EP0756149A1 - Echangeur de chaleur à boîte collectrice sous forme d'un empilement - Google Patents

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EP0756149A1
EP0756149A1 EP96111915A EP96111915A EP0756149A1 EP 0756149 A1 EP0756149 A1 EP 0756149A1 EP 96111915 A EP96111915 A EP 96111915A EP 96111915 A EP96111915 A EP 96111915A EP 0756149 A1 EP0756149 A1 EP 0756149A1
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shells
heat exchanger
tube
annular
shell
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EP96111915A
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Jean-Louiss Laveran
Jean-François Chevalier
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Valeo Thermique Habitacle
Valeo Thermique Moteur SA
Original Assignee
Valeo Thermique Habitacle
Valeo Thermique Moteur SA
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F28F13/12—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by creating turbulence, e.g. by stirring, by increasing the force of circulation
    • 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
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
    • F28D1/053—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being straight
    • F28D1/0535—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being straight the conduits having a non-circular cross-section
    • F28D1/05358—Assemblies of conduits connected side by side or with individual headers, e.g. section type radiators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/0219—Arrangements for sealing end plates into casing or header box; Header box sub-elements
    • F28F9/0221—Header boxes or end plates formed by stacked elements

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger comprising a row of fluid circulation tubes each containing a disturbing plate intended to produce a turbulent flow of the fluid, and at least one manifold elongated in the direction of alignment of the tubes and into which opens out.
  • said manifold being formed of a stack of pairs of shells in which each shell has an annular side wall connected on the one hand to an annular outer rim and on the other hand to an annular inner rim defined by the bottom of the shell provided with an axial opening, these two flanges extending substantially in radial planes, the shells of the same pair being mutually joined and assembled by their outer flanges, and two adjacent shells belonging to different pairs by their inner edges, delimiting an internal chamber over the entire length of the stack, the walls of the two shells of the same pair being arranged so as to define a lateral opening in which the end of a tube is inserted to communicate with said internal chamber.
  • Such a heat exchanger is known from FR-A-2-563 899.
  • the shells forming the manifold are in contact exclusively with each other and with the ends of the tubes engaged in the lateral openings . It has been observed that the manifold box thus produced is not rigid enough.
  • the object of the invention is to remedy this drawback.
  • the invention relates in particular to a heat exchanger of the kind defined in the introduction, and provides that the disturbing plate protrudes beyond the end of said tube to coming into contact with the shells of said pair on at least a fraction of the periphery of the internal chamber.
  • the protruding part of the disturbing plate provides additional contact areas for the shells, thereby improving their shape stability and therefore the rigidity of the box, for a given thickness of the shells.
  • the heat exchanger according to the invention can be used in particular for cooling the charge air of a heat engine driving a vehicle, more particularly an industrial vehicle.
  • a heat engine driving a vehicle more particularly an industrial vehicle.
  • two manifolds can be provided in which the two ends of each tube penetrate respectively, the disturbing plates projecting under the same conditions in the two boxes at the two ends of the tubes.
  • FIG. 1 two pairs 1 and 2 of metal parts in the form of bowls or shells, formed from stamped sheet and belonging to a stack constituting a manifold not shown as a whole.
  • the two shells 3 and 4 each making up pairs 1 and 2 are identical.
  • Each comprises a bottom 5 arranged in a radial plane, that is to say perpendicular to the longitudinal axis 6 of the manifold, connecting to an annular side wall 7 of revolution around the axis 6.
  • the bottom 5 is pierced with a central opening 8, also of revolution around the axis 6, thus defining around it an annular inner rim 9.
  • the side wall 7 is connected to an annular rim 10 which extends radially outwards.
  • this outer rim 10 has a rectangular outer contour with rounded angles, and is in turn connected to a peripheral annular skirt 11 turned axially towards the bottom 5.
  • the outer rim 10 has three regions located substantially in three radial planes.
  • a first annular region 12 of rectangular external contour directly surrounds the side wall 7.
  • the portion 12 is bordered on three of its sides by a second portion 13 which forms a curved strip in U extending to the periphery of the rim 10 for connect to the skirt 11 along three sides of the rectangular contour of the shell.
  • a third region 14 extends in the form of a rectilinear marginal strip, between the fourth side of the first region 12 and the fourth side of the abovementioned contour, over a length slightly greater than the corresponding dimension of the region 12.
  • the planes of regions 13, 12 and 14 are at increasing distances from that of the bottom 5 and these regions are connected to one another by recesses in the axial direction.
  • the two shells 3 and 4 of the same pair are joined together by the marginal regions 13 of their outer edges 10, the annular regions 12, the marginal regions 14 and the inner edges 9 of the two shells being at increasing mutual distances.
  • the two regions 14 define between them a housing for the end of a flattened tube 15 belonging to a row of tubes, each of which is associated with one of the pairs of shells of the manifold.
  • the tubes of the row are aligned alternately with spacers 16 in the form of corrugated metal strips, the crests of the corrugations of the same strip alternately coming into contact with two neighboring tubes.
  • each tube is lined by a disturbing plate 17 intended to create turbulence in the flow of the fluid circulating in the tube.
  • the disturbing plate is for example constituted by a corrugated metal strip whose crests of corrugations come alternately into contact with the two opposite internal faces of the tube, this strip being further perforated to allow the circulation of the fluid.
  • the disturbing plate 17 protrudes beyond the end of the tube, between the two shells 3 and 4, and comes into contact with the annular regions 12 of the outer edges thereof substantially over the entire extent of these regions.
  • the plate 17 is pierced with a circular opening 18, aligned with the openings 8 of the shell bottoms, with a diameter close to that of the side walls 7, so as to allow free communication between the volumes internal 19 delimited by the circle 5 and the side wall 7 of each shell.
  • the pairs 1 and 2 of shells are mutually joined and assembled by the outer faces of the inner flanges 9 of their respective shells facing towards each other, the peripheral skirts 11 of these same shells facing each other and at a certain distance from each other.
  • the other pairs of shells are assembled in the same way to form the stack constituting the manifold, the internal volumes 19 of the different pairs communicating with each other through the openings 8 to form an internal chamber extending over the length of the manifold, with which the tubes 15 communicate.
  • This internal chamber is sealingly separated from the outside of the heat exchanger by the mutual brazing of the internal flanges 9 joined together, that of the regions 13 joined together and the brazing of the regions 14 , and recesses which connect them to the regions 13, on the tubes 15.

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Abstract

L'empilement est formé de paires (1, 2) de coquilles (3, 4), les deux coquilles d'une même paire étant mutuellement assemblées par des rebords extérieurs (10) et deux coquilles adjacentes de deux paires différentes étant mutuellement assemblées par des rebords intérieurs annulaires (9) reliés aux rebords extérieurs par des parois latérales annulaires (7). Selon l'invention, les rebords extérieurs des deux coquilles d'une paire, qui définissent un logement (14) pour l'extrémité d'un tube aplati (15) de circulation de fluide, s'appuient par ailleurs sur les faces d'une plaque perturbatrice (17) faisant saillie hors du tube. Le contact des coquilles avec la plaque perturbatrice améliore la rigidité de la boîte collectrice. Application au refroidissement de l'air de suralimentation des moteurs de véhicules industriels. <IMAGE>

Description

  • L'invention concerne un échangeur de chaleur comprenant une rangée de tubes de circulation de fluide contenant chacun une plaque perturbatrice destinée à produire un écoulement turbulent du fluide, et au moins une boîte collectrice allongée dans la direction d'alignement des tubes et dans laquelle débouche une extrémité de chacun d'eux, ladite boîte collectrice étant formée d'un empilement de paires de coquilles dans lequel chaque coquille présente une paroi latérale annulaire raccordée d'une part à un rebord extérieur annulaire et d'autre part à un rebord intérieur annulaire défini par le fond de la coquille muni d'une ouverture axiale, ces deux rebords s'étendant sensiblement selon des plans radiaux, les coquilles d'une même paire étant mutuellement accolées et assemblées par leurs rebords extérieurs, et deux coquilles adjacentes appartenant à des paires différentes par leurs rebords intérieurs, en délimitant une chambre interne sur toute la longueur de l'empilement, les parois des deux coquilles d'une même paire étant aménagés de façon à définir une ouverture latérale dans laquelle s'insère l'extrémité d'un tube pour communiquer avec ladite chambre interne.
  • Un tel échangeur de chaleur est connu par FR-A-2-563 899. Dans cet échangeur de chaleur connu, les coquilles formant la boîte collectrice sont en contact exclusivement les unes avec les autres et avec les extrémités des tubes engagées dans les ouvertures latérales. On a pu constater une rigidité insuffisante de la boîte collectrice ainsi réalisée.
  • Le but de l'invention est de remédier à cet inconvénient.
  • L'invention vise notamment un échangeur de chaleur du genre défini en introduction, et prévoit que la plaque perturbatrice fait saillie au-delà de l'extrémité dudit tube pour venir en contact avec les coquilles de ladite paire sur une fraction au moins de la périphérie de la chambre interne.
  • La partie en saillie de la plaque perturbatrice offre des zones de contact supplémentaires pour les coquilles, améliorant ainsi la stabilité de forme de celles-ci et par conséquent la rigidité de la boîte, pour une épaisseur donnée des coquilles.
  • L'échangeur de chaleur selon l'invention est utilisable notamment pour le refroidissement de l'air de suralimentation d'un moteur thermique d'entraînement d'un véhicule, plus particulièrement d'un véhicule industriel. Bien entendu, deux boîtes collectrices peuvent être prévues dans lesquelles pénètrent respectivement les deux extrémités de chaque tube, les plaques perturbatrices faisant saillie dans les mêmes conditions dans les deux boîtes aux deux extrémités des tubes.
  • Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémentaires ou alternatives, sont énoncées ci-après :
    • Le rebord extérieur de l'une au moins des coquilles de la paire présente une région annulaire, adjacente à la paroi latérale, en retrait vers le plan du rebord intérieur, coopérant avec le rebord extérieur de l'autre coquille pour former un logement recevant la plaque perturbatrice.
    • Les deux coquilles de la paire sont identiques, l'épaisseur dudit logement étant définie pour moitié par la région en retrait de chaque rebord extérieur.
    • Ladite région annulaire en retrait se raccorde, du côté du passage du tube, à une région marginale du même rebord extérieur davantage encore en retrait, les régions marginales en retrait des deux coquilles de la paire définissant un logement pour l'extrémité du tube.
    • La région de la plaque perturbatrice en saillie par rapport au tube présente une ouverture alignée avec les ouvertures axiales des coquilles de façon à ne pas gêner la circulation du fluide dans ladite chambre.
    • Le rebord extérieur de chaque coquille se raccorde, sur une partie au moins de sa périphérie, à une jupe s'étendant axialement vers le plan du rebord intérieur de la même coquille.
    • Le rebord extérieur et la paroi latérale des coquilles présentent respectivement un contour sensiblement rectangulaire et une section circulaire.
  • Les caractéristiques et avantages de l'invention seront exposés plus en détail dans la description ci-après, en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :
    • les figures 1 et 2 sont des vues partielles en coupe d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention, selon des plans mutuellement perpendiculaires passant par l'axe de la boîte collectrice; et
    • la figure 3 est une vue partielle prise selon la direction axiale de la boîte collectrice.
  • Sur la figure 1 sont représentées deux paires 1 et 2 de pièces métalliques en forme de cuvettes ou de coquilles, formées à partir de tôle emboutie et appartenant à un empilement constituant une boîte collectrice non représentée dans son ensemble. Les deux coquilles 3 et 4 composant chacune des paires 1 et 2 sont identiques. Chacune comprend un fond 5 disposé selon un plan radial, c'est-à-dire perpendiculaire à l'axe longitudinal 6 de la boîte collectrice, se raccordant à une paroi latérale annulaire 7 de révolution autour de l'axe 6. Le fond 5 est percé d'une ouverture centrale 8, également de révolution autour de l'axe 6, définissant ainsi autour de celle-ci un rebord intérieur annulaire 9. A l'opposé du fond 5 dans la direction axiale, la paroi latérale 7 se raccorde à un rebord annulaire 10 qui s'étend radialement vers l'extérieur. Comme le montre la figure 3, ce rebord extérieur 10 présente un contour extérieur rectangulaire à angles arrondis, et se raccorde à son tour à une jupe annulaire périphérique 11 tournée axialement vers le fond 5.
  • Le rebord extérieur 10 présente trois régions situées sensiblement dans trois plans radiaux. Une première région annulaire 12 de contour extérieur rectangulaire entoure directement la paroi latérale 7. La portion 12 est bordée sur trois de ses côtés par une seconde portion 13 qui forme une bande recourbée en U s'étendant jusqu'à la périphérie du rebord 10 pour se raccorder à la jupe 11 le long de trois côtés du contour rectangulaire de la coquille. Enfin, une troisième région 14 s'étend sous forme d'une bande marginale rectiligne, entre te quatrième côté de la première région 12 et le quatrième côté du contour précité, sur une longueur légèrement supérieure à la dimension correspondante de la région 12. Les plans des régions 13, 12 et 14 sont à des distances croissantes de celui du fond 5 et ces régions se raccordent entre elles par des décrochements dans la direction axiale.
  • Comme on le voit sur les figures 1 et 2, les deux coquilles 3 et 4 d'une même paire sont accolées entre elles par les régions marginales 13 de leurs rebords extérieurs 10, les régions annulaires 12, les régions marginales 14 et les rebords intérieurs 9 des deux coquilles étant à des distances mutuelles croissantes. Les deux régions 14 définissent entre elles un logement pour l'extrémité d'un tube aplati 15 appartenant à une rangée de tubes dont chacun est associé à l'une des paires de coquilles de la boîte collectrice. De façon connue, les tubes de la rangée sont alignés alternativement avec des intercalaires 16 sous forme de bandes métalliques ondulées, les crêtes des ondulations d'une même bande venant alternativement en contact avec deux tubes voisins. De façon connue également, l'espace interne de chaque tube est garni par une plaque perturbatrice 17 destinée à créer des turbulences dans l'écoulement du fluide circulant dans le tube. La plaque perturbatrice est par exemple constituée par une bande métallique ondulée dont les crêtes d'ondulations viennent alternativement en contact avec les deux faces internes opposées du tube, cette bande étant en outre perforée pour permettre la circulation du fluide.
  • Selon l'invention, la plaque perturbatrice 17 fait saillie au-delà de l'extrémité du tube, entre les deux coquilles 3 et 4, et vient en contact avec les régions annulaires 12 des rebords extérieurs de celles-ci sensiblement sur toute l'étendue de ces régions. Dans sa partie en saillie, la plaque 17 est percée d'une ouverture circulaire 18, alignée avec les ouvertures 8 des fonds des coquilles, d'un diamètre voisin de celui des parois latérales 7, de façon à permettre une libre communication entre les volumes internes 19 délimités par le rond 5 et la paroi latérale 7 de chaque coquille.
  • Comme le montrent également les figures 1 et 2, les paires 1 et 2 de coquilles sont mutuellement accolées et assemblées par les faces extérieures des rebords intérieurs 9 de leurs coquilles respectives tournées l'une vers l'autre, les jupes périphériques 11 de ces mêmes coquilles étant en regard et à une certaine distance l'une de l'autre. Les autres paires de coquilles non représentées sont assemblées de la même façon pour former l'empilement constitutif de la boîte collectrice, les volumes internes 19 des différentes paires communiquant entre eux par les ouvertures 8 pour former une chambre interne s'étendant sur la longueur de la boîte collectrice, avec laquelle communiquent les tubes 15. Cette chambre interne est séparée de façon étanche de l'extérieur de l'échangeur de chaleur par le brasage mutuel des rebords intérieurs 9 accolés, celui des régions 13 accolées et le brasage des régions 14, et des décrochements qui les relient aux régions 13, sur les tubes 15.

Claims (7)

  1. Échangeur de chaleur comprenant une rangée de tubes (15) de circulation de fluide contenant chacun une plaque perturbatrice (17) destinée à produire un écoulement turbulent du fluide, et au moins une boîte collectrice allongée dans la direction d'alignement des tubes et dans laquelle débouche une extrémité de chacun d'eux, ladite boîte collectrice étant formée d'un empilement de paires (1, 2) de coquilles (3, 4) dans lequel chaque coquille présente une paroi latérale annulaire (7) raccordée d'une part à un rebord extérieur annulaire (10) et d'autre part à un rebord intérieur annulaire (9) défini par le fond (5) de la coquille muni d'une ouverture axiale (8), ces deux rebords s'étendant sensiblement selon des plans radiaux, les coquilles d'une même paire étant mutuellement accolées et assemblées par leurs rebords extérieurs, et deux coquilles adjacentes appartenant à des paires différentes par leurs rebords intérieurs, en délimitant une chambre interne sur toute la longueur de l'empilement, les parois des deux coquilles d'une même paire étant aménagés de façon à définir une ouverture latérale dans laquelle s'insère l'extrémité d'un tube pour communiquer avec ladite chambre interne, caractérisé en ce que la plaque perturbatrice (17) fait saillie au-delà de l'extrémité dudit tube pour venir en contact avec les coquilles de ladite paire sur une fraction au moins de la périphérie de la chambre interne.
  2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rebord extérieur (10) de l'une au moins des coquilles de la paire présente une région annulaire (12), adjacente à la paroi latérale, en retrait vers le plan du rebord intérieur, coopérant avec le rebord extérieur de l'autre coquille pour former un logement recevant la plaque perturbatrice.
  3. Échangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux coquilles de la paire sont identiques, l'épaisseur dudit logement étant définie pour moitié par la région en retrait (12) de chaque rebord extérieur.
  4. Échangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite région annulaire en retrait (12) se raccorde, du côté du passage du tube, à une région marginale (14) du même rebord extérieur davantage encore en retrait, les régions marginales en retrait des deux coquilles de la paire définissant un logement pour l'extrémité du tube.
  5. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la région de la plaque perturbatrice en saillie par rapport au tube présente une ouverture (18) alignée avec les ouvertures axiales (8) des coquilles (3, 4) de façon à ne pas gêner la circulation du fluide dans ladite chambre.
  6. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rebord extérieur (10) de chaque coquille se raccorde, sur une partie au moins de sa périphérie, à une jupe (11) s'étendant axialement vers le plan du rebord intérieur de la même coquille.
  7. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rebord extérieur et la paroi latérale des coquilles présentent respectivement un contour sensiblement rectangulaire et une section circulaire.
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