EP1636533B1

EP1636533B1 - Echangeur de chaleur comportant un boitier et un faisceau en tole d'aluminium assembles par brasage

Info

Publication number: EP1636533B1
Application number: EP04767446A
Authority: EP
Inventors: Carlos Martins; Michel Potier
Original assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Current assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2004-06-24
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2024-06-24
Also published as: WO2005001366A2; FR2856785B1; PL1636533T3; DE602004021804D1; WO2005001366A3; FR2856785A1; EP1636533A2; ATE435410T1

Description

L'invention se rapporte aux échangeurs de chaleur, et plus particulièrement aux échangeurs de chaleur à plaques pour les véhicules automobiles, par exemple les refroidisseurs d'air de suralimentation.
Elle concerne plus particulièrement un échangeur de chaleur comportant un faisceau d'échange de chaleur constitué par un empilement de plaques embouties qui déterminent entre elles de premiers canaux de circulation pour la circulation d'un gaz à refroidir et de seconds canaux de circulation pour la circulation d'un liquide de refroidissement, le faisceau étant logé dans un boîtier.
Dans un échangeur de ce type, les plaques sont assemblées par brasage, ce qui se traduit par une variation de la hauteur de l'empilement des plaques, variation inhérente au procédé d'assemblage utilisé. En conséquence, il n'est pas possible, comme dans le cas d'un faisceau constitué de tubes, de monter un collecteur apte à recevoir un joint d'étanchéité et une boîte moulée en matière plastique ou en aluminium.
Afin de résoudre cette difficulté, il est connu ( DE 199 02 504 et JP 102 38 969 ) de loger le faisceau d'échange de chaleur à l'intérieur d'un boîtier en matière plastique ou en aluminium moulé comportant les tubulures d'entrée et de sortie des fluides et de fermer ce boîtier par un couvercle soudé ou serti.
Un échangeur de chaleur pour véhicule automobile comportant un faisceau d'échange de chaleur constitué par un empilement de plaques et logé dans un boîtier, comportant des entretoises permettant un rattrapage de jeu entre le faisceau et le boîtier, est connu du document DE 29 03 543 A .
Pour résister à la pression du gaz à refroidir, qui peut atteindre plusieurs bars et éviter toute déformation des parois du boîtier susceptible de créer des fuites d'air, le boîtier doit être renforcé particulièrement s'il est en matière plastique. Ce problème est d'autant plus crucial que le volume soumis à la pression du gaz est important. Le renforcement du boîtier conduit à un encombrement pénalisant.
Il est également connu de souder par le procédé de soudage TIG des boîtes en aluminium moulées sur le faisceau ou de coller une boîte moulée sur l'enveloppe qui entoure le faisceau. Le soudage TIG d'une boîte en fonderie d'aluminium sur le faisceau n'est pas une conception adaptée à des séries importantes en raison du poids et du coût de revient. En ce qui concerne le collage d'une boîte moulée sur l'enveloppe qui entoure le faisceau, la zone périphérique nécessaire au montage de la boîte peut être pénalisante du point de vue de l'encombrement, notamment quand les contraintes dimensionnelles sont sévères.
La présente invention a précisément pour objet un échangeur de chaleur qui remédie a ces inconvénients. L'échangeur de chaleur comporte des moyens de rattrapage d'un jeu entre le faisceau et le boîtier. Dans une réalisation préférée, les moyens de rattrapage sont constitués par une cale de rattrapage disposée entre le faisceau et le boîtier.
Grâce à la présence de ces moyens de rattrapage, le faisceau d'échange de chaleur est maintenu en appui par deux faces contre deux parois intérieures du boîtier. En conséquence, le boîtier peut être assemblé par brasage sur le faisceau sur ces deux faces, ce qui a pour effet de le rigidifier et de lui conférer une bonne tenue en pression.
Le boîtier est constitué de deux demi-coquilles possédant chacune une paroi de fond et un rebord constitué de paroi latérale, les parois latérales d'une demi-coquille coulissant par rapport aux parois latérales de l'autre demi-coquille.
Grâce à cette caractéristique, les deux parties qui constituent le boîtier peuvent se déplacer l'une par rapport à l'autre de manière à s'adapter à la hauteur du faisceau de telle sorte que la face inférieure du boîtier est en contact avec le fond de la demi-coquille inférieure, tandis que la face supérieure du faisceau d'échange de chaleur est en contact avec la paroi de fond de la demi-coquille supérieure. Il est par conséquent possible d'assembler par brasage le faisceau avec chacune des deux parois de fond de la demi-coquille supérieure et de la demi-coquille inférieure.
Au total, le faisceau est brasé au boîtier par quatre de ses faces de telle sorte que les parois du boîtier sont maintenues rigidement et ne peuvent pas s'écarter du faisceau. On évite ainsi l'apparition de fuites de gaz. L'échangeur réalisé permet ainsi de conserver les avantages d'une conception en aluminium, à savoir un encombrement réduit, une bonne tenue en pression et en température. En outre, étant donné que l'échangeur est réalisé en une seule matière, il est facilement recyclable. '
Avantageusement, le coulissement des deux demi-coquilles s'effectue selon une direction perpendiculaire au plan des plaques du faisceau d'échange de chaleur. En d'autres termes, le plan de joint des deux demi-coquilles est parallèle au plan des plaques. Toutefois, il va de soi que cette caractéristique n'est pas impérative et que d'autres réalisations peuvent être envisagées. Il est envisageable aussi que le plan de joint entre les deux demi-coquilles soit incliné par rapport aux plaques du faisceau d'échange de chaleur. Cette caractéristique permet de dégager davantage de place pour l'implantation des tubulures d'entrée et de sortie du gaz à refroidir.
Dans une réalisation particulière, la cale de rattrapage présente une forme générale de U comportant une paroi de fond disposée entre le faisceau d'échange de chaleur et le boîtier et deux bords relevés qui prennent place de part et d'autre du faisceau d'échange de chaleur.
Cette réalisation est avantageuse parce que les bords relevés permettent d'obturer des fuites de gaz qui pourraient survenir entre la zone d'échange de chaleur du faisceau et la paroi intérieure du boîtier.
Avantageusement, les bords relevés sont clippés sur le faisceau d'échange de chaleur.
Avantageusement encore, la paroi de fond de la cale de rattrapage présente des ondulations. Ces ondulations lui donnent de l'élasticité, ce qui permet l'absorption du jeu entre le faisceau et le boîtier.
De préférence, la cale de rattrapage, et particulièrement la paroi de fond, comportent des bords biseautés. Ces bords biseautés facilitent l'insertion de la cale de rattrapage entre le faisceau et le boîtier.
Enfin, dans une réalisation avantageuse, le boîtier est plus grand que le faisceau d'échange de chaleur de part et d'autre des faces auxquelles il n'est pas assemblé par brasage de manière à dégager des espaces libres qui forment une boîte collectrice d'entrée et une boîte collectrice de sortie pour un gaz.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le faisceau est brasé sur quatre faces au boîtier.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation donnée à titre illustratif en référence aux figures annexées. Sur ces figures :

la figure 1 est une vue extérieure en perspective d'un échangeur de chaleur conforme à la présente invention ;
la figure 2 est une vue en coupe selon le plan de coupe II-II de la figure 1 ;
la figure 3 est une vue éclatée en perspective de l'échangeur de chaleur représenté sur les figures 1 et 2 ;
la figure 4 est une vue de détail en coupe qui illustre la réalisation du faisceau d'échange de chaleur ;
la figure 5 est une vue en coupe selon la ligne V-V de la figure 2 ; et
la figure 6 est une vue extérieure en perspective d'un second mode de réalisation d'un échangeur conforme à la présente invention.

La figure 1 est une vue extérieure en perspective d'un échangeur de chaleur conforme à la présente invention, un refroidisseur d'air de suralimentation dans l'exemple représenté. Il comporte un boîtier constitué de deux demi-coquilles, à savoir une demi-coquille inférieure 4 et une demi-coquille supérieure 6 raccordées selon un plan de joint 7.
La demi-coquille inférieure 4 possède une paroi de fond 8 généralement plane et de forme carrée ou rectangulaire et quatre parois latérales 9 raccordées à la paroi de fond 8 et sensiblement perpendiculaires à cette dernière. La demi-coquille supérieure 6 comporte une paroi de fond 10 généralement plane et de forme rectangulaire ou carrée et quatre parois latérales 11 raccordées à la paroi de fond 10 et sensiblement perpendiculaires à celle-ci. En outre; les parois latérales 11 se terminent par une partie élargie 13 (figure 2) qui permet la réception, avec coulissement, des parois latérales 9 de la demi-coquille inférieure 4. La longueur de la partie élargie 13 est prévue suffisamment longue pour permettre aux demi-coquilles 4 et 6 de s'adapter aux variations de hauteur du faisceau d'échange de chaleur 14 (voir figure 5) qu'elles renferment. Une tubulure d'entrée 16 de l'air de suralimentation est prévue sur la demi coquille inférieure 4 et une tubulure de sortie 18 de l'air de suralimentation est prévue sur la demi coquille supérieure 6. Comme on peut le voir en particulier sur la figure 2, l'air de suralimentation pénètre dans l'échangeur par la tubulure d'entrée 16, comme schématisé par la flèche 17. Il parvient dans une boîte à air d'entrée 20 puis traverse le faisceau d'échange de chaleur 14 dont la structure sera décrite plus en détail ultérieurement en échangeant de la chaleur avec un fluide de refroidissement. Après avoir traversé le faisceau d'échange de chaleur 14, l'air de suralimentation refroidi parvient dans une boîte à air de sortie 22, puis quitte le refroidisseur d'air de suralimentation par la tubulure 18, comme schématisé par la flèche 19.
Dans l'exemple représenté, la tubulure d'entrée 16 est réalisée en tôle d'aluminium. Elle est rapportée sur la demi coquille inférieure 4. Au contraire, la tubulure de sortie 18 est réalisée en matière plastique et elle est assemblée par brasage, en une seule opération, en même temps que l'ensemble de l'échangeur dans un four de brasage.
Une tubulure d'entrée 23, et une tubulure de sortie 25 du liquide de refroidissement, en général l'eau de refroidissement du moteur du véhicule automobile, sont prévues sur la paroi supérieure de la demi-coquille 6. Dans l'exemple, les tubulures d'entrée et de sortie 23 et 25 sont en aluminium et elles sont assemblées par brasage à la demi-coquille supérieure. Le liquide de refroidissement pénètre dans le faisceau d'échange de chaleur par la tubulure d'entrée 23 comme schématisé par la flèche 24, parcourt le faisceau d'échange de chaleur 14 en échangeant de la chaleur avec l'air de suralimentation, puis ressort par la tubulure de sortie 25 comme schématisé par la flèche 26.
Le faisceau d'échange de chaleur 14 (figure 3) est constitué par un empilement de plaques 28 entre lesquelles sont disposés des intercalaires ondulés 29 qui améliorent l'échange de chaleur entre l'air de suralimentation et les plaques. Chaque plaque 28 présente une forme sensiblement rectangulaire comportant deux petits côtés 28a et deux grands côtés 28b. Chaque plaque 28 comporte une paroi de fond 31 limitée par un rebord périphérique 32. Des nervures 33 sont prévues dans la paroi de fond 31 de chacune des plaques afin de délimiter des passes de circulation pour le fluide de refroidissement.
La paroi de fond 31 et le rebord périphérique 32 déterminent une cuvette peu profonde. Comme on peut le voir plus particulièrement sur la figure 4, les plaques 28 sont groupées par paires assemblées par leur rebord périphérique 32. De la sorte, la cuvette de la plaque supérieure et la cuvette de la plaque inférieure appartenant à une même paire de plaques s'ajoutent pour constituer un canal 34 de circulation du fluide de refroidissement. Par ailleurs, deux bossages 36 sont formés le long d'un petit côté 28a de chacune des plaques 28. Le fond de chaque bossage comporte un passage de circulation 27 pour le fluide de refroidissement. Les bossages d'une paire de plaques sont en appui sur les bossages des paires de plaques adjacentes. On réalise ainsi un collecteur d'entrée et un collecteur de sortie (sur la figure 4 on a représenté le collecteur d'entrée 38) pour le fluide de refroidissement. Le fluide de refroidissement pénètre dans le faisceau comme schématisé par la flèche 24 puis circule dans les canaux de circulation 34 comme schématisé par les flèches 39. La sortie du fluide hors du faisceau d'échange de chaleur 14 s'effectue en sens inverse.
Les bossages 36 de deux paires de plaques déterminent également entre eux des canaux de circulation 41 pour le gaz à refroidir, l'air de suralimentation dans l'exemple décrit. Les intercalaires ondulés 29 disposés dans les passages de circulation 41 améliorent l'échange de chaleur. Ils se présentent sous la forme d'intercalaires ondulés qui s'étendent jusqu'au bossage 36. Il existe, par conséquent, entre les parois latérales 9, 11 de la demi coquille inférieure 4 et de la demi coquille supérieure 6 situées le long du petit côté 28a du faisceau d'échange de chaleur dans lequel sont aménagés les bossages 36 des passages 43 qui mettent directement en communication la boîte à air d'entrée 20 et la boîte à air de sortie 22 sans que l'air de suralimentation traverse la surface d'échange de chaleur matérialisée par les générateurs de turbulateurs 29. les passages 43 constituent donc des fuites préjudiciables au bon fonctionnement de l'échangeur.
On a représenté sur la figure 3 une vue éclatée en perspective de l'échangeur représenté sur les figures 1 à 5. On notera en particulier sur cette figure la présence de moyens de rattrapage d'un jeu entre le faisceau d'échange de chaleur 14 et les parois latérales 9 et 11 de la demi-coquille inférieure et de la demi-coquille supérieure. Dans l'exemple, les moyens de rattrapage sont constitués par une cale de rattrapage 50 disposée entre le faisceau d'échange de chaleur 14 et une paroi intérieure du boîtier. Avantageusement, comme on l'expliquera ultérieurement, la cale de rattrapage est disposée entre le petit côté 28a des plaques 28 le long duquel sont aménagés les bossages 36 (non visibles sur la figure 3) et la paroi intérieure du boîtier située en regard de ces petits côtés 28a des plaques.
Dans l'exemple, la cale de rattrapage 50 possède une paroi de fond 52 généralement plane et deux bords relevés 54 sensiblement perpendiculaires à la paroi de fond 52 et situés à chacune des extrémités de cette dernière. Ainsi, la cale de rattrapage 50 présente en section la forme d'un U très allongé. Les bords relevés prennent place de part et d'autre des grands côtés 28b des plaques 28 du faisceau d'échange de chaleur 14. La paroi de fond 50 présente des ondulations 56 qui ont pour fonction de lui donner une élasticité. En outre, la cale 50 présente des bords biseautés 58 à sa partie supérieure et à sa partie inférieure. Les bords biseautés 58 ont pour fonction de faciliter l'insertion de la cale de rattrapage entre l'extrémité du faisceau d'échange de chaleur 14 et la paroi antérieure du boîtier. Les bords relevés 54 comportent des moyens de fixation qui permettent de les maintenir sur le faisceau d'échange de chaleur 14. Dans l'exemple décrit, la cale de rattrapage 50 est clippée sur le faisceau. Les bords relevés 54 présentent des saillies 60 réalisées par emboutissage et dirigées vers le faisceau d'échange de chaleur. Les saillies 60 viennent se loger dans des logements (non représentés) prévus dans le faisceau pour les recevoir.
Grâce à la présence de la cale de rattrapage 50, les petits côtés 28a des plaques du faisceau d'échange de chaleur sont fermement appliqués contre les parois intérieures de la demi-coquille inférieure 4 et de la demi-coquille supérieure 6. Par suite, lorsque l'échangeur est brasé, les parois latérales 9 et 11 des demi-coquilles inférieure 4 et supérieure 6 sont solidarisées au faisceau 14 de telle sorte qu'elles ne peuvent pas s'écarter de ce dernier sous l'effet de la pression de l'air de suralimentation, qui peut atteindre plusieurs bars.
En outre, comme on l'a expliqué précédemment, la demi-coquille inférieure et la demi-coquille supérieure peuvent coulisser librement l'une par rapport à l'autre sur une distance suffisante pour permettre un ajustement aux variations de hauteur de l'empilement des plaques 28. Ainsi, la plaque inférieure du faisceau d'échange de chaleur repose sur la paroi de fond 8 de la demi-coquille inférieure 4 et en outre, la paroi de fond 10 de la demi-coquille supérieure 6 vient s'appliquer contre la plaque supérieure 28 du faisceau d'échange de chaleur 14. Au moment de l'opération de brasage, les parois de fond 8 et 10 sont ainsi assemblées par brasage respectivement à la plaque inférieure et à la plaque supérieure du faisceau d'échange de chaleur 14. Le cumul de cette disposition avec celle qui précède permet d'assembler quatre des six faces du boîtier au faisceau d'échange de chaleur par brasage de telle sorte que ces quatre faces qui entourent le faisceau d'échange de chaleur 14 ne peuvent pas s'écarter de lui. On évite ainsi l'apparition de fuite d'air à refroidir.
Grâce à l'ensemble de ces caractéristiques, on réalise un échangeur compact, étant donné que l'épaisseur des deux demi-coquilles est faible. Son prix de revient est peu élevé parce qu'il est assemblé en une seule opération par un procédé d'assemblage simple. Il assure une bonne tenue à la température et à la pression. Et en outre, comme on l'a expliqué précédemment, il est facilement recyclable.
Comme on l'a expliqué précédemment, la cale de rattrapage 50 est avantageusement disposée le long du petit côté 28a des plaques le long duquel sont formés les bossages 36 dont l'empilement réalise les collecteurs d'entrée et de sortie du fluide de refroidissement. En effet, les bords relevés 54 sont conçus de manière à présenter une longueur suffisante pour obturer les passages de fuite 43 situés entre l'extrémité des intercalaires ondulés 29 et les parois latérales 9 et 11 des deux demi coquilles. En d'autres termes, les bords relevés 54 doivent être suffisamment longs pour recouvrir partiellement l'extrémité des intercalaires ondulés 29. Ainsi, les bords relevés 54 permettent d'obturer entièrement les passages de fuite 43 de telle sorte que le rendement thermique global de l'échangeur est amélioré, ce qui constitue un autre avantage de l'échangeur conforme à l'invention.
Dans le mode de réalisation décrit en référence aux figures 1 à 5, le plan de joint 7 entre les deux demi coquilles 4 et 6 est parallèle au plan des plaques 28 du faisceau d'échange de chaleur 14. Toutefois, cette caractéristique n'est pas impérative et on a représenté sur la figure 6 une variante de réalisation des deux demi-coquilles 4 et 6 dans laquelle le plan de joint 64 est disposé obliquement par rapport au plan des plaques 28. Par exemple, le plan de joint 64 peut être disposé sensiblement en diagonale par rapport aux parois d'extrémités 65. L'inclinaison du plan de joint 64 a pour but de dégager des espaces agrandis 66 et 68 sur la demi coquille inférieure 4 et la demi coquille supérieure 6 respectivement. Les espaces agrandis permettent de faciliter l'implantation de la tubulure d'entrée 60 et de la tubulure de sortie (non visible sur la figure 6) de l'air à refroidir.

Claims

Echangeur de chaleur comportant un faisceau d'échange de chaleur (14) constitué par un empilement de plaques embouties (28) qui déterminent entre elles de premiers canaux de circulation (41) pour la circulation d'un gaz à refroidir et de seconds canaux de circulation (34) pour la circulation d'un liquide de refroidissement, le faisceau (14) étant logé dans un boîtier (4,6), caractérisé en ce que ledit échangeur comporte des moyens (50) de rattrapage d'un jeu entre le faisceau (14) et le boîtier (4,6), et en ce que le boîtier est constitué de deux demi-coquilles (4,6) chacune des demi coquilles comportant une paroi de fond (8, 10) et des parois latérales (9,11) et en ce que lesdits moyens de rattrapage (50) permettent de fermement appliquer les côtés des plaques du faisceau d'échange de chaleur contre les parois intérieures de la demi-coquille inférieure (4) et de la demi-coquille supérieure (6), de telle sorte que, lorsque l'échangeur est brasé les parois latérales (9 ; 11) des demi-coquilles inférieure (4) et supérieure (6) sont solidarisées au faisceau (14).
Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de rattrapage sont constitués par une cale de rattrapage (50) disposée entre le faisceau 14 et le boîtier (4,6).
Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les parois latérales (9) d'une demi-coquilles (4) coulissent par rapport aux parois latérales (11) de l'autre demi-coquille (6).
Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le plan de joint (7) des deux demi-coquilles (4,6) est parallèle au plan des plaques (28) du faisceau d'échange de chaleur (14).
Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le plan de joint (64) entre les deux demi-coquilles (4,6) est incliné par rapport au plan des plaques (28) du faisceau d'échange de chaleur.
Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la cale de rattrapage (50) présente la forme générale d'un U présentant une paroi de fond (52) disposée entre le faisceau (14) et le boîtier (4, 6) et deux bords relevés (54) qui prennent place de part et d'autre du faisceau d'échange de chaleur (14).
Echangeur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la cale de rattrapage (50) est disposée le long des petits côtés (28a) des plaques (28) le long desquels sont formés des bossages (36) dont la superposition réalise un collecteur d'entrée (38) ou de sortie pour le fluide de refroidissement.
Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les bords relevés (54) sont clippés sur le faisceau d'échange de chaleur (14).
Echangeur de chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les bords relevés (54) comportent des saillies (60) qui s'engagent dans des logements correspondants du faisceau d'échange de chaleur (14).
Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que la paroi de fond (50) présente des ondulations (56).
Echangeur de chaleur selon la revendication 10, caractérisé en ce que les ondulations (56) de la paroi de fond (52) de la cale de rattrapage présentent des bords biseautés (58).
Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le boîtier (4,6) est plus grand que le faisceau d'échange de chaleur (14) de part et d'autre des faces (28b) auxquelles, il n'est pas assemblé par brasage de manière à dégager des espaces libres (20, 22) qui forment une boîte collectrice d'entrée (20) et une boîte collectrice de sortie (22) pour un gaz.
Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le faisceau (14) est brasé sur quatre faces au boîtier (4,6).