EP1063487A1 - Echangeur de chaleur à plaques, en particulier pour le refroidissement d'une huile de véhicule automobile - Google Patents

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EP1063487A1 EP00401419A EP00401419A EP1063487A1 EP 1063487 A1 EP1063487 A1 EP 1063487A1 EP 00401419 A EP00401419 A EP 00401419A EP 00401419 A EP00401419 A EP 00401419A EP 1063487 A1 EP1063487 A1 EP 1063487A1
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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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 suitable for good 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 invention provides for this purpose a heat exchanger of type defined in the introduction, in which the peripheral edge statement of each of the plates is substantially planar and shaped with the direction of assembly or stacking an acute angle a with a chosen value greater than or equal to 10 °.
  • the value of the acute angle ⁇ is less than or equal to 45 °.
  • the first channels and the second channels are free of disturbing elements.
  • the plates are formed by stamping a metal sheet, preferably based on aluminum.
  • the raised edges of the plates are advantageously assembled between them by soldering.
  • 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 10, also called “half-blades”, stacked in a direction of assembly or stacking D, according to an assembly technique called "scales".
  • the plates 10 are here similar to each other and have each a bottom 12 surrounded by a peripheral edge 14 which is generally flat and raised upwards.
  • the bottom 12 a here the general shape of a rectangle with rounded angles, but could have another form for example that of a square with rounded corners.
  • the bottom 12 is here shown plan, but could alternatively present embossed or projecting reliefs, for example ribs or ripples.
  • the plates 10 are formed by stamping a sheet metallic, preferably based on aluminum, which is advantageously coated with solder plating on at least one of its faces.
  • the plates 10 are stacked in the direction D and thus come into mutual contact at their periphery by their respective raised edges 14, which are brazed together to ensure a tight mechanical connection ( Figures 1 and 2).
  • the heat exchanger further includes (Figure 1) a inlet manifold 16 and outlet manifold 18 for a first fluid F1, as well as an inlet pipe 20 and a outlet pipe 22 for a second fluid F2.
  • the plates 10 thus delimit between them channels 24 for the first fluid F1 which alternate with channels 26 for the second fluid F2 ( Figure 2).
  • each of the plates 10 form with the direction of assembly or stacking D at an angle acute ⁇ with a chosen value greater than or equal to 10 ° (figure 2). Furthermore, this chosen value is preferably lower. or equal to 45 °.
  • Tubes 16, 18, 20 and 22 extend inside of the stack and means are provided for making communicate the pipes 16 and 18 with the first channels 24, on the one hand, and the pipes 20 and 22 with the second channels 26, 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.
  • channels 24 and 26 are generally devoid of disturbing elements suitable for modifying the flow regime of fluids in the heat exchanger, as can be seen in the figure 2.
  • disturbing elements 28 are provided only in the channels 26 traversed by the fluid F2, while the channels 24 traversed by the fluid F1 lack them.
  • the disturbing elements 28 can be formed for example by reliefs from plates 10.
  • 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 une multiplicité de plaques empilées (10) munies chacune d'un bord périphérique relevé (14) et lesdits bords périphériques sont assemblés de manière étanche pour délimiter entre les plaques des premiers canaux d'écoulement (24) pour un premier fluide qui alternent avec des seconds canaux d'écoulement (26) pour un second fluide (F2). Le bord périphérique relevé (14) de chacune des plaques (10) est sensiblement plan et forme avec la direction (D) d'assemblage ou empilage un angle aigu (a) d'une valeur choisie supérieur ou égale à 10°. 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 est dépourvu ou pratiquement dépourvu d'éléments perturbateurs rapportés.
L'invention vise également à procurer un tel échangeur de chaleur à plaques propre à permettre un bon échange thermique entre les deux fluides, sans augmentation de la perte de charge du circuit du premier fluide et du circuit du second fluide.
Elle vise en outre à favoriser un bon empilage et un bon assemblage des plaques favorisant l'étanchéité des canaux vis-à-vis du milieu extérieur.
L'invention propose à cet effet un échangeur de chaleur du type défini en introduction, dans lequel le bord périphérique relevé de chacune des plaques est sensiblement plan et forme avec la direction d'assemblage ou empilage un angle aigu a d'une valeur choisie supérieure ou égale à 10°.
Il a été constaté en effet que cette valeur choisie de l'angle α favorise un bon assemblage des bords relevés des plaques et donc un bon empilage des plaques. Ceci permet d'assurer l'étanchéité de l'échangeur de chaleur vis à vis de l'extérieur, après liaison des bords relevés, par exemple par une opération de brasage.
De préférence, la valeur de l'angle aigu α est inférieure ou égale à 45°.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la valeur de l'angle aigu α est liée à l'épaisseur e de la plaque et à la hauteur h d'un canal par la relation : sin α = e / (h+e).
Ainsi, connaissant l'épaisseur e de la plaque et en fixant la hauteur moyenne h d'un canal, par exemple en fonction des caractéristiques du fluide qui doit y circuler, on peut en déduire la valeur de l'angle aigu α.
De préférence, les premiers canaux et les seconds canaux sont dépourvus d'éléments perturbateurs.
Toutefois, pour certaines applications, il est envisageable que seuls les premiers canaux ou les seconds canaux soient munis d'éléments perturbateurs. Ces éléments sont avantageusement formés par des reliefs issus des plaques.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les plaques sont formées par emboutissage d'une tôle métallique, de préférence à base d'aluminium.
Les bords relevés des 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 coupe analogue à la figure 2, dans une variante de réalisation
L'échangeur de chaleur représenté à la figure 1 comprend une multiplicité de plaques 10, encore appelées "demi-lames", empilées suivant une direction d'assemblage ou empilage D, selon une technique d'assemblage dite "en écailles".
Les plaques 10 sont ici semblables entre elles et présentent chacune un fond 12 entouré par un bord périphérique 14 qui est généralement plan et relevé vers le haut. Le fond 12 a ici la forme générale d'un rectangle aux angles arrondis, mais pourrait avoir une autre forme par exemple celle d'un carré aux angles arrondis. De même, le fond 12 est ici représenté plan, mais pourrait en variante présenter des reliefs en creux ou en saillie, par exemple des nervures ou des ondulations.
Les plaques 10 sont formées par emboutissage d'une tôle métallique, de préférence à base d'aluminium, qui est avantageusement revêtue d'un placage de brasure sur l'une au moins de ses faces.
Les plaques 10 sont empilées suivant la direction D et viennent ainsi en contact mutuel à leur périphérie par leurs bords relevés respectifs 14, qui sont brasés ensemble pour assurer une liaison mécanique étanche (figures 1 et 2).
L'échangeur de chaleur comprend en outre (figure 1) une tubulure d'entrée 16 et une tubulure de sortie 18 pour un premier fluide F1, ainsi qu'une tubulure d'entrée 20 et une tubulure de sortie 22 pour un second fluide F2.
Par ailleurs, les plaques 10 délimitent ainsi entre elles des canaux 24 pour le premier fluide F1 qui alternent avec des canaux 26 pour le second fluide F2 (figure 2).
Le bord périphérique relevé 14 de chacune des plaques 10 forme avec la direction d'assemblage ou empilage D un angle aigu α d'une valeur choisie supérieure ou égale à 10° (figure 2). En outre cette valeur choisie est de préférence inférieure ou égale à 45°.
Il a été constaté en effet que le choix d'une telle valeur angulaire autorise un bon empilage des plaques et un bon assemblage de leurs bords relevés respectifs. Il en résulte une bonne liaison par brasage des bords relevés garantissant l'étanchéité des canaux vis à vis du milieu extérieur.
Si l'on désigne par e l'épaisseur d'une plaque 10 et h la hauteur d'un canal 24 ou 26 (figure 2), la valeur de l'angle aigu (α) est liée à cette épaisseur e et à cette hauteur h par la relation : sin α = e / (h+e).
Ainsi, connaissant l'épaisseur e et fixant la hauteur h (en fonction des caractéristiques du fluide devant le traverser), on en déduit la valeur optimale de l'angle α, à condition en plus que cette valeur soit supérieure ou égale à 10°.
Les tubulures 16, 18, 20 et 22 se prolongent à l'intérieur de la pile et il est prévu des moyens permettant de faire communiquer les tubulures 16 et 18 avec les premiers canaux 24, d'une part, et les tubulures 20 et 22 avec les seconds canaux 26, 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.
Compte tenu des caractéristiques précitées, les canaux 24 et 26 sont généralement dépourvus d'éléments perturbateurs propres à modifier le régime d'écoulement des fluides dans l'échangeur de chaleur, comme on peut le voir sur la figure 2.
Toutefois il peut être envisagé dans certains cas de prévoir des éléments perturbateurs soit seulement dans les premiers canaux, soit seulement dans les seconds canaux. Dans la forme de réalisation de la figure 3, des éléments perturbateurs 28 sont prévus seulement dans les canaux 26 parcourus par le fluide F2, alors que les canaux 24 parcourus par le fluide F1 en sont dépourvus. Les éléments perturbateurs 28 peuvent être formés par exemple par des reliefs issus des plaques 10.
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 un bon échange thermique entre les deux fluides, sans augmentation 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 munis 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 (9)

  1. Echangeur de chaleur comprenant une multiplicité de plaques empilées (10) munies chacune d'un bord périphérique relevé (14) et dans lequel lesdits bords périphériques sont assemblés de manière étanche pour délimiter entre les plaques des premiers canaux d'écoulement (24) pour un premier fluide (F1) qui alternent avec des seconds canaux d'écoulement (26) pour un second fluide (F2),
    caractérisé en ce que le bord périphérique relevé (14) de chacune des plaques (10) est sensiblement plan et forme avec la direction d'assemblage ou empilage (D) un angle aigu (α) d'une valeur choisie supérieure ou égale à 10°.
  2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur de l'angle aigu (α) est inférieure ou égale à 45°.
  3. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la valeur de l'angle aigu (α) est liée à l'épaisseur (e) de la plaque (10) et à la hauteur (h) d'un canal (24, 26) par la relation : sin α = e / (h+e).
  4. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les premiers canaux (24) et les seconds canaux (26) sont dépourvus d'éléments perturbateurs.
  5. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que seuls les premiers canaux (24) ou les seconds canaux (26) sont munis d'éléments perturbateurs (28).
  6. Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les éléments perturbateurs (28) sont formés par des reliefs issus des plaques (10)
  7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les plaques (10) sont formées par emboutissage d'une tôle métallique, de préférence à base d'aluminium.
  8. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les bords relevés (14) des plaques (10) sont assemblés entre eux par brasage.
  9. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 8, 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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