EP0952418B1 - Echangeur de chaleur multifonction, en particulier pour véhicule automobile - Google Patents

Echangeur de chaleur multifonction, en particulier pour véhicule automobile Download PDF

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EP0952418B1
EP0952418B1 EP19990107729 EP99107729A EP0952418B1 EP 0952418 B1 EP0952418 B1 EP 0952418B1 EP 19990107729 EP19990107729 EP 19990107729 EP 99107729 A EP99107729 A EP 99107729A EP 0952418 B1 EP0952418 B1 EP 0952418B1
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tubes
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manifold
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Alexandre Sharawi
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Valeo Thermique Moteur SA
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    • 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
    • F28D1/0408—Multi-circuit heat exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat exchangers for more than two fluids
    • F28D1/0426—Multi-circuit heat exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat exchangers for more than two fluids with units having particular arrangement relative to the large body of fluid, e.g. with interleaved units or with adjacent heat exchange units in common air flow or with units extending at an angle to each other or with units arranged around a central element
    • F28D1/0443—Combination of units extending one beside or one above the other
    • 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
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/008—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for vehicles
    • F28D2021/0082—Charged air coolers
    • 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
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    • F28D2021/008—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for vehicles
    • F28D2021/0087—Fuel coolers

Definitions

  • the invention relates to a multi-function type heat exchanger, or even multifluid, particularly suitable motor vehicles.
  • It relates more particularly to a heat exchanger comprising a single bundle of tubes and fins, divided in at least two parts suitable for being traversed by different fluids, which are intended to be cooled by a common cooling medium sweeping the beam, and in which the ends of the tubes are received in manifold plates connected to manifold boxes.
  • This known heat exchanger comprises a single bundle of tubes which is divided into two parts traversed respectively by two different fluids. To each part of the beam corresponds to an inlet manifold and a outlet manifold for fluid circulation at cool.
  • the two fluids are constituted respectively by a supply air flow and by a fuel flow which must be cooled by the same air flow which sweeps the beam.
  • This known heat exchanger cannot operate in a safe way that in case the two fluids to cool have near temperatures.
  • the tubes of the first part of the beam and tubes of the second part of the beam present different dilations of a nature to generate stresses at the ends of the tubes.
  • This known heat exchanger cannot therefore be used when the two fluids to be cooled have temperatures very different, as is the case when one of the parts of the beam constitutes a cooling radiator of a heat engine and another part of the beam constitutes a cooling radiator, also called "cooler", engine charge air.
  • the supercharging of a heat engine consists to supply it with compressed air and not directly atmospheric air, so as to increase the mass of oxygen available in combustion chambers.
  • the compression of the air is accompanied by a sharp rise in temperature, which can reach values of 150 ° C, or more.
  • FR 2 712 674 shows an exchanger traversed by two distinct fluids.
  • the object of the invention is in particular to overcome the drawbacks supra.
  • It aims in particular to provide a heat exchanger of this type which can be used to ensure both the motor vehicle engine cooling and the cooling of the charge air of said engine.
  • the invention provides a heat exchanger of the type defined in the introduction in which, at each end of the bundle, the ends of the tubes are connected to at least two separate collector plates, one separated from the other by a beam tube, called “inactive tube”, and in which the two collector plates are assembled respectively to separate manifolds suitable for being crossed respectively by the fluids.
  • the heat exchanger of the invention comprises a single bundle of tubes and fins, but this bundle is divided into two parts so that the ends of the tubes belonging respectively to the two parties are received in two separate header plates, not in one single collecting plate as in the prior art.
  • the bundle is formed by an alternating stack of flat tubes and fins produced in the form of dividers wavy.
  • the aforementioned flat tubes are advantageously of the multi-channel type.
  • Collector plates and manifolds can be assembled together, either mechanically with interposition a seal, or again by brazing.
  • the invention applies very particularly to the case where the beam includes two parts suitable for being swept by a same flow of cooling air.
  • this beam could include more than two parts, still swept by the same cooling air flow.
  • a part of the beam constitutes a cooling radiator of a heat engine, and another part of the beam constitutes a radiator for cooling the air of supercharging of said engine.
  • the heat exchanger shown in the accompanying drawing includes a single beam 1 formed by an alternating stack flat tubes 2 and fins 3 formed by spacers wavy.
  • the tubes 2 are so-called "two-channel" tubes obtained by bending and brazing of a metal sheet, in particular at aluminum base.
  • Each of the tubes internally defines two parallel channels 4 for the circulation of a fluid.
  • the fins 3 are usually formed from the same material metallic and these are connected by brazing to tubes 2.
  • the bundle tubes are identical to each other and are divided into a first series of tubes 2a intended to be traversed by a first fluid F1 and in a second series tubes 2b intended to be traversed by a second fluid F2.
  • the first fluid F1 consists of the coolant (usually water added antifreeze) of a heat engine, in particular of motor vehicle.
  • the second fluid F2 consists of charge air from said heat engine.
  • the fins define free spaces between the tubes for the circulation of a cooling air flow F3 which is common to all tubes in the bundle.
  • the bundle 10 comprises a particular tube 2i, called “tube inactive ", which separates tubes 2a from tubes 2b.
  • This tube inactive 2i constitutes a thermal barrier which separates a first part P1 of the bundle consisting of tubes 2a and associated fins and a second part P2 of the beam consisting of tubes 2b and associated fins.
  • the fluid F1 and the fluid F2 can have very different temperatures, likely to cause constraints in the beam.
  • the temperature F1 fluid can vary from the ambient value up to about 100 ° C
  • the fluid F2 charge air
  • the fluid F1 fluid can reach temperatures of the order of 150 ° C or more, which leads to differential expansion phenomena between tubes 2a and the tubes 2b.
  • the tubes 2a have ends 5a, also called “feet of tubes ", received in openings of a collector plate 6, also called “collector”, which is assembled in a box collector 7.
  • the assembly constituted by the collector plate 6 and the manifold 7 defines a volume serving as inlet (or outlet) compartment for fluid F1.
  • the collector plate 6 has a peripheral edge 8 delimiting a gutter in which is received a ledge device 9 of the manifold 7, with interposition a seal 10.
  • the edge 8 of the collector plate 6 is crenellated and folded against the rim 9 of the box manifold 16 to form folded legs 11.
  • the tubes 2b have respective ends 5b received in openings of another manifold plate 12 which is separate from the collector plate 6 and separated from this last through the inactive tube 2i.
  • the collector plate 12 is assembled to another manifold 13.
  • the manifold 12 includes a peripheral edge 14 delimiting a peripheral gutter in which is received a peripheral edge 15 of the box manifold 13 with interposition of a seal 16.
  • the collecting plate 12 and the collecting box 13 define together a volume serving as an entry compartment (or outlet) for fluid F2.
  • the assembly formed by the collector plate 6 and the manifold 7, on the one hand, and the assembly formed by the collecting plate 12 and the collecting box 13, on the other hand, are completely separate, although they are connect to the same bundle of tubes.
  • the invention makes it possible to overcome these phenomena differential expansion while retaining the advantage to use a single bundle made up of all identical tubes. Since the exchanger includes boxes different collectors, it is possible to train these last from different materials.
  • the manifold 7 can be made of plastic and the manifold 13 in metallic material.
  • the figure in the drawing shows only one end of the beam.
  • the latter has an opposite end which is equipped with two other similar collector plates and also two other similar manifolds.
  • the assembly between a plate manifold and a manifold can be made no only mechanically, i.e. with interposition a seal as described above, but also by soldering.
  • the heat exchanger of the invention may include more than two parts so as to be crossed by more of two different fluids.
  • the invention is not limited to the particular case a heat exchanger comprising a part forming engine cooling radiator and a other part forming charge air cooler of this engine.

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Description

L'invention concerne un échangeur de chaleur du type multi-fonction, ou encore multifluide, convenant tout particulièrement aux véhicules automobiles.
Elle concerne plus particulièrement un échangeur de chaleur comprenant un seul faisceau de tubes et d'ailettes, divisé en au moins deux parties propres à être parcourues par des fluides différents, qui sont destinés à être refroidis par un milieu de refroidissement commun balayant le faisceau, et dans lequel les extrémités des tubes sont reçues dans des plaques collectrices reliées à des boítes collectrices.
On connaít déjà, en particulier d'après DE 195 09 654, un échangeur de chaleur de ce type dans lequel les extrémités des tubes du faisceau sont reçues, d'un côté dans une plaque collectrice reliée à deux boítes collectrices et, d'un côté opposé, dans une autre plaque collectrice reliée à deux autres boítes collectrices.
Cet échangeur de chaleur connu comprend un seul faisceau de tubes qui est divisé en deux parties parcourues respectivement par deux fluides différents. A chacune des parties du faisceau correspond une boíte collectrice d'entrée et une boíte collectrice de sortie pour la circulation du fluide à refroidir.
Dans l'exemple de réalisation décrit dans le document précité, les deux fluides sont constitués respectivement par un flux d'air d'alimentation et par un flux de carburant qui doivent être refroidis par un même flux d'air qui balaie le faisceau.
Cet échangeur de chaleur connu ne peut fonctionner d'une manière sûre que dans le cas où les deux fluides à refroidir ont des températures voisines.
Par contre, si les deux fluides devaient avoir des températures très différentes, les tubes de la première partie du faisceau et les tubes de la deuxième partie du faisceau présenteraient des dilatations différentes de nature à engendrer des contraintes au niveau des extrémités des tubes.
Comme ces extrémités sont reçues à chaque fois dans une même boíte collectrice, ces contraintes pourraient entraíner une déformation, voire une rupture de cette boíte collectrice.
Cet échangeur de chaleur connu ne peut donc être utilisé lorsque les deux fluides à refroidir ont des températures très différentes, comme c'est le cas lorsque l'une des parties du faisceau constitue un radiateur de refroidissement d'un moteur thermique et une autre partie du faisceau constitue un radiateur de refroidissement, encore appelé "refroidisseur", de l'air de suralimentation du moteur.
En effet, la suralimentation d'un moteur thermique consiste à alimenter celui-ci en air comprimé et non directement en air atmosphérique, de façon à-augmenter la masse d'oxygène disponible dans les chambres de combustion. La compression de l'air s'accompagne d'une forte élévation de température, qui peut atteindre des valeurs de 150°C, ou davantage.
Ces valeurs sont très supérieures à celles du fluide de refroidissement du moteur qui vont de la valeur ambiante au démarrage du moteur jusqu'à une plage d'environ 80 à 100°C en régime normal.
FR 2 712 674 montre un échangeur parcouru par deux fluides distincts.
L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients précités.
Elle vise en particulier à procurer un échangeur de chaleur multifonctionnel susceptible d'être parcouru par des fluides différents, pouvant être à des températures très différentes, et cela sans risque d'endommagement du faisceau du fait de phénomènes de dilatation différentielle.
Elle vise en particulier à procurer un échangeur de chaleur de ce type qui peut être utilisé pour assurer à la fois le refroidissement d'un moteur de véhicule automobile et le refroidissement de l'air de suralimentation dudit moteur.
L'invention propose à cet effet un échangeur de chaleur du type défini en introduction dans lequel, à chaque extrémité du faisceau, les extrémités des tubes sont reliés à au moins deux plaques collectrices distinctes, séparées l'une de l'autre par un tube du faisceau, dit "tube inactif", et dans lequel les deux plaques collectrices sont assemblées respectivement à des boítes collectrices distinctes propres à être traversées respectivement par les fluides.
Ainsi, l'échangeur de chaleur de l'invention comprend un unique faisceau de tubes et d'ailettes, mais ce faisceau est divisé en deux parties en sorte que les extrémités des tubes appartenant respectivement aux deux parties sont reçues dans deux plaques collectrices distinctes, et non pas dans une seule plaque collectrice comme dans la technique antérieure.
Ces deux plaques collectrices distinctes sont à chaque fois séparées l'une de l'autre par un tube du faisceau, que l'on appelle "tube inactif", car ce tube n'est parcouru par aucun fluide et joue simplement le rôle d'une barrière thermique entre les plaques collectrices.
Il en résulte que, même si les deux parties du faisceau sont parcourues par des fluides à des températures très éloignées l'une de l'autre, aucune détérioration ne risque de se produire du fait que les deux parties ont des plaques collectrices et des boítes collectrices totalement distinctes.
Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, le faisceau est formé par un empilement alterné de tubes plats et d'ailettes réalisées sous la forme d'intercalaires ondulés.
Les tubes plats précités sont avantageusement du type multi-canaux.
Les plaques collectrices et les boítes collectrices peuvent être assemblées entre elles, soit mécaniquement avec interposition d'un joint d'étanchéité, soit encore par brasage.
L'invention s'applique tout particulièrement au cas où le faisceau comprend deux parties propres à être balayées par un même flux d'air de refroidissement. Bien entendu, ce faisceau pourrait comprendre plus de deux parties, toujours balayées par un même flux d'air de refroidissement.
Dans une application préférentielle de l'invention, une partie du faisceau constitue un radiateur de refroidissement d'un moteur thermique, et une autre partie du faisceau constitue un radiateur de refroidissement de l'air de suralimentation dudit moteur.
Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère au dessin annexé, sur lequel la figure unique représente une vue en perspective partielle, avec éclatement, d'un échangeur de chaleur selon l'invention.
L'échangeur de chaleur représenté sur le dessin annexé comprend un faisceau unique 1 formé par un empilement alterné de tubes plats 2 et d'ailettes 3 constituées par des intercalaires ondulés.
Les tubes 2 sont des tubes dits "bi-canaux" obtenus par pliage et brasage d'une tôle métallique, en particulier à base d'aluminium. Chacun des tubes définit intérieurement deux canaux parallèles 4 pour la circulation d'un fluide.
Les ailettes 3 sont formées habituellement du même matériau métallique et ces dernières sont reliées par brasage aux tubes 2.
Les tubes du faisceau sont identiques entre eux et sont divisés en une première série de tubes 2a destinés à être parcourus par un premier fluide F1 et en une deuxième série de tubes 2b destinés à être parcourus par un deuxième fluide F2.
Dans l'exemple, le premier fluide F1 est constitué par le liquide de refroidissement (habituellement de l'eau additionnée d'un antigel) d'un moteur thermique, en particulier de véhicule automobile. Le deuxième fluide F2 est constitué par de l'air de suralimentation dudit moteur thermique.
Il est rappelé ici que la suralimentation d'un moteur thermique consiste à alimenter celui-ci en air comprimé et non directement en air atmosphérique, de façon à augmenter la masse d'oxygène disponible dans les chambres de combustion. La compression de l'air s'accompagne d'une forte élévation de température et il est donc nécessaire de refroidir cet air.
Les ailettes définissent entre les tubes des espaces libres pour la circulation d'un flux d'air de refroidissement F3 qui est commun à tous les tubes du faisceau.
Le faisceau 10 comprend un tube particulier 2i, dit "tube inactif", qui sépare les tubes 2a des tubes 2b. Ce tube inactif 2i constitue une barrière thermique qui sépare une première partie P1 du faisceau constituée des tubes 2a et des ailettes associées et d'une deuxième partie P2 du faisceau constituée des tubes 2b et des ailettes associées.
En effet, le fluide F1 et le fluide F2 peuvent avoir des températures très différentes, susceptibles d'engendrer des contraintes dans le faisceau. A titre d'exemple, la température du fluide F1 (liquide de refroidissement) peut varier de la valeur ambiante jusqu'à environ 100°C, alors que le fluide F2 (air de suralimentation) peut atteindre des températures de l'ordre de 150°C ou davantage , ce qui conduit à des phénomènes de dilatation différentielle entre les tubes 2a et les tubes 2b.
Les tubes 2a ont des extrémités 5a, encore appelées "pieds de tubes", reçues dans des ouvertures d'une plaque collectrice 6, encore appelée "collecteur", qui est assemblée à une boíte collectrice 7. L'ensemble constitué par la plaque collectrice 6 et la boíte collectrice 7 délimite un volume servant de compartiment d'entrée (ou de sortie) pour le fluide F1.
La plaque collectrice 6 comporte un bord périphérique 8 délimitant une gouttière dans laquelle est reçu un rebord périphérique 9 de la boite collectrice 7, avec interposition d'un joint d'étanchéité 10. Le bord 8 de la plaque collectrice 6 est crénelé et rabattu contre le rebord 9 de la boite collectrice 16 pour former des pattes repliées 11.
Les tubes 2b ont des extrémités respectives 5b reçues dans des ouvertures d'une autre plaque collectrice 12 qui est distincte de la plaque collectrice 6 et séparée de cette dernière par le tube inactif 2i.
De même, la plaque collectrice 12 est assemblée à une autre boíte collectrice 13. La plaque collectrice 12 comprend un bord périphérique 14 délimitant une gouttière périphérique dans laquelle est reçue un rebord périphérique 15 de la boíte collectrice 13 avec interposition d'un joint d'étanchéité 16.
La plaque collectrice 12 et la boíte collectrice 13 définissent conjointement un volume servant de compartiment d'entrée (ou de sortie) pour le fluide F2.
Il en résulte que l'ensemble formé par la plaque collectrice 6 et la boíte collectrice 7, d'une part, et l'ensemble formé par la plaque collectrice 12 et la boíte collectrice 13, d'autre part, sont totalement distincts, bien qu'ils se raccordent à un même faisceau de tubes.
Par conséquent, si les tubes 2a et les tubes 2b sont parcourus par des fluides ayant des températures très différentes, et donc soumis à des phénomènes de dilatation différentielle importants, cela n'entraíne aucune contrainte au niveau des plaques collectrices et des boítes collectrices.
Ainsi, l'invention permet de s'affranchir de ces phénomènes de dilatation différentielle tout en conservant l'avantage d'utiliser un seul faisceau constitué de tubes tous identiques. Etant donné que l'échangeur comprend des boítes collectrices différentes, il est possible de former ces dernières à partir de matériaux différents. Par exemple, la boíte collectrice 7 peut être réalisée en matière plastique et la boíte collectrice 13 en matière métallique.
La figure du dessin montre une seule extrémité du faisceau. Ce dernier comporte une extrémité opposée qui est équipée de deux autres plaques collectrices analogues et également de deux autres boítes collectrices analogues.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite précédemment à titre d'exemple.
Ainsi, on comprendra que l'assemblage entre une plaque collectrice et une boíte collectrice peut être effectué non seulement par voie mécanique, c'est-à-dire avec interposition d'un joint d'étanchéité comme décrit précédemment, mais aussi par brasage.
En outre, l'échangeur de chaleur de l'invention peut comporter plus de deux parties de manière à être traversé par plus de deux fluides différents. En pareil cas, il faut prévoir au moins deux tubes inactifs séparant au moins trois séries différentes de tubes du faisceau.
Egalement, l'invention n'est pas limitée au cas particulier d'un échangeur de chaleur comprenant une partie formant radiateur de refroidissement d'un moteur thermique et une autre partie formant refroidisseur de l'air de suralimentation de ce moteur.

Claims (7)

  1. Echangeur de chaleur comprenant un seul faisceau (1) de tubes (2a, 2b, 2i) et d'ailettes (3) divisé en au moins deux parties (P1, P2) séparées par un tube (2i) du faisceau, dit "tube inactif", et propres à être parcourues par des fluides différents (F1, F2), qui sont destinés à être refroidis par un milieu de refroidissement commun (F3) balayant le faisceau, et dans lequel les extrémités des tubes sont reçues dans des plaques collectrices reliées à des boítes collectrices,
    caractérisé en ce que, à chaque extrémité du faisceau (1), les extrémités (5a, 5b) des tubes (2a, 2b) sont reliées à au moins deux plaques collectrices distinctes (6, 12), séparées l'une de l'autre par le tube inactif (2i) du faisceau, en ce que le tube inactif (2i) du faisceau est identique aux autres tubes (2a, 2b) du faisceau, et en ce que les deux plaques collectrices (6, 12) sont assemblées respectivement à des boítes collectrices distinctes (7, 13) propres à être traversées respectivement par les fluides (F1, F2).
  2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau (1) est formé par un empilement alterné de tubes plats (2a, 2b, 2i) et d'ailettes (3) réalisées sous la forme d'intercalaires ondulés.
  3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les tubes plats (2a, 2b ,2i) sont multi-canaux.
  4. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les plaques collectrices (6, 12) et les boítes collectrices (7, 13) sont assemblées mécaniquement avec interposition d'un joint d'étanchéité (10, 16).
  5. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les plaques collectrices (6, 12) et les boítes collectrices (7, 13) sont assemblées par brasage.
  6. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le faisceau (1) comprend deux parties (P1, P2) propres à être balayées par un même flux d'air de refroidissement (F3).
  7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une partie (P1) du faisceau (1) constitue un radiateur de refroidissement d'un moteur thermique, et qu'une autre partie (P2) du faisceau (1) constitue un radiateur de refroidissement de l'air de suralimentation dudit moteur.
EP19990107729 1998-04-20 1999-04-19 Echangeur de chaleur multifonction, en particulier pour véhicule automobile Expired - Lifetime EP0952418B1 (fr)

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