distance between a second center of an end protrusion 10a and an end of the tube 2.
  • FIGS. 14 and 15 there is shown a housing 3 with two groups of two rows of protuberances 11 parallel to each other.
  • protuberances 11 of each group there are two protruding end projections 11a, in this case circular.
  • the definition of the pattern of protuberances 11 is determined by the following geometrical relations:
  • RR (0.5 to 2) x T2 and / or RR
  • Wl Width of the tube 2.
  • W2 Width of the housing 3.
  • DDH Distance between protuberances 11 of the same row.
  • DDV Distance between the rows of the same group.
  • DDE Distance between the center of the first protrusion 11 of a row and one end of the housing 3.
  • DDE1 Distance between the center of an end protrusion l ia and one end of the housing 3.
  • protuberances 10, 11 having a circular configuration, they may also have other shapes, such as elongated with different orientations (see Figures 16a to 16c), cross-shaped (Figure 16d) or diamond-shaped (Figure 16e), among others.
  • the maximum permissible gap in this technology is 0.15 mm, which corresponds to a distance between protuberances of 40 mm. The larger the gap size, the larger the furnace soldering defects and the lower the mechanical strength.
  • the maximum permissible gap in this technology is 0.15 mm, which corresponds to a solder thickness of 50 microns.

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Abstract

Échangeur thermique (1) pour gaz, en particulier pour les gaz d'échappement d'un moteur, qui comprend une pluralité de tubes parallèles (2) disposés à l'intérieur d'un boîtier (3) et par lesquels circulent les gaz à refroidir par échange thermique avec un fluide de refroidissement, et des ailettes (9) perturbatrices de l'écoulement de gaz disposées à l'intérieur de chaque tube (2). Les tubes (2) et le boîtier (3) comprennent une pluralité de protubérances, respectivement (10) et (11), dont le schéma de répartition et les dimensions sont définis en fonction des dimensions des tubes (2) et du boîtier (3) et qui sont susceptibles de garantir une répartition appropriée de la compression entre le boîtier (3), les tubes (2) et les ailettes (9) les uns par rapport aux autres pendant l'assemblage et le brasage au four de l'échangeur (1). On obtient une parfaite répartition de la compression entre les composants assemblés ainsi qu'une bonne soudure au four de l'échangeur.

Description

ÉCHANGEUR THERMIQUE POUR GAZ, EN PARTICULIER POUR LES GAZ D'ÉCHAPPEMENT D'UN MOTEUR
La présente invention concerne un échangeur thermique pour gaz, en particulier pour les gaz d'échappement d'un moteur.
L'invention s'applique tout spécialement dans les échangeurs thermiques de recirculation des gaz d'échappement d'un moteur (EGRC).
CONTEXTE DE L'INVENTION
Dans quelques échangeurs thermiques pour le refroidissement de gaz, par exemple ceux utilisés dans des systèmes de recirculation des gaz d'échappement vers l'admission d'un moteur à explosion, les deux milieux qui échangent de la chaleur sont séparés par une paroi.
Le principe de base dans un échangeur thermique est l'échange de chaleur entre deux fluides à des températures différentes. Le fluide chaud et le fluide froid circulent d'ordinaire à travers des circuits indépendants implantés le plus près possible l'un de l'autre. L'efficacité de l'échange dépend du débit massique, de la vitesse, de la chaleur spécifique et de la température de chaque fluide l'un par rapport à l'autre. Le dessin de chaque circuit, le dessin de la paroi de séparation et les matières premières sont également importants.
La configuration actuelle des échangeurs EGR présents sur le marché correspond à un échangeur thermique métallique généralement fabriqué en acier inoxydable ou en aluminium.
L'échangeur thermique proprement dit peut présenter diverses configurations: par exemple, il peut consister en un boîtier à l'intérieur duquel sont disposés une série de conduits parallèles pour le passage des gaz, le fluide de refroidissement circulant dans le boîtier, à l'extérieur des conduits; dans un autre mode de réalisation, l'échangeur se compose d'une série de plaques parallèles qui constituent les surfaces d'échange de chaleur, de sorte que les gaz d'échappement et le fluide de refroidissement circulant entre deux plaques, en couches alternées.
Dans le cas d'échangeurs thermiques à faisceau de conduits, l'assemblage entre les conduits et le boîtier peut être de différents types. Généralement, les conduits sont fixés par leurs extrémités entre deux plaques de support raccordées à chaque extrémité du boîtier, les deux plaques de support présentant une pluralité d'orifices pour la mise en place des conduits respectifs. Ces plaques de support sont à leur tour fixées à des moyens de raccordement à la conduite de recirculation.
Ces moyens de raccordement peuvent consister en un branchement en V ou bien en un rebord périphérique de raccordement ou bride, en fonction de la conception de la conduite de recirculation où est assemblé l'échangeur thermique. Dans certains cas, la plaque de support est faite d'une seule pièce avec les moyens de raccordement et forme une bride unique de liaison. Les moyens de raccordement peuvent aussi consister en un réservoir de gaz disposé à une extrémité du boîtier ou aux deux.
Dans les deux types d'échangeurs EGR, la plupart de leurs composants sont métalliques, de sorte qu'ils sont assemblés par des moyens mécaniques et ensuite soudés au four ou soudés à l'arc ou au laser pour assurer l'étanchéité appropriée que requiert cette application. Dans certains cas, ils peuvent également comprendre quelques composants en plastique, qui peuvent avoir une seule fonction ou plusieurs fonctions intégrées dans une seule pièce.
Dans les échangeurs tabulaires on connaît l'utilisation d'ailettes ou d'ondulations à l'intérieur des circuits d'échange thermique, puisqu'ils contribuent à améliorer l'échange de chaleur ainsi que la résistance mécanique de l'échangeur thermique.
Les ondulations ou ailettes aident à guider le fluide afin qu'il puisse remplir correctement tout le circuit, favoriser l'échange de chaleur et améliorer la résistance mécanique face à une augmentation de pression dans le circuit.
La demande de brevet ES 2331218 du même titulaire que la présente demande décrit un échangeur thermique tabulaire avec un boîtier qui comprend une série de protubérances estampées sur sa surface et dirigées vers l'intérieur de celui-ci, de façon que lesdites protubérances sont disposées à une distance prédéterminée par rapport à l'ensemble de tubes, ce qui garantit ainsi une dilatation contrôlée des tubes en cas d'augmentation de pression.
Le brevet JP20010130114 décrit un échangeur thermique qui comprend un faisceau de tubes de gaz de section rectangulaire à l'intérieur desquels il comporte des ailettes de section transversale crénelée, dont les parties lisses qui forment la crête et la vallée sont en contact avec la surface interne du tube, et une pluralité de protubérances disposées dans les parois du tube en opposition auxdites parties lisses des ailettes. Cette disposition des protubérances permet la mise en place correcte de l'ailette à l'intérieur du tube et l'empêche de se déboîter. Le brevet DE19961054368 décrit un échangeur thermique qui comprend un faisceau de tubes de gaz de section rectangulaire disposé à l'intérieur d'un boîtier. Les tubes comprennent des protubérances dirigées vers l'extérieur qui déterminent la distance entre tubes adjacents et par rapport à la surface intérieure du boîtier.
On sait que, pendant l'assemblage, on n'obtient une intégration réussie des ailettes à l'intérieur des tubes que si les ailettes peuvent être complètement brasées aux tubes. Dans le cas contraire, la résistance mécanique et l'augmentation des rendements thermiques ne peuvent être garanties.
On réalise le processus de brasage au four de l'ensemble constitué par les tubes, le boîtier et les ailettes après un assemblage global des différents composants de l'échangeur. Cependant, la qualité de la soudure au four finale sera appropriée à condition qu'on garantisse un contact complet des composants pendant le processus de brasage au four. DESCRIPTION DE L'INVENTION
L'objectif de l'échangeur thermique pour gaz, en particulier les gaz d'échappement d'un moteur, selon la présente invention est de résoudre les inconvénients des échangeurs connus dans l'art, en offrant une parfaite répartition de la compression entre les composants assemblés, ainsi qu'un bon soudage au four de l'échangeur.
L'échangeur thermique pour gaz, en particulier les gaz d'échappement d'un moteur, objet de la présente invention est du type qui comprend une pluralité de tubes parallèles disposés à l'intérieur d'un boîtier, par lesquels circulent les gaz à refroidir par échange thermique avec un fluide de refroidissement, et des ailettes perturbatrices de l'écoulement de gaz disposées à l'intérieur de chaque tube, et est caractérisé en ce que les tubes et le boîtier comprennent respectivement une pluralité de protubérances dont le motif de répartition et les dimensions sont définis en fonction des dimensions des tubes et du boîtier, qui sont capables de garantir une bonne répartition de la compression entre le boîtier, les tubes et les ailettes vis-à-vis les uns des autres pendant le brasage au four de l'échangeur.
L'invention repose par conséquent sur un motif et des dimensions particulières des protubérances disposées sur la surface du boîtier et des tubes.
De cette façon on atteint une conception optimale des tubes pour obtenir une bonne soudure au four des ailettes utilisées. En même temps, la conception améliore la robustesse de la résistance mécanique pendant la durée de vie de l'échangeur. On décrit ci-après les avantages obtenus grâce à la conception des protubérances selon l'invention:
- Le boîtier de l'échangeur permet de comprimer en même temps les tubes et les ailettes.
- Les tubes, après l'assemblage, permettent de comprimer les ailettes pour assurer un bon contact avec les tubes.
- Le contact du boîtier et des tubes est assuré par le contact des protubérances. Ces protubérances permettent en même temps la distribution de fluide de refroidissement et le contact entre les composants.
- Le boîtier et les tubes présentent le même motif de protubérances pour qu'on comprime les composants en même temps.
- Le motif et la dimension des protubérances permettent d'obtenir une parfaite répartition de la compression et finalement un bon brasage au four de l'échangeur.
De préférence, on réalise les protubérances par estampage, chaque protubérance comprenant une surface de contact en saillie sensiblement plane et circulaire et un côté tronconique défini par un angle d'estampage et des rayons de raccord par rapport à ladite surface de contact et à la surface du tube ou du boîtier où est estampée la protubérance.
Avantageusement, les dimensions des protubérances respectivement des tubes et du boîtier sont définies par leurs diamètre et hauteur, l'angle d'estampage et les rayons de raccord du côté tronconique.
Avantageusement encore, le motif de répartition des protubérances sur les tubes est défini en fonction de l'épaisseur, la largeur et la longueur du tube lui-même, les tubes, de section transversale sensiblement rectangulaire, étant dotés de deux côtés opposés plats plus larges que hauts.
De préférence, les protubérances sont disposées sur les deux côtés opposés plats des tubes, orientées vers l'extérieur du tube et réparties en une ou plusieurs rangées longitudinales en fonction de la largeur du tube.
Conformément à un premier mode de réalisation pour les tubes, les protubérances d'une même rangée sur les tubes sont espacées entre elles d'une distance prédéterminée définie par la longueur du tube et la première protubérance de la rangée correspondante est disposée par rapport à une extrémité du tube à une distance prédéterminée également définie par la longueur du tube.
Conformément à un second mode de réalisation pour les tubes, les protubérances sur les tubes sont réparties sur deux rangées longitudinales parallèles entre elles, équidistantes par rapport à un axe longitudinal de symétrie et espacées entre elles d'une distance prédéterminée définie en fonction de la largeur du tube.
De préférence, entre les deux rangées de protubérances sur les tubes on trouve deux protubérances d'extrémité en renfort situées chacune par rapport à une extrémité du tube à une distance prédéterminée définie par la longueur du tube.
Avantageusement, le motif de répartition des protubérances sur le boîtier est défini en fonction de la largeur du tube et de l'épaisseur, la largeur et la longueur du boîtier, le boîtier ayant une section transversale sensiblement rectangulaire.
De préférence, les protubérances sont disposées sur au moins un côté du boîtier, dirigées vers l'intérieur du boîtier et réparties en un ou plusieurs groupes de deux rangées longitudinales en fonction de la largeur du boîtier.
Conformément à un premier mode de réalisation pour le boîtier, les protubérances d'une même rangée sur le boîtier sont espacées entre elles d'une distance prédéterminée définie par la longueur du boîtier et la première protubérance de la rangée correspondante est disposée par rapport à une extrémité du boîtier à une distance prédéterminée également définie par la longueur du boîtier.
Conformément à un second mode de réalisation pour le boîtier, les protubérances sur le boîtier sont réparties en deux groupes de deux rangées longitudinales, parallèles entre elles et espacées entre elles d'une distance prédéterminée définie en fonction de la largeur du boîtier, et les deux groupes de deux rangées sont équidistants par rapport à un axe longitudinal de symétrie.
De préférence, entre les deux rangées de protubérances de chaque groupe on trouve deux protubérances d'extrémité en renfort situées chacune par rapport à une extrémité du boîtier à une distance prédéterminée définie par la longueur du boîtier.
Avantageusement, les protubérances peuvent présenter différentes formes telles que, entre autres, circulaire, en croix, en losange ou linéaire.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
Afin de faciliter la description de ce que nous avons exposé auparavant, nous joignons des dessins sur lesquels, schématiquement et uniquement à titre d'exemple non limitatif, sont représentés divers cas pratiques de mode de réalisation de l'échangeur thermique pour gaz, en particulier pour les gaz d'échappement d'un moteur, selon l'invention, parmi lesquels:
la Figure 1 est une vue en perspective d'un échangeur thermique connu doté de protubérances sur le boîtier;
la Figure 2 est une vue en perspective de l'échangeur thermique de la
Figure 1, sans les réservoirs de gaz et suivant une coupe longitudinale du boîtier pour montrer l'ensemble de tubes parallèles logés à l'intérieur de celui-ci;
la Figure 3 est une vue suivant une coupe transversale d'un tube montrant les ailettes logées à l'intérieur de celui-ci et les protubérances selon l'invention;
la Figure 4 est une vue en perspective d'un tube avec une seule rangée de protubérances, selon un premier mode de réalisation de l'invention;
la Figure 5 est une vue en élévation du tube de la Figure 4; la Figure 6 est une vue en plan du tube de la Figure 4;
la Figure 7 est une section transversale détaillée d'une protubérance du tube suivant la ligne VII- VII de la Figure 6;
la Figure 8 est une vue en plan du boîtier avec un groupe de deux rangées de protubérances, selon le premier mode de réalisation de l'invention;
la Figure 9 est une section transversale détaillée d'une protubérance du boîtier suivant la ligne IX-IX de la Figure 8;
la Figure 10 est une vue en perspective d'un tube avec deux rangées de protubérances, selon un second mode de réalisation de l'invention;
la Figure 11 est une vue en élévation du tube de la Figure 10;
la Figure 12 est une vue en plan du tube de la Figure 10; la Figure 13 est une section transversale détaillée d'une protubérance du tube suivant la ligne XIII-XIII de la Figure 12;
la Figure 14 est une vue en plan du boîtier avec deux groupes de deux rangées de protubérances, selon le second mode de réalisation de l'invention;
la Figure 15 est une section transversale détaillée d'une protubérance du boîtier suivant la ligne XV-XV de la Figure 14;
les Figures 16a à 16e sont des vues en plan de cinq protubérances présentant différentes formes et orientations;
la Figure 17 est un schéma concernant la sensibilité de la position des protubérances; et
la Figure 18 est un schéma concernant la sensibilité de l'épaisseur du matériau de soudure. DESCRIPTION DES MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS
Si nous nous reportons aux Figures 1 à 3, l'échangeur thermique 1 pour gaz, en particulier pour les gaz d'échappement d'un moteur, comprend un ensemble de tubes parallèles 2 qui dans cet exemple sont plats et de section rectangulaire, destinés à la circulation des gaz avec échange de chaleur avec un fluide de refroidissement. Ledit ensemble de conduits parallèles 2 est logé à l'intérieur d'un boîtier 3 qui dans ce cas est également de section rectangulaire.
La Figure 2 représente le boîtier 3 sectionné longitudinalement pour montrer à l'intérieur de celui-ci l'ensemble de tubes parallèles 2. Les deux extrémités de l'ensemble de conduits parallèles 2 sont fixées chacune sur une plaque de support 4 qui présente une pluralité d'orifices pour la mise en place des conduits 2 respectifs. Chaque plaque de support 4 est assemblée à l'extrémité correspondante du boîtier 3.
Dans ce mode de réalisation le boîtier 3 comprend à chacune de ses deux extrémités un réservoir de gaz 5 assemblé à la conduite de recirculation des gaz, quoiqu'on pourrait aussi utiliser une bride de raccordement et un réservoir de gaz. Également, le boîtier 3 comprend un conduit d'entrée 6 et un conduit de sortie 7 du circuit de refroidissement.
Pour améliorer l'échange thermique ainsi que la résistance mécanique de l'échangeur 1 on utilise des ailettes 9 disposées à l'intérieur des tubes 2 comme cela est visible sur la Figure 3.
On réalise le processus de brasage au four de l'ensemble constitué par les tubes 2, le boîtier 3 et les ailettes 9 après un assemblage global des différents composants de l'échangeur 1. La qualité de la soudure au four finale sera appropriée à condition qu'on garantisse un contact complet des composants pendant le processus de brasage au four.
De même, les tubes 2 et le boîtier 3 comprennent une pluralité de protubérances, respectivement 10 et 11, dont le motif de répartition et les dimensions sont définis en fonction des dimensions des tubes 2 et du boîtier 3 et qui sont susceptibles de garantir une répartition appropriée de la compression entre le boîtier 3, les tubes 2 et les ailettes 9 les uns par rapport aux autres pendant l'assemblage et le brasage au four de l'échangeur 1.
Ci-après sont décrits deux modes de réalisation de motifs de protubérances respectivement sur les tubes 2 et sur le boîtier 3. Dans ces cas, les protubérances 10, 11 sont fabriquées par estampage et ont une configuration circulaire. Chaque protubérance 10, 11 comprend une surface de contact 12 en saillie sensiblement plane et circulaire et un côté tronconique défini par un angle d'estampage A et des rayons de raccord RR par rapport à ladite surface de contact 12 et à la surface du tube 2 ou du boîtier 3 où est estampée la protubérance 10, 11.
Les dimensions des protubérances 10, 11 respectivement des tubes 2 et du boîtier 3 sont définies par leurs diamètre D et hauteur H, l'angle d'estampage A et les rayons de raccord RR du côté tronconique.
Selon un premier mode de réalisation pour le tube 2 illustré sur les Figures 4 à 7, on a représenté un tube 2 avec une seule rangée de protubérances 10.
La définition du motif de protubérances 10 est déterminée par les relations géométriques suivantes:
H = (l à 4) x Tl
D = (0,1 à 0,5) x Wl et/ou D = (0,06 à 0,4) x DD
RR = (0,5 à 2) x Tl et/ou RR = (0, 1 à 0,6) x H
45° < A < 75°
DD = (0,05 à 0,6) x Ll
DDE = (0,05 à 0,6) x Ll
Rangée position de protubérances 10 porté par la ligne de symétrie longitudinal du tube + / - 10 mm
Protubérances réparties sur une rangée si: 10 < Wl < 30 mm
Protubérances réparties sur deux rangées si: 26 < Wl < 45 mm où:
H: Hauteur de la protubérance 10.
D: Diamètre de la surface de contact 12 de la protubérance 10.
RR: Rayon de raccord par rapport à la surface de contact 12 et à la surface du tube
2.
A: Angle d'estampage de la protubérance 10.
Tl: Épaisseur du tube 2.
Wl: Largeur du tube 2.
Ll : Longueur du tube 2.
DD: Distance entre protubérances 10 d'une même rangée.
DDE: Distance entre le centre de la première protubérance 10 d'une rangée et une extrémité du tube 2.
Selon un premier mode de réalisation pour le boîtier 3 illustré sur les Figures 8 et 9, on a représenté un boîtier 3 avec un seul groupe de deux rangées de protubérances 11.
La définition du motif de protubérances 11 est déterminée par les relations géométriques suivantes:
P = (l à 4) x T2
D = (0,1 à O,5) x Wl
RR = (0,5 à 2) x T2 et/ou RR = (0, 1 à 0,6) x H
DD = (0,05 à 0,6) x L2
DDE = (0,05 à 0,6) x L2
Position d'une rangée de protubérances 11 centrée sur l'axe longitudinal de symétrie du boîtier +/- 10 mm où:
P: Profondeur de la protubérance 11.
H: Hauteur de la protubérance 11.
D: Diamètre de la surface de contact 12 de la protubérance 11.
RR: Rayon de raccord par rapport à la surface de contact 12.
T2: Épaisseur du boîtier 3.
Wl: Largeur du tube 2.
L2: Longueur du boîtier 3.
DD: Distance entre protubérances 11 d'une même rangée.
DDE: Distance entre le centre de la première protubérance 11 d'une rangée et une extrémité du boîtier 3.
Selon un second mode de réalisation pour le tube 2 illustré sur les Figures 10 à 13, on a représenté un tube 2 avec deux rangées de protubérances 10 parallèles les unes aux autres.
Également, entre les deux rangées de protubérances 10 sur les tubes 2 on trouve deux protubérances 10a d'extrémité en renfort ayant une configuration rectangulaire avec deux demi-cercles aux plus petites extrémités opposées.
La définition du motif de protubérances 10 est déterminée par les relations géométriques suivantes:
H = (l à 4) x Tl
D = (0,1 à 0,5) x Wl et/ou D = (0,06 à 0,4) x DD
RR = (0,5 à 2) x Tl et/ou RR = (0, 1 à 0,6) x H
45° < A < 75°
Protubérances réparties sur une rangée si: 10 < Wl < 30 mm
Protubérances réparties sur deux rangées si: 26 < Wl < 45 mm
Nombre de protubérances : au moins 1 protubérance sur 100 à 600 mm2
DDH = (0,05 à 0,6) x Ll
DDV = (0,2 à 0,8) x Wl
DDE = (0,05 à 0,6) x Ll
DDEIA = (0,05 à 0,6) x Ll
DDE1B = (0,05 à 0,6) x Ll où:
H: Hauteur de la protubérance 10.
D: Diamètre de la surface de contact 12 de la protubérance 10.
RR: Rayon de raccord par rapport à la surface de contact 12 et à la surface du tube 2.
A: Angle d'estampage de la protubérance 10.
Tl: Épaisseur du tube 2.
Wl: Largeur du tube 2.
Ll : Longueur du tube 2.
DDH: Distance entre protubérances 10 d'une même rangée.
DDV: Distance entre rangées.
DDE: Distance entre la première protubérance 10 d'une rangée et une extrémité du tube 2.
DDEIA: Distance entre un premier centre d'une protubérance 10a d'extrémité et une extrémité du tube 2.
DDE1B: Distance entre un second centre d'une protubérance 10a d'extrémité et une extrémité du tube 2.
Selon un second mode de réalisation pour le boîtier 3 illustré sur les Figures 14 et 15, on a représenté un boîtier 3 avec deux groupes de deux rangées de protubérances 11 parallèles les unes aux autres.
Également, entre les deux rangées de protubérances 11 de chaque groupe on trouve deux saillies l ia d'extrémité en renfort, dans ce cas circulaires.
La définition du motif de protubérances 11 est déterminée par les relations géométriques suivantes:
P = (l à 4) x T2
D = (0,1 à O,5) x Wl
RR = (0,5 à 2) x T2 et/ou RR
DDH = (0,05 à 0,6) x L2
DDV = (0,2 à 0,8) x W2
DDE = (0,05 à 0,6) x Ll
DDE1 = (0,05 à 0,6) x Ll où:
P: Profondeur de la protubérance 11.
H: Hauteur de la protubérance 11.
D: Diamètre de la surface de contact 12 de la protubérance 11.
RR: Rayon de raccord par rapport à la surface de contact 12.
T2: Épaisseur du boîtier 3.
Wl: Largeur du tube 2.
W2: Largeur du boîtier 3.
L2: Longueur du boîtier 3.
DDH: Distance entre protubérances 11 d'une même rangée.
DDV: Distance entre les rangées d'un même groupe.
DDE: Distance entre le centre de la première protubérance 11 d'une rangée et une extrémité du boîtier 3.
DDE1: Distance entre le centre d'une protubérance l ia d'extrémité et une extrémité du boîtier 3.
Il convient de souligner que, bien qu'on ait représenté des protubérances 10, 11 ayant une configuration circulaire, elles peuvent aussi présenter d'autres formes, telles qu'allongée avec différentes orientations (voir Figures 16a à 16c), en forme de croix (Figure 16d) ou en forme de losange (Figure 16e), entre autres.
De même, on a effectué des essais avec des prototypes pour analyser la relation entre l'épaisseur du matériau de soudure et la distance des protubérances vis-à- vis de l'interstice existant dans le joint d'assemblage avec soudure au four.
On peut observer les résultats d'un premier essai sur le graphique de la Figure 17, qui montre la sensibilité de la position des protubérances 10, 11, en établissant un rapport entre la distance entre les protubérances et l'interstice existant dans le joint d'assemblage quand l'ailette 9 est introduite dans le tube 2.
Les résultats indiquent que si l'on réduit la distance entre protubérances on évite les déformations pendant le processus d'assemblage (déformation du tube 2), moyennant quoi on obtient une taille plus petite de l'interstice entre les tubes 2 et les ailettes 9. L'interstice maximal admissible dans cette technologie est de 0,15 mm, ce qui correspond à une distance entre protubérances de 40 mm. Plus la dimension de l'interstice est grande, plus les défauts de brasage au four sont importants et plus la résistance mécanique s'amoindrit.
On peut observer les résultats d'un second essai sur le graphique de la Figure 18, qui montre la sensibilité de l'épaisseur du matériau de soudure, en établissant un rapport entre l'épaisseur du matériau de soudure et l'interstice existant dans le joint d'assemblage quand l'ailette 9 est introduite dans le tube 2.
Les résultats indiquent que plus la dimension de l'interstice est grande, plus l'épaisseur du matériau de soudure nécessaire est grande et par conséquent plus le produit est cher. L'interstice maximal admissible dans cette technologie est de 0,15 mm, ce qui correspond à une épaisseur du matériau de soudure de 50 microns.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1. Échangeur thermique (1) pour gaz, en particulier pour les gaz d'échappement d'un moteur, qui comprend une pluralité de tubes parallèles (2) disposés à l'intérieur d'un boîtier (3) et par lesquels circulent les gaz à refroidir par échange thermique avec un fluide de refroidissement, et des ailettes (9) perturbatrices de l'écoulement de gaz disposées à l'intérieur de chaque tube (2), caractérisé en ce que les tubes (2) et le boîtier (3) comprennent une pluralité de protubérances (10) et (11) respectivement, dont le schéma de répartition et les dimensions sont définies en fonction des dimensions des tubes (2) et du boîtier (3), qui sont capables de garantir une répartition appropriée de la compression entre le boîtier (3), les tubes (2) et les ailettes
(9) vis-à-vis les uns des autres pendant le brasage au four de l'échangeur (1).
2. Échangeur (1) selon la revendication 1, dans lequel les protubérances (10, 11) sont réalisées par estampage, chaque protubérance (10, 11) comprenant une surface de contact (12) en saillie sensiblement plane et circulaire et un côté tronconique défini par un angle d'estampage (A) et des rayons de raccord (RR) par rapport à ladite surface de contact (12) et à la surface du tube (2) ou du boîtier (3) où est estampée la protubérance (10, 11).
3. Échangeur (1) selon la revendication 2, dans lequel les dimensions des protubérances (10, 11) respectivement des tubes (2) et du boîtier (3) sont définies par leur diamètre (D) et leur hauteur (H) et l'angle d'estampage (A) et les rayons de raccord (RR) du côté tronconique.
4. Échangeur (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le schéma de répartition des protubérances (10) sur les tubes (2) est défini en fonction de l'épaisseur (Tl), la largeur (Wl) et la longueur (Ll) du tuyau (2) lui-même, les tubes (2) étant de section transversale sensiblement rectangulaire et dotés de deux côtés opposés plats plus larges (Wl) que hauts.
5. Échangeur (1) selon la revendication 4, dans lequel les protubérances
(10) sont disposées sur les deux côtés opposés plats des tubes (2), dirigées vers l'extérieur du tube (2) et réparties sur une ou plusieurs rangées longitudinales en fonction de la largeur (Wl) du tube (2).
6. Échangeur (1) selon la revendication 5, dans lequel les protubérances (10) d'une même rangée sur les tubes (2) sont espacées entre elles d'une distance prédéterminée (DD, DDH) définie par la longueur (Ll) du tube (2) et la première protubérance (10) de la rangée correspondante est disposée par rapport à une extrémité du tube (2) à une distance prédéterminée (DDE) également définie par la longueur (Ll) du tube (2).
7. Échangeur (1) selon la revendication 5, dans lequel les protubérances (10) sur les tubes (2) sont réparties sur deux rangées longitudinales parallèles, équidistantes par rapport à un axe longitudinal de symétrie et espacées entre elles d'une distance prédéterminée (DDV) définie en fonction de la largeur (Wl) du tube (2).
8. Échangeur (1) selon la revendication 7, dans lequel entre les deux rangées de protubérances (10) sur les tubes (2) on trouve deux protubérances (10a) d'extrémité en renfort situées chacune par rapport aux extrémités opposées du tube (2) à une distance prédéterminée (DDE1, DDE2) définie par la longueur (Ll) du tube (2).
9. Échangeur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le schéma de répartition des protubérances (11) sur le boîtier (3) est défini en fonction de la largeur
(Wl) du tube (2), et de l'épaisseur (T2), la largeur (W2) et la longueur (L2) du boîtier (3), le boîtier (3) ayant une section transversale sensiblement rectangulaire.
10. Échangeur (1) selon la revendication 9, dans lequel les protubérances (11) sont disposées sur au moins un côté du boîtier (3), dirigées vers l'intérieur du boîtier
(3) et réparties en un ou plusieurs groupes de deux rangées longitudinales en fonction de la largeur (W2) du boîtier (3).
11. Échangeur (1) selon la revendication 10, dans lequel les protubérances (11) d'une même rangée sont espacées entre elles d'une distance prédéterminée (DD, DDH) définie par la longueur (L2) du boîtier (3) et la première protubérance (11) de la rangée correspondante est disposée par rapport à une extrémité du boîtier (3) à une distance prédéterminée (DDE) également définie par la longueur (L2) du boîtier (3).
12. Échangeur (1) selon la revendication 10, dans lequel les protubérances (11) sont réparties en deux groupes de deux rangées longitudinales parallèles et espacées entre elles d'une distance prédéterminée (DDV) définie en fonction de la largeur (W2) du boîtier (3) et les deux groupes de deux rangées sont disposés à égale distance de l'axe longitudinal de symétrie.
13. Échangeur (1) selon la revendication 12, dans lequel, entre les deux rangées de protubérances (11) de chaque groupe on trouve deux protubérances (l ia) d'extrémité en renfort situées chacune par rapport aux extrémités opposées du boîtier (3) à une distance prédéterminée (DDE1) définie par la longueur (L2) du boîtier (3).
14. Échangeur (1) selon la revendication 1, dans lequel les protubérances (10, 11) peuvent présenter différentes formes telles que entre autres circulaire, en croix, en losange ou linéaire.
PCT/EP2012/074079 2011-12-01 2012-11-30 Echangeur thermique pour gaz, en particulier pour les gaz d'echappement d'un moteur WO2013079656A1 (fr)

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