EP1546627B1

EP1546627B1 - Echangeur de chaleur a plaques, en particulier pour vehicles automobiles

Info

Publication number: EP1546627B1
Application number: EP03817372.0A
Authority: EP
Inventors: Christophe Chevallier
Original assignee: Valeo Climatisation SA
Current assignee: Valeo Climatisation SA
Priority date: 2002-07-10
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2023-07-09
Also published as: FR2842292B1; PL206773B1; EP1546627A1; FR2842292A1; AU2003263282A1; ES2621789T3; PL372603A1; WO2004008055A1

Description

L'invention se rapporte aux échangeurs de chaleur conforme au préambule de la revendication 1 , notamment pour les véhicules automobiles.
Un tel échangeur est connu, par exemple, du document US 5,180,004 . Les échangeurs de chaleur de ce type comprennent habituellement un faisceau de tubes et d'ailettes dont une extrémité au moins est reliée à une boîte collectrice pour permettre la circulation d'un premier fluide qui échange de la chaleur avec un second fluide balayant le faisceau de l'échangeur de chaleur.
Un tel échangeur de chaleur peut constituer, par exemple, un radiateur de refroidissement du moteur ou encore un radiateur de chauffage de l'habitacle. En ce cas, l'échangeur de chaleur est parcouru habituellement par le liquide de refroidissement du moteur.
L'échangeur de chaleur peut constituer aussi un évaporateur ou un condenseur d'un circuit de climatisation. En ce cas, le fluide qui parcourt l'échangeur de chaleur est un fluide réfrigérant.
On connaît par ailleurs des échangeurs de chaleur, que l'on appelle "échangeurs à plaques", qui comprennent une multiplicité de plaques empilées, disposées par paires en vis-à-vis, et agencées pour définir une multiplicité de chambres pour la circulation d'un premier fluide, ce fluide échangeant de la chaleur avec un second fluide circulant à l'extérieur des plaques.
On prévoit habituellement aussi des intercalaires ondulés, formant surface d'échange de chaleur, qui sont placés à chaque fois entre une plaque d'une paire et une plaque d'une autre paire adjacente.
Ces échangeurs de chaleur à plaques sont plutôt utilisés dans les circuits de climatisation, par exemple comme évaporateurs, ou encore pour assurer le refroidissement d'une huile, en particulier l'huile de lubrification du moteur, l'huile de la boîte de vitesse, etc.
Ces échangeurs de chaleur sont toujours traversés par un flux d'air qui est refroidi ou réchauffé selon les applications. Toutefois, tous ces échangeurs de chaleur connus ne permettent pas d'optimiser l'échange thermique entre le premier fluide et le second fluide.
L'invention propose à cet effet un échangeur de chaleur conformeà la revendication 1.
Ainsi, dans chacune des chambres, le premier fluide circule à contre-courant par rapport au second fluide qui circule à l'extérieur des plaques. Il en résulte un meilleur échange de chaleur par rapport aux échangeurs de chaleur connus, qu'il s'agisse d'échangeurs à faisceaux de tubes ou d'échangeurs à plaques.
Avantageusement, l'entrée et la sortie d'une plaque sont formées par des ouvertures aménagées dans le plan de la plaque et sont bordées chacune par un collet pour permettre le raccordement à l'entrée et la sortie d'une plaque adjacente faisant partie d'une chambre adjacente.
De la sorte, on peut faire communiquer, de proche en proche, d'une part les entrées de fluide des plaques, et d'autre part les sorties de fluide des plaques.
Il en résulte que le premier fluide alimente les entrées respectives des plaques, circule dans les chambres à contre-courant et quitte les plaques par leurs sorties respectives.
Selon une autre caractéristique de l'invention, chaque plaque comporte des déflecteurs formés en saillie du côté inférieur de la plaque qui est tournée vers la chambre, pour favoriser la circulation du premier fluide à contre-courant.
Il est avantageux que les déflecteurs respectifs de deux plaques en vis-à-vis qui délimitent une chambre soient en contact mutuel. Cela permet de définir des canaux de circulation à contre-courant pour le premier fluide.
Les déflecteurs peuvent être réalisés de différentes façons.
Ces déflecteurs peuvent comprendre des déflecteurs généralement rectilignes favorisant une circulation directe à contre-courant du premier fluide depuis l'entrée vers la sortie.
Ils peuvent comprendre aussi des déflecteurs favorisant une circulation en U du premier fluide avec un premier trajet partant de l'entrée et s'étendant en direction transversale, un deuxième trajet à contre-courant et un troisième trajet s'étendant en direction transversale et menant à la sortie. Dans les premier et troisième trajets, le premier fluide circule en direction transversale, c'est-à-dire dans une direction généralement perpendiculaire à la circulation du deuxième fluide, ce qui n'a pas d'incidence sur le transfert thermique. Par contre, dans le deuxième trajet, ou trajet intermédiaire, la circulation s'effectue à contre-courant. Par conséquent, là aussi, l'échange thermique est optimisé.
Dans une variante de réalisation, chaque plaque comprend un relief en forme d'arête propre à venir en contact avec un relief homologue d'une plaque en vis à vis pour séparer la chambre en deux volumes.
Selon l'invention, chaque plaque comprend un premier couple entrée/sortie formé d'une entrée et d'une sortie et disposé près d'une première extrémité de la plaque et un second couple entrée/sortie formé d'une entrée et d'une sortie et disposé près d'une seconde extrémité de la plaque.
Cela permet de définir deux trajets de circulation dans une même chambre : un premier trajet entre une première entrée et une première sortie, et un deuxième trajet entre une seconde entrée et une seconde sortie.
Dans cette forme de réalisation , chaque plaque est avantageusement de forme générale rectangulaire et elle comporte deux grands côtés et deux petits côtés. Le premier couple entrée/sortie est alors disposé près d'un premier petit côté, tandis que le second couple entrée/sortie est disposé près d'un second petit côté.
L'échangeur de chaleur de l'invention comprend une boîte collectrice agencée pour être reliée à une plaque, dite plaque d'extrémité, située en extrémité de la pile, et cette plaque comporte une entrée principale agencée pour diriger le premier fluide vers la (les) entrée(s) de la plaque d'extrémité et une sortie principale agencée pour recueillir le premier fluide provenant de la (des) sortie(s) de la plaque d'extrémité.
Lorsque chaque plaque comprend un premier couple entrée/sortie, comme mentionné précédemment, la boîte collectrice est aménagée pour comprendre un compartiment d'entrée de forme allongée qui communique avec l'entrée principale et avec les deux entrées de la plaque d'extrémité, et un compartiment de sortie de forme allongée qui communique avec la sortie principale et avec les deux sorties de la plaque d'extrémité.
Il est avantageux aussi que le dispositif comprenne un répartiteur de fluide interposé entre la boîte collectrice et la plaque d'extrémité et agencé, d'une part pour diriger le premier fluide depuis l'entrée principale vers la (les) entrée(s) de la plaque d'extrémité, et d'autre part depuis la (les) sortie(s) de la plaque d'extrémité vers la sortie principale.
Les plaques peuvent être généralement planes. Toutefois, il est avantageux de prévoir des perturbateurs d'écoulement formés en saillie vers l'intérieur des chambres.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'échangeur de chaleur comprend des intercalaires ondulés, disposés chacun entre deux plaques appartenant à deux chambres adjacentes.
L'échangeur de chaleur de l'invention est avantageusement réalisé à partir de composants métalliques, de préférence à base d'aluminium, assemblés-ensemble par brasage en une seule opération.
L'invention s'applique en particulier à un échangeur de chaleur dans lequel le premier fluide est un fluide caloporteur, et dans lequel le second fluide est de l'air.
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 très schématique d'un échangeur de chaleur à plaques selon l'invention illustrant le principe de circulation à contre-courant des deux fluide ;
- la Figure 2: est une vue de côté d'un échangeur de chaleur à plaques selon l'invention ;
- la Figure 3: est une vue en plan d'une plaque propre à faire partie de l'échangeur de chaleur de la Figure 2 ;
- la Figure 4: est une vue analogue à la Figure 3 montrant la circulation en U du premier fluide dans une chambre ;
- la Figure 5: est un détail de l'assemblage mutuel de deux plaques ;
- la Figure 6: est une vue de dessus d'une boîte collectrice de l'échangeur ; et
- la Figure 7: est une vue de dessus d'un répartiteur de l'échangeur de chaleur.

On se réfère d'abord à la Figure 1 qui montre, de façon schématique et en perspective, un échangeur de chaleur 10, du type à plaques selon l'invention. Cet échangeur de chaleur comprend une série de plaques empilées 12, disposées par paires en vis-à-vis. Chacune des paires définit une chambre pour la circulation d'un premier fluide qui circule dans chacune des plaques suivant des directions généralement parallèles de la gauche vers la droite (sur la figure), comme montré par les flèches F1. Ce premier fluide échange de la chaleur avec un second fluide qui circule à l'extérieur des plaques et à contre-courant, comme montré par la flèche F2, c'est-à-dire de la droite vers la gauche sur le dessin de la Figure 1.
Le premier fluide est admis dans l'échangeur de chaleur par une entrée 14 et en ressort par une sortie 16, après avoir échangé de la chaleur avec le second fluide. Le premier fluide est avantageusement un fluide caloporteur, tandis que le second fluide est avantageusement un flux d'air.
On se réfère maintenant à la Figure 2 qui montre, en vue latérale, un échangeur de chaleur réalisé selon l'invention. Cet échangeur de chaleur comprend une pile formée d'une multiplicité de plaques 12 disposées par paires, les deux plaques 12 d'une même paire étant généralement identiques et disposées en vis-à-vis pour délimiter entre elles une chambre 18 (Figure 5) pour la circulation du premier fluide.
Les plaques communiquent entre elles par des collets ou embouts respectifs pour permettre l'entrée et la sortie du fluide, comme on le verra plus loin. Entre une plaque 12 délimitant une première chambre et une plaque 12 délimitant une autre chambre adjacente, est situé, à chaque fois, un intercalaire ondulé 20 (Figures 1 et 5) formant ailette d'échange de chaleur. A une première extrémité, l'échangeur comprend une boîte collectrice 22 reliée à une première plaque d'extrémité 12A. A son autre extrémité, l'échangeur comprend une plaque d'extrémité 12B qui est coiffée par une plaque de fermeture 24.
On se réfère maintenant à la Figure 3 pour décrire plus en détail la structure d'une plaque 12, étant entendu que les autres plaques sont identiques. La plaque 12 représentée sur la Figure 3 est obtenue par emboutissage d'une tôle métallique, avantageusement en aluminium ou alliage à base d'aluminium. Elle comprend un fond 26 de forme générale rectangulaire, entouré par un bord relevé 28. La plaque comprend deux grands côtés opposés 30 et 32 et deux petits côtés opposés 34 et 36.
Au travers de la plaque 12, est aménagé, à proximité du petit côté 34, un premier couple entrée/sortie comprenant une entrée de fluide 38 et une sortie de fluide 40. L'entrée 38 est située près du grand côté 30 et la sortie 40 près du grand côté 32. Chacune de ces entrées ou sorties est formée par une ouverture de forme générale circulaire qui est bordée par un collet. L'entrée 38 comporte un collet 42 et la sortie 40 un collet 44, ces deux collets faisant saillie du côté extérieur des plaques, c'est-à-dire du côté opposé à la chambre. Ces collets 42 et 44 sont destinés à être reliés à des collets analogues d'une plaque adjacente. On distingue sur la Figure 2 et sur le détail de la Figure 5 la façon dont les collets 44 sont réunis entre eux. Il en est de même pour les collets 42. Par ailleurs, à proximité du petit côté 36, est formé un autre couple entrée/sortie comprenant une entrée de fluide 46 et une sortie de fluide 48. L'entrée 46 est située près du grand côté 30 et la sortie 48 près du grand côté 32. L'entrée 46 et la sortie 48 sont formées aussi par des ouvertures circulaires bordées respectivement par des collets 50 et 52.
On aperçoit aussi sur la Figure 2 la façon dont les collets 52 sont réunis entre eux. Il en est de même pour les collets 50.
Dans la plaque 42, sont formés un certain nombre de reliefs favorisant la circulation du premier fluide dans la chambre délimitée par deux plaques en vis-à-vis. Ainsi, chaque plaque comprend deux reliefs 54 et 56 partant respectivement de l'entrée 38 et de la sortie 40 et s'étendant dans une direction généralement parallèle aux grands côtés 30 et 32 de la plaque. De la même façon, à partir de l'entrée 46 et de la sortie 48, s'étendent deux autres reliefs analogues 58 et 60 qui s'étendent parallèlement aux grands côtés 30 et 32.
En outre, sont formés différents reliefs dans une direction parallèle aux petits côtés 34 et 36. Du côté de l'entrée 38 et de la sortie 40, on trouve successivement un premier relief 62 et un second relief 64 espacés l'un de l'autre et tous deux parallèles au petit côté 34. Du côté de l'entrée 46 et de la sortie 48, on trouve deux autres reliefs analogues, à savoir un relief 66 et un relief 68, également parallèles au petit côté 36. Ces reliefs 66 et 68 correspondent aux répliques symétriques des reliefs 62 et 64. En fait, la plaque admet une symétrie par rapport à une ligne L. Dans la région centrale de la plaque, se trouve un autre relief 70 de plus faible longueur.
Il est à noter que les reliefs précités viennent en contact de reliefs homologues de la plaque en vis-à-vis. Ces reliefs constituent des déflecteurs qui permettent de canaliser le flux du premier fluide dans la chambre ainsi formée.
En variante, le relief 70 peut avoir une forme d'arête et s'étendre sur toute la largeur de la plaque. Le relief 70 vient. alors en contact avec un relief homologue 70 de la plaque en vis à vis, en séparant ainsi la chambre 18 en deux volumes.
On se réfère maintenant à la Figure 4 pour mieux décrire la circulation du fluide dans une chambre, comme représenté sur l'une des plaques de la chambre. La chambre est alimentée simultanément en premier fluide par l'entrée 38 (en haut sur le dessin) et l'entrée 46 (en bas sur le dessin). Le fluide circule dans les chambres par une circulation essentiellement en U. Un premier trajet de circulation représenté par une flèche F3 comprend un premier trajet transversal le long du relief 54, un trajet à contre-courant le long du relief 62, puis un autre trajet transversal pour gagner la sortie 40. Un autre trajet en U (flèches F4) s'effectue entre le bord du grand côté 30 de la plaque et le relief 54, puis entre les reliefs 68 et 70, et enfin entre le relief 56 et le bord du grand côté 32. Dans tous ces trajets, on trouve un trajet intermédiaire à contre-courant et deux trajets extrêmes transversaux, c'est-à-dire parallèlement aux grands côtés de la plaque, qui n'ont pas d'influence sur les performances thermiques.
On trouve des trajets symétriques pour le fluide qui pénètre par l'entrée 46 et s'échappe par la sortie 48. Grâce à la présence des reliefs précités, on favorise à chaque fois une circulation à contre-courant, ce qui améliore l'échange thermique entre le premier fluide F1 et le second fluide F2, comme mentionné précédemment en référence à la Figure 1.
Le premier fluide est alimenté simultanément aux entrées 38 et aux entrées 46 des différentes plaques et il est évacué à partir des sorties 40 et des sorties 48 des différentes plaques qui communiquent entre elles.
La boîte collectrice 22 sera décrite maintenant plus en détail en référence à la Figure 6. Elle comprend une plaque emboutie de forme générale rectangulaire entourée par un bord 72 propre à être réuni par brasage le long du bord 28 de la première plaque 12A, avec interposition d'un répartiteur 74 (représenté en traits interrompus sur la Figure 2) et qui sera décrit plus loin en référence à la Figure 7. La boîte collectrice est emboutie pour former deux bossages allongés 76 et 78 qui délimitent deux compartiments respectifs. Le bossage 76 comprend, en son centre, une entrée principale 80 pour le premier fluide, tandis que le bossage 78 comprend en son centre une sortie principale 82 pour le premier fluide.
Le répartiteur 74 (Figure 7) comprend une plaque rectangulaire emboutie ayant, à une extrémité, une entrée 84 et une sortie 86 propres à correspondre respectivement avec l'entrée 38 et la sortie 40 de la plaque d'extrémité 12A. Elle comprend, à son autre extrémité, une entrée 88 et une sortie 90 propres à correspondre respectivement avec l'entrée 46 et la sortie 48 de la première plaque d'extrémité 14A. Le répartiteur 74 est embouti et délimite une double rampe. Une première rampe 92 permet de diriger le premier fluide issu de l'entrée principale 80 simultanément vers les entrées 84 et 88 du répartiteur et donc vers les entrées 38 et 46 des différentes plaques. L'autre rampe 94 associée au bossage 78 permet de diriger le fluide provenant respectivement des sorties 86 et 90 du répartiteur, donc des sorties 40 et 48 des plaques, vers la sortie principale 82.
Ainsi, le fluide est alimenté simultanément dans les entrées 38 et 46 des plaques, circule à contre-courant dans les différentes chambres et gagne les sorties 40 et 48 des plaques pour être ensuite évacué par la sortie principale 82. Cet agencement favorise toujours un échangé de chaleur à contre-courant entre le premier fluide et le second fluide.
Les plaques peuvent comporter, le cas échéant, des perturbateurs d'écoulement, comme montré schématiquement par la référence 96 sur la Figure 3. Sur le dessin seuls trois perturbateurs d'écoulement 96 sont représentés à des fins de simplification, mais il sont en réalité plus nombreux et répartis sur toute l'étendue de la plaque. Il s'agit de bossages réalisés en saillie vers l'intérieur de la chambre qui perturbent l'écoulement du premier fluide et optimisent l'échange thermique avec le second fluide. Ces perturbateurs peuvent être réalisés de différentes formes.
L'invention trouve une application préférentielle aux échangeurs de chaleur pour véhicules automobiles.
Ils peuvent constituer des radiateurs parcourus par un fluide caloporteur, par exemple le fluide de refroidissement du moteur, ou encore un échangeur de chaleur parcouru par un fluide réfrigérant.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite précédemment à titre d'exemple. En particulier, il est possible de concevoir aussi des plaques comportant chacune une seule entrée et une seule sortie.

Claims

Echangeur de chaleur comprenant une multiplicité de plaques empilées, disposées par paires et en vis-à-vis, et agencées pour définir une multiplicité de chambres pour la circulation d'un premier fluide échangeant de la chaleur avec un second fluide circulant à l'extérieur des plaques, chaque plaque (12) comprend au moins une entrée de fluide (38, 46) et une sortie de fluide (40, 48) pour le premier fluide (F1), qui communiquent respectivement avec des entrées et des sorties homologues des autres plaques et qui sont disposées de telle sorte que le premier fluide est contraint de circuler dans chaque chambre (18) depuis l'entrée vers la sortie par une circulation à contre-courant par rapport à la circulation du second fluide (F2), chaque plaque (12) comprend un premier couple entrée/sortie formée d'une entrée (38) et d'une sortie (40) et disposé près d'une première extrémité (34) de la plaque et un second couple entrée/sortie formé d'une entrée (46) et d'une sortie (48) et disposé près d'une seconde extrémité (36) de la plaque, caractérisé en ce qu'il comporte une boîte collectrice (22) agencée pour être reliée à une plaque (12A), dite plaque d'extrémité, située en extrémité d'une pile, et en ce que cette boîte collectrice (22) comporte une entrée principale (80) agencée pour diriger le premier fluide vers les entrées (38, 46) de la plaque d'extrémité et une sortie principale (82) agencée pour recueillir le premier fluide provenant des sorties (40, 48) de la plaque d'extrémité.
Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entrée de fluide (38,46) et la sortie de fluide (40,48) d'une plaque (12) sont formées par des ouvertures aménagées dans le plan de la plaque et sont bordées chacune par un collet (42,50, 44,52) pour permettre le raccordement de cette entrée et de cette sortie à l'entrée et à la sortie d'une plaque adjacente faisant partie d'une chambre (18) adjacente.
Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque plaque (12) comporte des déflecteurs (54,56, 58,60, 62,64, 66, 68, 70) formés en saillie du côté intérieur de la plaque qui est tournée vers la chambre (18), pour favoriser la circulation du premier fluide à contre-courant.
Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les déflecteurs respectifs (54, 56, 58, 60, 62, 64, 66, 68, 70) de deux plaques (12) en vis-à-vis, qui délimitent une chambre (18) sont en contact mutuel.
Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les déflecteurs comprennent des déflecteurs généralement rectilignes (62, 64, 66, 68) favorisant une circulation directe à contre-courant du premier fluide depuis l'entrée vers la sortie.
Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les déflecteurs comprennent des déflecteurs (54, 56, 58, 60) favorisant une circulation en U du premier fluide avec un premier trajet partant de l'entrée (38, 46), un deuxième trajet à contre-courant et un troisième trajet s'étendant en direction transversale et menant à la sortie (40, 48).
Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque plaque (12) comprend un relief (70) en forme d'arête propre à venir en contact avec un relief homologue (70) d'une plaque en vis à vis pour séparer la chambre (18) en deux volumes.
Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque plaque (12) est de forme générale rectangulaire et comporte deux grands côtés (30,32) et deux petits côtés (34,36), et en ce que le premier couple entrée (38) /sortie (40) est disposé près d'un premier petit côté (34), tandis que le second couple entrée (46) /sortie (48) est disposé près d'un second petit côté (36).
Echangeur de chaleur selon les revendications 8, caractérisé en ce que la boîte collectrice (22) comprend un compartiment d'entrée (76) de forme allongée qui communique avec l'entrée principale (80) et avec les deux entrées (38,46) de la plaque d'extrémité, et un compartiment de sortie (78) de forme allongée qui communique avec la sortie principale (82) et avec les deux sorties (40, 48) de la plaque d'extrémité.
Echangeur de chaleur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend un répartiteur de fluide (74) interposé entre la boîte collectrice (22) et la plaque d'extrémité (12A) et agencé, d'une part pour diriger le premier - fluide (F1) depuis l'entrée principale (80) vers les entrées (38, 46) de la plaque d'extrémité, et d'autre part depuis les sorties (40, 48) de la plaque d'extrémité (12A) vers la sortie principale (82).
Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les plaques sont munies de perturbateurs d'écoulement (96) formés en saillie vers l'intérieur des chambres (18).
Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend des intercalaires ondulés (20) disposés chacun entre deux plaques appartenant à deux chambres adjacentes (18).
Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il est réalisé à partir de composants métalliques, avantageusement à base d'aluminium, assemblés ensemble par brasage en une seule opération.
Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le premier fluide (F1) est un fluide caloporteur, tandis que le second fluide (F2) est de l'air.