EP2513587B1

EP2513587B1 - Plaque d'echangeur de chaleur, en particulier pour un condenseur de climatisation

Info

Publication number: EP2513587B1
Application number: EP10790424.5A
Authority: EP
Inventors: Laurent Moreau
Original assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Current assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2017-07-26
Anticipated expiration: 2030-12-09
Also published as: FR2954480A1; CN102770734B; FR2954480B1; WO2011073083A1; CN102770734A; EP2513587A1

Description

L'invention se rapporte aux échangeurs de chaleur, en particulier pour les véhicules automobiles.
Elle concerne plus particulièrement une plaque d'échangeur de chaleur destinée à la réalisation d'un échangeur de chaleur comprenant un empilement de telles plaques pour former entre elles des premiers canaux pour la circulation d'un premier fluide qui alternent avec des seconds canaux pour la circulation d'un second fluide. Une plaque d'échangeur comprenant les caractéristiques du préambule de la revendication 1 est divulguée dans document WO 2007/036963 . Ces échangeurs de chaleur à plaques trouvent différentes applications, notamment dans le domaine des véhicules automobiles où ils sont utilisés, par exemple, comme refroidisseurs d'huile ou comme condenseurs de climatisation.
Dans ce dernier cas, un fluide réfrigérant est refroidi par un fluide de refroidissement qui est généralement le fluide de refroidissement du moteur du véhicule, c'est-à-dire de l'eau additionnée d'un antigel. On forme ainsi un "condenseur à eau" qui peut être placé en toute position appropriée dans le compartiment moteur du véhicule, au lieu d'un condenseur classique à air qui doit être placé nécessairement en partie avant du véhicule.
On connaît déjà des plaques d'échangeur de chaleur qui comprennent un fond de forme générale rectangulaire muni de quatre ouvertures de passage de fluide, disposées respectivement dans quatre régions de coin, et pourvu d'ondulations en chevron s'étendant de part et d'autre d'un axe longitudinal médian de la plaque.
Les ondulations de la plaque sont destinées à se croiser avec les ondulations d'une plaque adjacente identique dans une relation superposée où les deux plaques sont tournées mutuellement de 180°, en formant des zones de contact ponctuelles pour leur brasage mutuel.
Le fond de chaque plaque est déformé localement autour des ouvertures de passage de fluide pour permettre d'ouvrir ou de fermer la section de passage au fluide concerné, c'est-à-dire soit le premier fluide, soit le second fluide. Cela permet alors de réaliser une circulation alternée des deux fluides.
Les échangeurs à plaques ont pour principal inconvénient de présenter une faible tenue mécanique du fait qu'ils offrent une grande surface soumise à la pression du fluide, et cela sans renfort mécanique. En effet, ces plaques sont brasées mutuellement entre elles au niveau de leur bord périphérique, autour des ouvertures de passage et au niveau des zones de contact ponctuel à l'intersection des ondulations en chevrons.
En particulier, les plaques actuelles ne permettent pas d'assurer un renfort mécanique suffisant dans les régions de coin où sont situées respectivement les quatre ouvertures de passage.
En effet, du fait que l'on utilise les mêmes plaques pour les deux fluides, lesquels peuvent fonctionner à des pressions très différentes, en formant alternativement un côté basse pression et un côté haute pression, il n'est pas possible de renforcer préférentiellement un côté de l'échangeur de chaleur.
Cette faiblesse de résistance se trouve dans la région des ouvertures de passage de fluide, c'est-à-dire aux deux extrémités de la plaque, s'agissant d'une plaque de forme générale rectangulaire.
Jusqu'à présent, aucune solution satisfaisante n'a été proposée pour surmonter cet inconvénient.
L'invention a essentiellement pour but de surmonter cet inconvénient.
Elle propose à cet effet que le fond de la plaque présente, dans les régions périphériques, notamment de coin pour les plaques rectangulaires, et/ou à proximité des ouvertures de passage, des reliefs supplémentaires propres à définir des zones de contact ponctuelles supplémentaires pour le brasage, ce qui permet d'améliorer la résistance à la pression de l'échangeur de chaleur.
Ces reliefs supplémentaires peuvent être obtenus soit par modification des ondulations en chevron, soit par addition d'autres reliefs en des endroits choisis du fond de la plaque.
Dans le premier cas, on peut prévoir qu'une première ondulation proche de deux ouvertures de passage à une première extrémité de la plaque et une deuxième ondulation proche de deux ouvertures de passage à une seconde extrémité de la plaque aient chacune une portion continue et une portion discontinue dans une branche du chevron comprise entre l'axe longitudinal médian et un grand côté de la plaque, la portion discontinue formant les reliefs supplémentaires.
Ainsi, au lieu d'avoir un chevron avec deux branches continues, chaque branche du chevron comprend une portion continue et une portion discontinue formant des reliefs supplémentaires.
En particulier, cette portion discontinue peut comprendre une série alignée de creux et de bosses disposés en alternance.
Les reliefs supplémentaires peuvent comprendre en outre des reliefs d'extrémité situés respectivement aux deux extrémités de la plaque entre deux ouvertures de passage de fluide et s'étendant chacun symétriquement de part et d'autre de l'axe longitudinal médian. Un mode de réalisation de l'invention concerne un échangeur de chaleur comprenant une multiplicité de plaques telles que définies précédemment, dans lequel les plaques sont identiques entre elles et empilées mutuellement en étant tournées deux à deux de 180°, en formant de zones de contact ponctuelles pour le brasage.
Cet échangeur de chaleur peut notamment être réalisé sous la forme d'un condenseur pour le refroidissement d'un fluide réfrigérant par un fluide de refroidissement.
Dans la description qui suit, donnée seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels :

la figure 1 est une vue de dessus d'une plaque d'échangeur de chaleur selon l'art antérieur ;
la figure 2 illustre schématiquement les zones de brasage d'une autre plaque d'échangeur de chaleur selon l'art antérieur ;
la figure 3 est une vue de dessus de la plaque de la figure 1 en position tournée de 180° ;
la figure 4 est une vue partielle d'un assemblage de deux lames dans une zone définie par la coupe selon la ligne IV-IV de la figure 3, à échelle agrandie ;
les figures 5 et 6 sont deux détails à échelle agrandie de la figure 2 illustrant les zones de brasage aux régions d'extrémité de la plaque ;
la figure 7 est une vue schématique de dessus d'une plaque d'échangeur de chaleur selon l'art antérieur sur laquelle sont représentées une partie des ondulations d'une plaque superposée ;
la figure 8 est une vue schématique de dessus d'une plaque d'échangeur de chaleur selon l'invention où sont représentées également une partie des ondulations d'une plaque identique superposée ;
la figure 9 est une vue de dessus d'une forme de réalisation d'une plaque d'échangeur de chaleur conforme à la figure 8 ;
la figure 10 illustre les zones de brasage de la plaque d'échangeur de chaleur de la figure 9 ;
la figure 11 est une vue en coupe partielle montrant les zones de brasage fournies par une partie des reliefs supplémentaires ;
la figure 12 représente un détail à échelle agrandie de la figure 10 ;
la figure 13 illustre les points de brasage fournis par les reliefs supplémentaires aux extrémités de la plaque en correspondance de la figure 12;
la figure 14 représente un autre détail à échelle agrandie de la figure 10 ; et
la figure 15 illustre les points de brasage fournis par les reliefs supplémentaires aux extrémités de la plaque en correspondance de la figure 14.

Il est fait d'abord référence à la figure 1 qui montre une plaque 10 pour échangeur de chaleur conforme à l'art antérieur. La plaque 10 comprend un fond 12 de forme générale rectangulaire limité par deux grands côtés 14 et deux petits côtés 16 réunis entre eux par des arrondis 18. Le fond 12 est généralement plan et entouré par un bord périphérique relevé permettant un emboîtement mutuel et un assemblage étanche des plaques, comme enseigné, par exemple, par la publication FR 2 795 165 . Le fond 12 est muni de quatre ouvertures de passage de fluide 22 disposés respectivement dans quatre régions de coin, c'est-à-dire à proximité des arrondis 18.
Le fond 12 est muni d'ondulations 22 en forme de chevrons qui s'étendent de part et d'autre d'un axe longitudinal médian XX. Ces ondulations sont formées par une succession alternée de nervures et rainures longitudinales formant des reliefs en V dont chacune a son sommet sur l'axe XX et ses branches disposées symétriquement de part et d'autre de ce dernier.
Les ouvertures 22 sont entourées chacune par des bordures annulaire 24 destinées à fournir des zones de brasage autour des ouvertures. Deux des bordures annulaires 24 sont dans le plan du fond 12 et les deux autres sont dans un plan décalé comme montré par des zones hachurées. Dans l'exemple, ces dernières sont disposées en diagonale, mais elles pourraient être disposées autrement, par exemple le long d'un grand côté.
De telles plaques sont avantageusement obtenues par découpe et emboutissage d'une feuille métallique, typiquement à base d'aluminium, revêtue d'un placage de brasure.
Un échangeur de chaleur à plaques peut être formé par un empilage de plaques 10, les plaques étant mutuellement tournées de 180°, ce qui permet d'utiliser un même type de plaques pour tout l'échangeur de chaleur. Lorsque les plaques sont ainsi empilées, leurs bords périphériques respectifs 20 viennent s'emboîter mutuellement pour former l'étanchéité à la périphérie. Par ailleurs, les bordures annulaires 24 d'une plaque viennent en appui contre une plaque adjacente sur le fond de cette dernière. D'autre part, les ondulations 26 en chevron d'une plaque viennent se croiser avec les ondulations homologues d'une plaque adjacente identique, formant ainsi des zones de contact ponctuelles pour leur brasage mutuel.
Lorsque les plaques sont brasées entre elles, leur liaison s'effectue sur leur bord périphérique, autour des ouvertures de passage et sur les zones de contact ponctuelles entre les ondulations en chevron.
Dans l'empilage ainsi réalisé, on définit des canaux d'écoulement pour un premier fluide, qui alternent avec des canaux d'écoulement pour un second fluide, les ouvertures de passage 22 définissant respectivement un conduit d'entrée et un conduit de sortie pour un premier fluide, ainsi qu'un conduit d'entrée et un conduit de sortie pour un second fluide.
Comme on peut le voir sur la figure 1, les ondulations en chevrons 26 ont dans l'exemple un angle d'ouverture supérieur à 90°, typiquement de 120°. Chacune de ces ondulations comporte deux branches symétriques de part et d'autre de l'axe XX, chaque branche s'étendant depuis cet axe XX jusqu'au voisinage d'un grand côté 14. On remarque que certaines de ces ondulations sont interrompues pour permettre de définir les bordures annulaires 24 qui entourent respectivement les ouvertures 22. Par ailleurs, deux bossages rectilignes 28 sont prévue aux extrémités de la plaque, c'est-à-dire respectivement à proximité des petits côtés 16, entre les ouvertures de passage 22.
Lorsque deux plaques adjacentes sont brasées entre elles, on forme un réseau de zones de contact ponctuelles par le croisement des ondulations en chevron. Toutefois, il existe des régions où aucune zone de contact n'est définie. On distingue à cet effet quatre zones de contact Z₁ formées à proximité des régions de coin et des bordures annulaires 24. En effet, les ondulations d'une plaque, par exemple d'une plaque supérieure, se retrouvent en vis-à-vis du creux généré par cette ondulation, ce qui diminue d'un pas d'ondulation la ligne des points brasés, diminuant d'autant la résistance mécanique de la plaque.
On distingue également des zones Z₂. En effet chaque bossage 28 précité génère un point de brasage qui rigidifie cette zone. Mais, comme la même plaque doit être utilisée, ce point de brasage doit être décentré par rapport aux petits côtés 16 de la plaque pour venir se braser. Ce décentrage génère une zone importante sans point de brasage, alternativement du côté gauche et du côté droit, ce qui diminue la résistance mécanique de la plaque.
Les zones Z₁ et Z₂ sont également identifiées sur la figure 2 qui représente une autre plaque de l'art antérieur. On remarque d'abord qu'il n'y a pas de points de contact à la fois dans les zones Z₁ et dans les zones Z₂.
La figure 3 représente une plaque identique à celle de la figure 1 dans une position tournée de 180° et pouvant par conséquent se superposer à la plaque de la figure 1. Les zones Z₁ et Z₂ sont également identifiées.
La coupe de la figure 4 montre comment, dans une zone Z₁, les ondulations 26 d'une plaque 10 supérieure se retrouvent en vis-à-vis du creux généré par cette ondulation, donc sans contact avec le fond 12 d'une plaque inférieure, ce qui diminue d'un pas d'ondulation la ligne des points brasés, comme mentionné précédemment.
Les détails des figures 5 et 6 montrent respectivement les zones de brasage créées par les bossages 28. Comme expliqué précédemment, du fait du décentrage des bossages par rapport aux petits côtés 16 de la plaque, il en résulte une zone importante sans points de brasage, alternativement du côté gauche et du côté droit.
La figure 7, à laquelle on se réfère maintenant, montre schématiquement les ondulations en chevrons 26 et le bossage 28 d'une plaque 10 de la technique antérieure, tous représentés en traits fins. On a également représenté en trait épais une partie des ondulations 26 d'une plaque identique placée au dessus et en position tournée de 180°. On peut voir qu'il existe des points de brasages perdus P identifiés par des petits cercles noirs. Dans l'exemple, on distingue trois points P à proximité de chacune des ouvertures 22 du côté gauche et également trois points P à proximité de chacune des ouvertures 22 du côté droit.
Du fait qu'il n'existe pas de brasage au niveau des points P précités, il en résulte une faiblesse dans la résistance mécanique de la plaque, dans la région des extrémités (têtes).
L'invention permet de surmonter de tels inconvénients.
Il est fait maintenant référence à la figure 8 qui montre schématiquement une plaque 10 selon l'invention qui présente une structure généralement analogue à celle d'une plaque 10 de l'art antérieur telle que décrite précédemment. Les éléments en commun d'une plaque selon l'invention et d'une plaque selon l'art antérieur seront donc désignés par les mêmes références numériques pour éviter des répétitions.
Ce qui distingue essentiellement la plaque de l'invention de la figure 8 par rapport à la plaque de l'art antérieur concerne tout d'abord une première ondulation 26₁ et une deuxième ondulation 26₂. Il s'agit des deux ondulations qui sont les plus proches respectivement de deux ouvertures de passage 22 à une première extrémité de la plaque et à une deuxième extrémité de la plaque (côté gauche et côté droit de la figure 8) et dont les branches respectives vont de l'axe XX jusqu'à proximité des grands côtés 14.
Les ondulations 26₁ et 26₂ en chevron s'étendent globalement chacune entre les deux grands côtés 14 de la plaque. Cependant, l'ondulation 26₁ est composée de deux branches dont chacune comprend une portion continue 30₁ et une portion discontinue 32₁.
Pour chaque branche de la première ondulation 26₁, la portion continue 30₁ s'étend à partir de l'axe longitudinal XX, tandis que sa portion continue 32₁ s'étend dans le prolongement de la portion continue et vers un grand côté 14 de la plaque.
La deuxième ondulation 26₂ comprend, dans chacune de ces branches, une portion continue 30₂ et une portion discontinue 32₂. Ces deux portions sont dans le prolongement l'une de l'autre et s'étendent à chaque fois entre l'axe longitudinal XX et un grand côté 14 de la plaque.
Cependant, dans chaque branche de la deuxième ondulation 26₂, la portion discontinue 32₂ s'étend à partir de l'axe longitudinal médian XX, tandis que la portion continue 30₂ s'étend dans le prolongement de la portion discontinue et vers un grand côté de la plaque.
Les portions discontinues 32₁ et 32₂ comprennent à chaque fois une série alignée de creux et de bosses disposés en alternance. Dans l'exemple représenté, les portions continue et discontinue d'une même branche ont sensiblement la même longueur. Les creux et bosses précités sont schématiquement représentés par des traits interrompus.
Les ondulations et autres reliefs de la plaque de la figure 8 sont représentés en trait fin, tandis qu'une partie des ondulations et reliefs de la plaque supérieure sont représentés en trait fort.
On voit sur la figure 8 que les ondulations de la plaque supérieure viennent maintenant se croiser avec les reliefs supplémentaires formés par les portions discontinues 32₁ et 32₂, ce qui permet de créer des points de brasage dans des zones qui étaient préalablement dépourvues de points de brasage.
La figure 9 est une représentation détaillée d'une plaque 10 de l'invention réalisée conformément à la figure 8. Les éléments communs sont désignés par les mêmes références.
La figure 10 montrent les zones de brasage obtenus avec une plaque selon la figure 8 ou la figure 9. Par comparaison à la figure 2 illustrant l'art antérieur, on distingue quatre zones de brasage supplémentaires Z₃ qui créent des points de brasage supplémentaires près des ouvertures 22, grâce aux ondulations 26₁ et 26₂.
La figure 11 montre comment on crée des points de brasage supplémentaires tout en réduisant leur distance à la tête de la plaque, ce qui augmente sa résistance mécanique dans ces régions d'extrémité.
La figure 11 montre, par comparaison avec la figure 4 de l'art antérieur, comment maintenant les ondulations 26 de la plaque supérieure viennent en contact avec les reliefs supplémentaires 32₁ et 32₂ formés par les portions discontinues précitées.
En revenant aux figures 8 et 9, on voit que la plaque de l'invention comprend d'autres reliefs supplémentaires, à savoir deux bossages d'extrémité 34 situés respectivement aux deux extrémités de la plaque (vers les petits côtés 16) et entre deux ouvertures de passage 22.
Ces deux reliefs 34 s'étendent chacun symétriquement de part et d'autre de l'axe de symétrie et ont une forme en double vague qui s'apparente à celle d'un W. Ces deux reliefs 34 ont ici la même orientation.
On se réfère maintenant aux figures 12 à 15 pour montrer les points de brasage ainsi produits par ces reliefs d'extrémité 34.
Sur le côté gauche de la plaque (figures 12 et 13) on crée trois points de brasage supplémentaires 36. Sur le côté droit de la plaque (figures 14 et 15) on crée cinq points de brasage 38 supplémentaires.
Ainsi, au lieu d'avoir des chevrons délimitant des ondulations rectilignes, on utilise des bossages incurvés qui permettent de maximiser le nombre de points de contact de chaque côté de la plaque tout en minimisant la surface soumise à la pression sans renfort.
La plaque de l'invention trouve une application dans les échangeurs de chaleur à plaques, dans lesquels des plaques identiques sont utilisées. Les plaques sont tournées deux à deux de 180° pour permettre de délimiter des canaux d'écoulement alternés pour un premier fluide et un second fluide.
L'invention trouve une application générale aux échangeurs à plaques, spécialement pour les véhicules automobiles.
Dans une application préférentielle de l'invention, l'échangeur de chaleur est un condenseur de véhicule automobile utilisé pour refroidir un fluide réfrigérant, par exemple un fluide réfrigérant fluoré, par un fluide de refroidissement, tel que le liquide de refroidissement du moteur de véhicule automobile.
Ceci permet de créer un "condenseur à eau" dont l'emplacement peut se situer en tout endroit approprié dans un compartiment moteur de véhicule automobile.

Claims

Plaque d'échangeur de chaleur comprenant un fond (12) muni de quatre ouvertures de passage de fluide (22) et pourvu d'ondulations (26) en chevron, les ondulations de la plaque étant destinées à se croiser avec les ondulations d'une plaque adjacente identique dans une relation superposée où les deux plaques sont tournées de 180°, en formant des zones de contact ponctuelles pour leur brasage mutuel, le fond (12) de la plaque (10) présentant, dans des régions périphériques et/ou à proximité des ouvertures de passage (22), des reliefs supplémentaires (32₁, 32₂; 34) propres à définir des zones de contact ponctuelles supplémentaires pour le brasage, ce qui permet d'améliorer la résistance à la pression de l'échangeur de chaleur, le fond (12) de la plaque étant de forme générale rectangulaire, lesdites ouvertures étant disposées respectivement dans quatre régions de coin et lesdites ondulations s'étendant de part et d'autre d'un axe (XX) longitudinal médian de la plaque, lesdites régions de coins étant munies de dits reliefs supplémentaires, caractérisée en ce qu'une première ondulation (26₁) proche de deux ouvertures de passage (22) à une première extrémité de la plaque et une deuxième ondulation (26₂) proche de deux ouvertures de passage (22) à une seconde extrémité de la plaque ont chacune une portion continue (30₁, 30₂) et une portion discontinue (32₁, 32₂) dans une branche du chevron comprise entre l'axe longitudinal médian (XX) et un grand côté de la plaque (14), la portion discontinue formant les reliefs supplémentaires.
Plaque selon la revendication 1, caractérisée en ce que, dans chaque branche de la première ondulation (26₁), la portion continue (30₁) s'étend à partir de l'axe longitudinal médian (XX), tandis que la portion discontinue (32₁) s'étend dans le prolongement de la portion continue et vers un grand côté (14) de la plaque.
Plaque selon la revendication 1 et 2, caractérisée en ce que, dans chaque branche de la deuxième ondulation (26₂), la portion discontinue (32₂) s'étend à partir de l'axe longitudinal médian (XX), tandis que la portion continue (30₂) s'étend dans le prolongement de la portion discontinue et vers un grand côté (14) de la plaque.
Plaque selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que chaque portion discontinue (32₁, 32₂) comprend une série alignée de creux et de bosses disposés en alternance.
Plaque selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les reliefs supplémentaires comprennent deux reliefs d'extrémité (34) situés respectivement aux deux extrémités de la plaque entre deux ouvertures de passage de fluide (22) et s'étendant chacun symétriquement de part et d'autre de l'axe longitudinal médian (XX).
Plaque selon la revendication 5, caractérisée en ce que chaque relief d'extrémité (34) a sensiblement la forme d'une double vague en W.
Échangeur de chaleur comprenant une multiplicité de plaques (10) selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les plaques sont identiques entre elles et empilées mutuellement en étant tournées deux à deux de 180°, en formant des zones de contact ponctuelles pour le brasage.
Échangeur de chaleur selon la revendication 7, réalisé sous la forme d'un condenseur pour le refroidissement d'un fluide réfrigérant par un fluide de refroidissement.