EP1063486A1 - Echangeur de chaleur à plaques, en particulier refroidisseur d'huile pour véhicule automobile - Google Patents

Echangeur de chaleur à plaques, en particulier refroidisseur d'huile pour véhicule automobile Download PDF

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EP1063486A1 EP00401418A EP00401418A EP1063486A1 EP 1063486 A1 EP1063486 A1 EP 1063486A1 EP 00401418 A EP00401418 A EP 00401418A EP 00401418 A EP00401418 A EP 00401418A EP 1063486 A1 EP1063486 A1 EP 1063486A1
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    • F28F3/042—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element in the form of local deformations of the element
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    • 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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    • F28D9/005—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the plates having openings therein for circulation of at least one heat-exchange medium from one conduit to another the plates having openings therein for both heat-exchange media
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    • 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
    • F28D2021/0089—Oil coolers

Definitions

  • the invention relates to heat exchangers, in particular for motor vehicles.
  • It relates more particularly to a heat exchanger comprising a multiplicity of stacked plates provided each of a raised peripheral edge, and in which said peripheral edges are tightly assembled to delimit between the plates the first flow channels for a first fluid which alternate with second channels flow for a second fluid.
  • a heat exchanger of this type also called a “heat exchanger with plates “, or” blade exchanger ", is known in particular according to the publication DE-A-195 11 991.
  • Such a heat exchanger heat is used for example as a cooler automotive oil, for cooling engine oil or cooling the oil of the automatic gearbox, by exchange thermal with coolant, usually the one used to cool the vehicle engine.
  • the plates are usually made by stamping a metal sheet, and are stacked so that their peripheral edges respective fit into each other and be then brazed together to seal, which used to define fluid circulation channels.
  • the heat exchanger thus results from a stack of plates and does not require a housing.
  • An inlet manifold and a manifold are then provided. outlet for a first fluid which communicate with a first series of channels, as well as an inlet pipe and an outlet for a second fluid which communicate with a second set of channels, so that the channels of the first series alternate with the channels of the second series.
  • the plates have openings located to the right of the aforementioned tubing and alternatively sealed, or by stampings, either by added rings, to ensure or prohibit the passage of one or the other fluid.
  • the plates have a generally planar bottom and is provided in each flow channel, a disturbing element for favor a turbulent flow of the fluid and therefore the exchange thermal.
  • the object of the invention is in particular to overcome the drawbacks cited above.
  • the invention also aims to provide such a heat exchanger plate heat to improve heat exchange between the two fluids, without increasing the loss of load of the circuit of the first fluid and of the circuit of the second fluid.
  • the hydraulic diameter can be expressed by the aforementioned simplified relation.
  • the value of the hydraulic diameter D h is substantially equal to 1.8 mm.
  • the undulations of a first plate and the undulations of a second plate are preferably in mutual contact locally.
  • the undulations of the first plates and the undulations of the second plates are advantageously substantially shaped sinusoidal.
  • the first plates and the second plates are formed by stamping a metal sheet, preferably based on aluminum.
  • the raised edges of the first plates and the seconds plates are advantageously assembled together by brazing.
  • the exchanger heat is realized in the form of a cooler motor vehicle oil, in which one of the fluids is engine oil or transmission oil automatic vehicle speeds while the other fluid is a coolant.
  • the heat exchanger shown in Figure 1 includes a multiplicity of plates, or blades, stacked according to a assembly technique known as "in scales".
  • the heat exchanger heat includes first plates 10 which alternate with second plates 12 of different configuration.
  • the first plates 10 each have a bottom 14 surrounded by a peripheral edge 16 raised upwards.
  • the bottom 14 is provided with corrugations 18, of shape substantially sinusoidal, defined by parallel generatrices between which extend in a first direction D1 (figure 3).
  • the bottom 20 comprises corrugations 24 of substantially sinusoidal shape, defined by generators extending in a second direction D2 which is substantially perpendicular to the first direction D1 ( Figure 3).
  • the plates 10 and 12 are formed by stamping a sheet metallic preferably based on aluminum. They have in example a general rectangular shape but could present another shape provided that their edges are raised can fit two by two.
  • the heat exchanger further includes (Figure 1) a inlet tubing 26 and outlet tubing 28 for a first fluid F1, as well as an inlet pipe 30 and a outlet pipe 32 for a second fluid F2.
  • the plates 10 and 12 are stacked and thus come in mutual contact at their periphery by their raised edges respectively 16 and 22, which are brazed together to provide a waterproof mechanical connection.
  • the corrugations 18 of a first plate are in contact with the corrugations 24 of a second plate adjacent.
  • the plates 10 and 12 thus delimit between them channels 34 for the first fluid F1 which alternate with channels 36 for the second fluid F2.
  • Tubing 26, 28, 30 and 32 extend inside of the stack and means are provided for making communicate the pipes 26 and 28 with the first channels 34, on the one hand, and the pipes 30 and 32 with the second channels 36, on the other hand. These means of communication, in themselves known, are not described. Details on this can be found in particular in publication DE-A-195 11 991 cited above.
  • the respective undulations 18 and 24 make it possible to give the channels a special three-dimensional structure which promotes turbulent flow of fluid F1 and fluid F2 and, therefore, good heat exchange between them. This removes disruptive elements which, up to present, had been considered necessary in this type of plate heat exchangers.
  • the diameter hydraulic of channels 34 and 36 has a selected value.
  • h represents half of the maximum spacing between the respective peaks 38 and 40 respective corrugations 18, 24 of a first plate 10 and a second adjacent plate 12.
  • the value of the hydraulic diameter D h must be between 1 and 3 mm.
  • this value is substantially equal to 1.8 mm.
  • the heat exchanger advantageously constitutes a cooler oil. It can be used to cool the oil of the engine or the oil of the automatic gearbox of a motor vehicle. In this case, one of the fluids is made up of this oil, while the other fluid is consisting of a cooling fluid. This last one is advantageously the liquid which is usually used for motor vehicle engine cooling.
  • the heat exchanger When the heat exchanger is used to cool engine oil, it is then fixed either directly on the engine block, either on a connected filtration unit directly to the engine.
  • the exchanger can then be connected to the coolant circuit through conduits.
  • the heat exchanger can be connected directly to the oil pan of the gearbox speeds.

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Abstract

Un échangeur de chaleur comprend des premières plaques (10) et des secondes plaques (12) empilées et disposées en alternance et présentant des fonds respectifs (14 ; 20) ayant des ondulations (18 ; 24) s'étendant dans des directions sensiblement perpendiculaires entre elles pour délimiter entre les plaques des premiers canaux d'écoulement (34) pour un premier fluide qui alternent avec des seconds canaux d'écoulement (36) pour un second fluide, en sorte qu'un canal (34, 36) possède un diamètre hydraulique (Dh) de valeur choisie, définie par la relation : Dh = 2.h, où h représente la demi-hauteur du canal, et que la valeur du diamètre hydraulique Dh est comprise entre 1 et 3 mm. L'échangeur de chaleur peut constituer notamment un refroidisseur d'huile pour véhicule automobile.

Description

L'invention se rapporte aux échangeurs de chaleur, notamment pour véhicules automobiles.
Elle concerne plus particulièrement un échangeur de chaleur comprenant une multiplicité de plaques empilées munies chacune d'un bord périphérique relevé, et dans lequel lesdits bords périphériques sont assemblés de manière étanche pour délimiter entre les plaques des premiers canaux d'écoulement pour un premier fluide qui alternent avec des seconds canaux d'écoulement pour un second fluide.
Un échangeur de chaleur de ce type, appelé aussi "échangeur à plaques", ou "échangeur à lames", est connu en particulier d'après la publication DE-A-195 11 991. Un tel échangeur de chaleur est utilisé par exemple en tant que refroidisseur d'huile pour véhicule automobile, pour assurer le refroidissement de l'huile du moteur ou encore le refroidissement de l'huile de la boíte de vitesses automatique, par échange thermique avec un fluide de refroidissement, habituellement celui qui sert au refroidissement du moteur du véhicule.
Dans un échangeur de chaleur de ce type, les plaques sont réalisées habituellement par emboutissage d'une tôle métallique, et sont empilées, en sorte que leurs bords périphériques respectifs s'emboítent les uns dans les autres et soient ensuite brasés entre eux pour assurer l'étanchéité, ce qui permet de définir des canaux de circulation de fluide. L'échangeur de chaleur résulte ainsi d'un empilage de plaques et ne nécessite pas de boítier.
On prévoit alors une tubulure d'entrée et une tubulure de sortie pour un premier fluide qui communiquent avec une première série de canaux, ainsi qu'une tubulure d'entrée et une tubulure de sortie pour un second fluide qui communiquent avec une deuxième série de canaux, en sorte que les canaux de la première série alternent avec les canaux de la deuxième série.
Les plaques possèdent des ouvertures situées au droit des tubulures précitées et alternativement rendues étanches, soit par des emboutis, soit par des bagues rapportées, pour assurer ou interdire le passage de l'un ou l'autre fluide.
Dans les échangeurs de chaleur connus de ce type, les plaques présentent un fond généralement plan et il est prévu, dans chaque canal d'écoulement, un élément perturbateur pour favoriser un écoulement turbulent du fluide et donc l'échange thermique.
En outre, il est généralement nécessaire de prévoir des éléments perturbateurs différents pour le premier et le second fluides, ce qui complique la fabrication de l'échangeur de chaleur.
L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients précités.
Elle vise en particulier à procurer un échangeur de chaleur à plaques du type défini précédemment, qui ne comporte pas d'éléments perturbateurs.
L'invention vise également à procurer un tel échangeur de chaleur à plaques propre à améliorer l'échange thermique entre les deux fluides, sans augmentation de la perte de charge du circuit du premier fluide et du circuit du second fluide.
L'invention propose à cet effet un échangeur de chaleur du type défini en introduction, lequel comprend des premières plaques présentant chacune un fond ondulé avec des ondulations définies par des génératrices s'étendant dans une première direction et des secondes plaques disposées en alternance avec les premières plaques et présentant chacune un fond ondulé avec des ondulations définies par des génératrices s'étendant dans une seconde direction qui est sensiblement perpendiculaire à la première direction, et dans lequel chaque canal possède un diamètre hydraulique (Dh) de valeur choisie, définie par la relation : Dh =2 x h, où h représente la demi-hauteur du canal, c'est-à-dire la moitié de l'espacement maximal entre les crêtes respectives des ondulations d'une première plaque et les crêtes respectives des ondulations d'une seconde plaque adjacente.
On définit ainsi des canaux tridimensionnels de forme particulière délimités chacun entre deux fonds ondulés, dont les ondulations respectives s'étendent dans des directions sensiblement perpendiculaires entre elles.
Ces ondulations donnent une valeur du diamètre hydraulique déterminée et égale pour les deux fluides.
On rappellera que pour un tel canal tridimensionnel, le diamètre hydraulique est défini par la relation : Dh = 4 X Volume occupé par le fluide/Surface mouillée.
Dans le cas de l'invention, le diamètre hydraulique peut être exprimé par la relation simplifiée précitée.
Il a été constaté que, lorsque la valeur du diamètre hydraulique Dh est choisie et est comprise entre 1 et 3 mm, on obtient un échange thermique optimal entre les deux fluides, sans augmentation de la perte de charge de l'un et l'autre de ces fluides.
De façon avantageuse, la valeur du diamètre hydraulique Dh est sensiblement égale à 1,8 mm.
Dans l'invention, les ondulations d'une première plaque et les ondulations d'une seconde plaque sont de préférence en contact mutuel localement.
Les ondulations des premières plaques et les ondulations des secondes plaques sont avantageusement de forme sensiblement sinusoïdale.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les premières plaques et les secondes plaques sont formées par emboutissage d'une tôle métallique, de préférence à base d'aluminium.
Les bords relevés des premières plaques et des secondes plaques sont avantageusement assemblés entre eux par brasage.
Dans une application préférentielle de l'invention, l'échangeur de chaleur est réalisé sous la forme d'un refroidisseur d'huile pour véhicule automobile, dans lequel l'un des fluides est l'huile du moteur ou l'huile de la boíte de vitesses automatique du véhicule, tandis que l'autre fluide est un fluide de refroidissement.
Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels :
  • la figure 1 est une vue en perspective d'un échangeur de chaleur à plaques selon l'invention ;
  • la figure 2 est une vue partielle en coupe de l'échangeur de chaleur de la figure 1 ; et
  • la figure 3 est une vue partielle en perspective éclatée d'une première plaque et d'une seconde plaque adjacentes faisant partie de l'échangeur de chaleur de la figure 1.
L'échangeur de chaleur représenté à la figure 1 comprend une multiplicité de plaques, ou lames, empilées selon une technique d'assemblage dite "en écailles". L'échangeur de chaleur comprend des premières plaques 10 qui alternent avec des secondes plaques 12 de configuration différente.
Les premières plaques 10 présentent chacune un fond 14 entouré par un bord périphérique 16 relevé vers le haut. Le fond 14 est muni d'ondulations 18, de forme sensiblement sinusoïdale, définies par des génératrices parallèles entre elles qui s'étendent dans une première direction D1 (figure 3).
Les secondes plaques 12, disposées en alternance avec les premières plaques 10, présentent chacune un fond 20 entouré par un bord périphérique relevé 22, ayant une forme homologue de celle du bord périphérique 16 précité. Le fond 20 comporte des ondulations 24 de forme sensiblement sinusoïdale, définies par des génératrices s'étendant dans une seconde direction D2 qui est sensiblement perpendiculaire à la première direction D1 (figure 3).
Les plaques 10 et 12 sont formées par emboutissage d'une tôle métallique de préférence à base d'aluminium. Elles ont dans l'exemple une forme générale rectangulaire mais pourraient présenter une autre forme à condition que leurs bords relevés puissent s'emboíter deux à deux.
L'échangeur de chaleur comprend en outre (figure 1) une tubulure d'entrée 26 et une tubulure de sortie 28 pour un premier fluide F1, ainsi qu'une tubulure d'entrée 30 et une tubulure de sortie 32 pour un second fluide F2.
Les plaques 10 et 12 sont empilées et viennent ainsi en contact mutuel à leur périphérie par leurs bords relevés respectifs 16 et 22, qui sont brasés ensemble pour assurer un liaison mécanique étanche.
Par ailleurs, les ondulations 18 d'une première plaque sont en contact avec les ondulations 24 d'une seconde plaque adjacente. Les plaques 10 et 12 délimitent ainsi entre elles des canaux 34 pour le premier fluide F1 qui alternent avec des canaux 36 pour le second fluide F2.
Les tubulures 26, 28, 30 et 32 se prolongent à l'intérieur de la pile et il est prévu des moyens permettant de faire communiquer les tubulures 26 et 28 avec les premiers canaux 34, d'une part, et les tubulures 30 et 32 avec les seconds canaux 36, d'autre part. Ces moyens de communication, en eux-mêmes connus, ne sont pas décrits. Des détails à ce sujet peuvent être trouvés notamment dans la publication DE-A-195 11 991 précitée.
Les ondulations respectives 18 et 24 permettent de donner aux canaux une structure tridimensionnelle particulière qui favorise un écoulement turbulent du fluide F1 et du fluide F2 et, par conséquent, un bon échange thermique entre eux. Ceci permet de supprimer les éléments perturbateurs qui, jusqu'à présent, avaient été considérés comme nécessaires dans ce type d'échangeurs de chaleur à plaques.
Dans l'invention, il est en outre essentiel que le diamètre hydraulique des canaux 34 et 36 ait une valeur choisie.
En règle générale, le diamètre hydraulique est défini par la relation Dh = 4 x Volume occupé par le fluide/Surface mouillée.
Ici, dans le cas d'un canal de faible épaisseur, le diamètre hydraulique Dh peut être exprimé, d'une façon simplifiée, par la relation suivante : Dh = 2 x h, où h représente la demi-hauteur du canal.
En se reportant aux figures 2 et 3, h représente la moitié de l'espacement maximal entre les crêtes respectives 38 et 40 des ondulations respectives 18, 24 d'une première plaque 10 et d'une deuxième plaque 12 adjacentes.
Ici, la valeur du diamètre hydraulique Dh doit être comprise entre 1 et 3 mm. Avantageusement, cette valeur est sensiblement égale à 1,8 mm.
L'échangeur de chaleur constitue avantageusement un refroidisseur d'huile. Il peut être utilisé pour refroidir l'huile du moteur ou l'huile de la boíte de vitesses automatique d'un véhicule automobile. Dans ce cas, l'un des fluides est constitué par cette huile, tandis que l'autre fluide est constitué par un fluide de refroidissement. Ce dernier est avantageusement le liquide qui sert habituellement au refroidissement du moteur du véhicule automobile.
Lorsque l'échangeur de chaleur est utilisé pour refroidir l'huile du moteur, il est alors fixé soit directement sur le bloc-moteur, soit sur un boítier de filtration connecté directement au moteur. L'échangeur peut être alors relié au circuit du fluide de refroidissement par des conduits.
Dans le cas du refroidissement de l'huile de la boíte de vitesses automatique, l'échangeur de chaleur peut être raccordé directement au carter d'huile de la boíte de vitesses.
Il a été constaté qu'un tel échangeur de chaleur permet une amélioration de l'échange thermique entre les deux fluides, sans variation de la perte de charge du circuit d'huile et du circuit du liquide de refroidissement. Des essais ont montré que, par rapport à un échangeur de chaleur à plaques classique muni de perturbateurs, l'échangeur de chaleur selon l'invention dégage un puissance thermique qui peut être supérieure de 15% et une perte de charge qui peut être réduite de 30 à 40 %.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite précédemment à titre exemple mais s'étend également à d'autres variantes.

Claims (7)

  1. Echangeur de chaleur comprenant une multiplicité de plaques empilées (10 ; 12) munies chacune d'un bord périphérique relevé (16 ; 22) et dans lequel lesdits bords périphériques sont assemblés de manière étanche pour délimiter entre les plaques des premiers canaux d'écoulement (34) pour un premier fluide (F1) qui alternent avec des seconds canaux d'écoulement (36) pour un second fluide (F2),
    caractérisé en ce qu'il comprend des premières plaques (10) présentant chacune un fond (14) ayant des ondulations (18) définies par des génératrices s'étendant dans une première direction (D1) et des secondes plaques (12) disposées en alternance avec les premières plaques (10) et présentant chacune un fond (20) ayant des ondulations (24) définies par des génératrices s'étendant dans une seconde direction (D2) qui est sensiblement perpendiculaire à la première direction (D1), et en ce que chaque canal (34 ; 36) possède un diamètre hydraulique (Dh) de valeur choisie, définie par la relation Dh = 2.h, où h représente la demi-hauteur du canal, c'est à dire la moitié de l'espacement maximal entre les crêtes respectives (38 ; 40) des ondulations respectives (18 ; 24) d'une première plaque (10) et d'une seconde plaque (12) adjacentes, et en ce que la valeur du diamètre hydraulique Dh est comprise entre 1 et 3 mm.
  2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur du diamètre hydraulique Dh est sensiblement égale à 1,8 mm.
  3. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les ondulations (18) d'une première plaque (10) et les ondulations (24) d'une seconde plaque (12) sont en contact mutuel localement.
  4. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les ondulations (18) des premières plaques (10) et les ondulations (24) des secondes plaques (12) sont de forme sensiblement sinusoïdale.
  5. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les premières plaques (10) et les secondes plaques (12) sont formées par emboutissage d'une tôle métallique, de préférence à base d'aluminium.
  6. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les bords relevés (16, 22) des premières plaques (10) et des secondes plaques (12) sont assemblés entre eux par brasage.
  7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'un des fluides est l'huile d'un moteur ou l'huile d'une boíte de vitesses automatique d'un véhicule automobile, tandis que l'autre fluide est un fluide de refroidissement.
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