EP2904344B1 - Armature comprenant deux plaques à ailettes et echangeur thermique comprenant ladite armature - Google Patents

Armature comprenant deux plaques à ailettes et echangeur thermique comprenant ladite armature Download PDF

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EP2904344B1
EP2904344B1 EP12795493.1A EP12795493A EP2904344B1 EP 2904344 B1 EP2904344 B1 EP 2904344B1 EP 12795493 A EP12795493 A EP 12795493A EP 2904344 B1 EP2904344 B1 EP 2904344B1
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EP
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fins
strips
finned
fin
frame
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Erick RIGAUDIE
Nicolas GALMICHE
Damien BURATO
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Parker Hannifin Manufacturing France SAS
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Parker Hannifin Manufacturing France SAS
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Definitions

  • the present invention relates to the field of heat exchangers.
  • It relates more particularly to a frame comprising two finned plates and a heat exchanger comprising such a frame.
  • Thermal exchangers are now known constituted of a stack of heat exchange modules, each module 910 comprising a circulation cell 912 for a fluid to be cooled F1, in particular a liquid, and a circulation cell 914 for a fluid of cooling F2, for example a gas and in particular air, the two cells being thermally coupled to one another.
  • a heat exchange module is illustrated on the figure 1 .
  • the circulation cell for the fluid to be cooled comprises, to increase the heat exchange surface and increase the efficiency of exchanges with the cooling fluid, a plate 916 comprising a plurality of fins 918 substantially rectangular profile distributed in parallel strips contiguous to each other in a direction perpendicular to the direction of said strips.
  • the present invention therefore aims at providing a heat exchanger whose thermal and energy performance are optimal, which requires the use of a reduced amount of materials for its manufacture and which, moreover, is inexpensive.
  • the invention relates to a reinforcement, in particular adapted to be integrated in a heat exchanger, which reinforcement comprises two finned plates, each plate comprising a base and a plurality of heat exchange fins extending from said base, said fins being distributed over at least two strips of fins parallel to each other, said two neighboring strips of fins are separated, in a direction perpendicular to the direction of said strips of fins, by a flat strip devoid of fins, each fin has two distinct ends integral with the base, the base has openings between the respective ends of each fin, and the finned plates are nested so that the fins of the first finned plate fit into spaces defined by view of said flat strips of the second finned plate and are arranged head to tail relative to the fins adjacent portions of the second fin plate, two fin portions of the same orientation are aligned in a direction perpendicular to the fin strips and parallel to the bases of the finned plates, all K finned bands, K being a
  • the lateral direction of a finned plate is defined as the direction in which the fin strips of this finned plate extend.
  • the longitudinal direction of a finned plate is defined as the direction which is both perpendicular to said lateral direction and parallel to the plane of the base of the finned plate also called "base plane”.
  • transverse direction of the finned plate is defined as the direction perpendicular to the base plane.
  • a length relative to a finned plate or a portion of a fins is measured in the longitudinal direction, a width is measured in the lateral direction, and a thickness or height is measured in the transverse direction.
  • a flat strip separating two adjacent strips of fins, in a direction perpendicular to the direction of said strips of fins is defined like a band without fins, extending in the plane of the base.
  • such a flat strip has a width at least equal to that of a strip of fins.
  • the widths of the different strips of fins of the same finned plate are indeed identical.
  • each flat strip extends over the entire length of the fin strips.
  • a finned plate as defined above may be formed in one piece or in several sections assembled or arranged one after the other.
  • each fin has two distinct ends integral with the base, the fin portion defined between said ends being a single continuous piece not merged with said base. It will be understood that the lateral direction of a finned plate is generally parallel to the alignment direction of the two ends of the same fin.
  • the base comprises openings between the respective ends of each fin.
  • each heat exchange fin has at least one oblique portion relative to the base or a curved portion.
  • each fin has at least one portion that is neither parallel nor perpendicular to the base plane of the fin plate.
  • the fin has two oblique portions or curves inclined in opposite directions, extending from the base of the finned plate.
  • Such a configuration gives the fin a certain elasticity or flexibility in the transverse direction of the finned plate. It has been demonstrated that such flexibility of the fins allows the use of a smaller amount of material than in the prior art, the plate used to make a finned plate according to the invention may have a low thickness. This provision therefore also has environmental and economic benefits.
  • each fin has a trapezoidal profile devoid of right angle.
  • Each side of the trapezoid can for example, to be inclined with respect to the base plane by an angle of between 20 ° and 70 °, and preferably equal to 45 °.
  • This example is not, however, limiting, and the fins may have any other shape giving them a certain elasticity in the transverse direction, including partially or fully curved shapes.
  • each fin has a plane of symmetry perpendicular to the lateral direction of the finned plate comprising said fin.
  • two adjacent fins of two adjacent strips of fins are offset relative to each other in the direction of said strips of fins.
  • two neighboring strips of fins are for example offset relative to each other in the direction of said bands (i.e. the lateral direction).
  • two neighboring strips of fins are separated by a continuous flat strip extending over the entire length of said strips of fins.
  • each flat band segment is associated and attached to a respective fin of an adjacent fin strip.
  • the base is a metal plate in which the fins are made by stamping-cutting.
  • the base is a metal plate in which the fins are made by cutting-folding. With this method, the thickness of the plate remains substantially constant.
  • two adjacent strips of fins, respectively belonging to the two fin plates, are offset relative to each other in the direction of said strips of fins.
  • two portions of fins of the same orientation are aligned in a direction perpendicular to the fin strips and parallel to the bases of the finned plates (ie in the direction longitudinal), all K fin bands, K being an integer greater than 2, preferably equal to 4.
  • K corresponds to what will be called in the following the periodicity, that is to say the frequency of occurrence in the longitudinal direction Y.
  • the offset will be considered in the lateral direction.
  • the periodicity and the offset value of the fins encountered by the fluid flowing through the frame allows optimal heat exchange.
  • the invention also relates to a heat exchanger comprising a stack of heat exchange modules, each module comprising a circulation cell for a fluid to be cooled and a circulation cell for a cooling fluid contiguous and thermally coupled. to one another, the circulation cell for the fluid to be cooled and / or the circulation cell for the cooling fluid comprising a reinforcement as defined above.
  • each circulation cell housing an armature comprises at least two spacers each comprising a first support face and a second opposite parallel support face adapted to come into contact with the respective bases of the two. wing plates of said frame.
  • the distance separating the two bearing faces of each spacer is less than the height of the heat exchange fins.
  • FIG. 2 there is shown a heat exchanger 80 according to one embodiment of the invention, comprising a plurality of heat exchange modules 10 stacked in a transverse direction Z1.
  • the stack is here surrounded by a frame 82 comprising two longitudinal sides 84a, 84b provided with fixing means 85, and two other sides 86a, 86b extending in the transverse direction Z1 and respectively defining an inlet manifold CE provided with at least one entry 88 and an outlet manifold CS provided with at least one outlet 90 for a fluid to be cooled.
  • each heat exchange module 10 comprises a cell for the circulation of said fluid to be cooled (hereinafter also the first circulation cell) extending in the longitudinal direction Y1 of the heat exchanger 80 from the collector CE input to the CS output manifold.
  • Each module 10 further comprises a cell for the circulation of a cooling fluid (hereinafter also second circulation cell), opening outwards at its two ends, opposite in the lateral direction of the exchanger.
  • a cooling fluid hereinafter also second circulation cell
  • each first circulation cell is delimited by a first and a second separation plate 70, 72, spaced apart by a first pair of spacers 60a, 60b.
  • An armature 16 (see Figures 7A and 7B ) according to the present invention comes to garnish the interior space defined between these different elements.
  • Each second circulation cell is delimited by a second pair of spacers 78 (only one is shown on the figure 3 ), and houses a block of blades 74.
  • the various elements of the heat exchange module 10 can be fixed to each other by welding and / or brazing techniques known per se and not detailed here.
  • heat exchanger of the example in question is not limiting of the present invention.
  • an exchanger according to the invention may have any other suitable configuration.
  • the fluid to be cooled and the cooling fluid can circulate along paths that are no longer perpendicular but parallel, in opposite directions or in the same direction.
  • An armature 16 according to the invention intended, as indicated above, to be placed in a circulation cell of a heat exchange module, will now be described in more detail.
  • Such an armature 16 consists of two similar plates 20 (hereinafter wing plates) nested one inside the other.
  • a fin plate 20 has a base 22 of generally rectangular shape defined in a base plane PB.
  • the lateral direction X of the finned plate 20 is defined for the following, in which extend its short sides 24a, 24b, its longitudinal direction Y, in which extend its long sides 26a, 26b, and finally its transverse direction. Z, normal to the basic plane PB. To simplify the representation, only a portion of the plate 20 is represented on the Figures 4 and 5 . As indicated by the dashed lines, the plate continues identically in the longitudinal direction Y.
  • the longitudinal direction Y of a finned plate 20 included in this exchanger is parallel to the longitudinal direction Y1 of the exchanger 80.
  • the lateral direction X of the finned plate 20 is parallel to the lateral direction X1 of the exchanger 80.
  • the transverse direction Z of the finned plate is parallel to the transverse direction Z1 of the exchanger 80.
  • the base 22 has a plurality of substantially rectangular openings 28 arranged in parallel rows oriented in the lateral direction X. Referring to FIG. figure 4 it is understood that each of these openings is overhung by a fin 30 extending from the base 22 in the transverse direction Z.
  • Each fin 30 is here a continuous piece not confused with the base but connected thereto by two ends.
  • the finned plate 20 comprises a plurality of corrugated strips or strips of fins 34, separated from each other by continuous flat base strips 32, here of the same width (measured in the longitudinal direction Y of the plate) and extending over all or substantially the entire width of the plate.
  • all the fins 30 project from the same side of the fin plate, the opposite side remaining generally plane.
  • Such a plate 20 is for example obtained by simultaneously punching and stamping a flat sheet.
  • two adjacent fins 30 are separated from each other by a portion coinciding with the base 22 and said intermediate portion 36.
  • the fins 30 have almost all the same isosceles trapezium profile.
  • Each comprises a first oblique wall 42 and a second oblique wall 44 inclined in opposite direction to the first, connected via a junction portion 40 parallel to the base plane PB and spaced from said plane PB by a predetermined distance d1 corresponding to the total thickness of the fin plate 20.
  • the oblique walls 42, 44 are both inclined at an angle z of 45 ° with respect to the base plane PB.
  • the junction portion 40 here has the same length as the intermediate portion 36 above.
  • two fins plates 120, 220 similar and in accordance with that described above are assembled to form a frame 16 of the type illustrated on the drawings.
  • Figures 7A , 7B and 8 The elements already described with reference to the finned plate 20 include the same numerical references on the Figures 6 to 10 , possibly incremented by 100 or 200 according to that of the two fin plates 120, 220 which is in question.
  • each fin of each band of wings of rank 2N is in particular aligned, in the longitudinal direction Y, with a fin of each other band of rank 2N.
  • This offset, in the lateral direction X, between the rank 2N and rank 2N + 1 bands, is here equal to a quarter of the length L of a fin, measured in the same lateral direction X.
  • the rank 2N strips comprise, in fact, a fin portion 50 in addition, at one of their ends. Each of these fin parts is folded towards the base plane according to a triangular profile 50, as illustrated in FIG. figure 4 . Of the figure 6 , it further emerges from said fin portion has a length equal to L / 2, ie half the length of a fin.
  • two immediately adjacent wings of rank 2N and 2N + 1 are spaced, in the longitudinal direction Y, by a distance at least equal to the width of a strip of fins in this direction Y.
  • the aforementioned configuration is such that two finned plates 120, 220 of the aforementioned type can be arranged head to tail to form a frame 16.
  • first large side 126a of the first finned plate 120 is disposed opposite the second major side 226a of the second plate 220, and the second major side 126b of the first finned plate 120 is opposite the first major 226b side of the second plate 220 (see figure 3 ).
  • the joining portions 140 of the fins 130 of the first finned plate 120 are opposite the flat strips 232 of the second finned plate 220, and vice versa.
  • the fins of the 4N rank strips are aligned with each other in the longitudinal direction Y, as are the fins of the 4N + 1 rank strips offset relative to each other.
  • the fins of the 4N rank strips of a distance L / 4 in the lateral direction X that the fins of the rank 4N + 2 strips offset with respect to the fins of the 4N rank strips by a distance L / 2
  • fin branches of the same orientation appear in the longitudinal direction Y, with a periodicity of 4.
  • two portions of fins of the same orientation are aligned in the longitudinal direction Y, all 4 strips of fins.
  • D the distance separating two successive wing branches of the same orientation, in the longitudinal direction Y, is denoted by D, and D is here equal to 3 times the width of a strip of fins.
  • a fluid F passing through the armature 16, in the longitudinal direction Y successively encounters (if we consider portions of the width of a band of fins) a fin, then nothing, nothing, nothing, a fin, nothing, nothing, nothing, a fin, etc.
  • a sheet of fluid of the same cross section as a fin and flowing along F passes closer to the fins of rank 4N in this longitudinal direction Y.
  • the periodicity of the fins inside the armature 16 may be different from 4, and in particular greater than 4.
  • the offset value of the fins may also be chosen according to fluids concerned.
  • each spacer 60a, 60b is in the form of an elongated element having a first opposite bearing face 63 and a second opposite support face 64, spaced from each other by a distance d3.
  • These two bearing faces have a length L1 substantially equal to the length of the heat exchanger 80 in which the armature 16 must be integrated (see figure 2 ), and a width l2 sufficient to ensure good support of the bases of the first and second finned plate.
  • the two bearing faces 63, 64 of a spacer 60a, 60b are connected by a V-shaped side, intended to be directed towards the inside of the fluid circulation cell.
  • the faces 61, 62 forming the V-shaped profile are inclined relative to the bearing faces 63, 64 of the spacer by an angle equal to the angle of inclination z of the fin walls 42, 44, c '. that is to say here 45 °.
  • the side 65 opposite the V-shaped profile extends perpendicularly to the two bearing faces 63, 64.
  • each fin plate 20 has, at each of its lateral ends 126a, 126b, 226a, 226b an edge respectively 125a, 125b, 225a, 225b folded perpendicularly to the base 22 and of constant height over the entire width of the finned plate 20.
  • each folded edge 125a, 125b, 225a, 225b is pressed against the side 65 of a spacer 60a, 60b.
  • the height of the folded edges of each finned plate is chosen to be less than at least half the thickness d3 of the spacer, so that the respective edges of the two finned plates 120, 220 opposite do not overlap.
  • the shape of the fins and in particular their oblique walls 42, 44 give them a relative elasticity, which makes it possible to reduce the dimensional constraints during assembly between the separating plates 70, 72.
  • the oblique parts of the fins flex when the plates 70, 72 are brought closer to each other until they come into contact with the bearing faces of the struts.
  • the figure 11 illustrates two finned plates 320, 420 according to this second embodiment, nested one inside the other of the same in the previous mode, and forming a reinforcement 116.
  • the elements already described with reference to the finned plates 20, 120, 220 have the same reference numerals as on the Figures 6 to 10 , possibly incremented by 100 or 200 according to that of the two wing plates 320, 420 which is in question.
  • Each vane plate 320, 420 is characterized in that two adjacent vane strips of the same plate are separated by a discontinuous flat strip 332, 432 formed by an alignment of flat segments 333, 433 alternated with openings 337, 437 As illustrated on the figure 11 , segments 333, 433 generally have a length L5 substantially equal to that L4 measured between two intermediate portions 336, 436 of a strip of fins.
  • Such a finned plate 320, 420 is obtained by cutting a metal plate and then folding to obtain the fins. Unlike the previous embodiment, no stamping operation is necessary.
  • the fins 430 of the second finned plate 420 are positioned facing the flat strips 332 of the first finned plate 320, the portion junction 440 of each fin 430 of the second plate 420 being placed between two band segments 333 of the first plate 320, in an opening 337.
  • the fins 330 of the first finned plate 320 are positioned facing the flat strips 432 of the second finned plate 420, the joining portion 340 of each fin 330 of the first plate 320 being placed between two segments 433 of the second plate 420, in an opening 437.
  • the separator plates 70, 72 are directly in contact with the spacers 60a, 60b.
  • the intermediate portions 336, 436 and / or the joining portions 340, 440 may be attached to the connecting plates against which they respectively come into abutment, in particular by brazing or welding.

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Description

    Domaine technique
  • La présente invention concerne le domaine des échangeurs thermiques.
  • Elle concerne plus particulièrement une armature comprenant deux plaques à ailettes et un échangeur thermique comprenant une telle armature.
    • Arrière-plan de l'invention
  • On connaît aujourd'hui des échangeurs thermiques constitués d'un empilement de modules d'échange thermique, chaque module 910 comprenant une cellule de circulation 912 pour un fluide à refroidir F1, notamment un liquide, et une cellule de circulation 914 pour un fluide de refroidissement F2, par exemple un gaz et notamment de l'air, les deux cellules étant thermiquement couplées l'une à l'autre. Un tel module d'échange thermique est illustré sur la figure 1.
  • La cellule de circulation pour le fluide à refroidir comprend, pour accroître la surface d'échange thermique et augmenter l'efficacité des échanges avec le fluide de refroidissement, une plaque 916 comportant une pluralité d'ailettes 918 à profil sensiblement rectangulaire réparties en bandes parallèles accolées l'une à l'autre dans une direction perpendiculaire à la direction desdites bandes.
  • Une telle plaque à ailettes est loin d'apporter un rendement satisfaisant. Or, dans le cadre des préoccupations environnementales actuelles, il est nécessaire entre autres d'optimiser le rendement énergétique des appareils et notamment des échangeurs thermiques, sans augmenter ni leur coût, ni la quantité de matériaux utilisés pour leur fabrication.
  • Les documents JP H07 265985 , US 2004/177668 , US 6 273 183 , JP H09 296989 et US 5 689 881 décrivent plusieurs exemples de structures pour échangeurs de chaleur US 5,829,514 décrit une armature comprenant deux plaques à ailettes.
    • Obiet et résumé de l'invention
  • La présente invention vise donc à proposer un échangeur thermique dont les performances thermiques et énergétiques sont optimales, qui nécessite l'utilisation d'une quantité réduite de matériaux pour sa fabrication et qui, par ailleurs, est peu onéreux.
  • Selon un premier aspect, l'invention concerne une armature, notamment adaptée à être intégrée dans un échangeur thermique, laquelle armature comprend deux plaques à ailettes, chaque plaque comprenant une base et une pluralité d'ailettes d'échange thermique s'étendant depuis ladite base, lesdites ailettes étant réparties sur au moins deux bandes d'ailettes parallèles entre elles, lesdites deux bandes d'ailettes voisines sont séparées, dans une direction perpendiculaire à la direction desdites bandes d'ailettes, par une bande plate dépourvue d'ailettes, chaque ailette comporte deux extrémités distinctes solidaires de la base, la base comporte des ouvertures entre les extrémités respectives de chaque ailette, et les plaques à ailettes sont imbriquées de sorte que les ailettes de la première plaque à ailettes s'insèrent dans des espaces définis en regard desdites bandes plates de la seconde plaque à ailettes et sont disposées tête-bêche par rapport aux ailettes adjacentes de la seconde plaque à ailettes, deux portions d'ailettes de même orientation sont alignées dans uns direction perpendiculaire aux bandes d'ailettes et parallèle aux bases des plaques à ailettes, toutes les K bandes d'ailettes, K étant un nombre entier supérieur à 2.
  • Pour toute la présente demande, on définit la direction latérale d'une plaque à ailettes comme la direction dans laquelle s'étendent les bandes d'ailettes de cette plaque à ailettes.
  • De la même manière, on définit la direction longitudinale d'une plaque à ailettes comme la direction qui est à la fois perpendiculaire à ladite direction latérale et parallèle au plan de la base de la plaque à ailettes aussi appelé « plan de base ».
  • Enfin, on définit la direction transverse de la plaque à ailettes comme la direction perpendiculaire au plan de base.
  • Sauf indication contraire, dans toute la présente demande, une longueur relative à une plaque à ailettes ou une partie d'une plaque à ailettes est mesurée dans la direction longitudinale, une largeur est mesurée dans la direction latérale, et une épaisseur ou une hauteur est mesurée dans la direction transverse.
  • Dans une plaque à ailettes telle que définie précédemment, une bande plate séparant deux bandes d'ailettes voisines, dans une direction perpendiculaire à la direction desdites bandes d'ailettes, est définie comme une bande dépourvue d'ailettes, s'étendant dans le plan de la base.
  • Selon un exemple avantageux de l'invention, une telle bande plate présente une largeur au moins égale à celle d'une bande d'ailettes.
  • Généralement, les largeurs des différentes bandes d'ailettes d'une même plaque à ailettes sont, en effet, identiques.
  • Généralement, en outre, chaque bande plate s'étend sur toute la longueur des bandes d'ailettes.
  • Selon une disposition de l'invention, une plaque à ailettes telle que définie précédemment peut être formée d'une seule pièce ou en plusieurs tronçons assemblés ou disposés les uns à la suite des autres.
  • Selon l'invention, chaque ailette comporte deux extrémités distinctes solidaires de la base, la partie d'ailette définie entre lesdites extrémités étant une seule pièce continue non confondue avec ladite base. On comprend que la direction latérale d'une plaque à ailettes est généralement parallèle à la direction d'alignement des deux extrémités d'une même ailette.
  • Selon l'invention, la base comporte des ouvertures entre les extrémités respectives de chaque ailette.
  • Selon une disposition avantageuse de l'invention, chaque ailette d'échange thermique comporte au moins une partie oblique par rapport à la base ou une partie courbe. Autrement dit, chaque ailette comporte au moins une partie qui n'est ni parallèle ni perpendiculaire au plan de base de la plaque à ailettes.
  • De manière préférentielle, l'ailette présente deux parties obliques ou courbes inclinées dans des sens opposés, s'étendant depuis la base de la plaque à ailettes. Une telle configuration confère à l'ailette une certaine élasticité ou flexibilité dans la direction transverse de la plaque à ailettes. Il a été démontré qu'une telle flexibilité des ailettes permet l'utilisation d'une quantité de matière moindre que dans l'art antérieur, la plaque utilisée pour réaliser une plaque à ailettes selon l'invention pouvant présenter une épaisseur faible. Cette disposition présente donc également des avantages sur le plan environnemental et économique.
  • Selon un exemple de réalisation, chaque ailette présente un profil trapézoïdal dépourvu d'angle droit. Chaque côté du trapèze peut par exemple être incliné par rapport au plan de base d'un angle compris entre 20° et 70°, et de préférence égal à 45°. Cet exemple n'est cependant pas limitatif, et les ailettes pourront présenter toute autre forme leur conférant une certaine élasticité dans la direction transverse, notamment des formes partiellement ou entièrement courbes.
  • De préférence, chaque ailette présente un plan de symétrie perpendiculaire à la direction latérale de la plaque à ailettes comprenant ladite ailette.
  • Avantageusement, deux ailettes adjacentes de deux bandes d'ailettes voisines sont décalées l'une par rapport à l'autre dans la direction desdites bandes d'ailettes. Pour cela, deux bandes d'ailettes voisines sont par exemple décalées l'une par rapport à l'autre dans la direction desdites bandes (i.e. la direction latérale).
  • La valeur du décalage des ailettes que rencontre le fluide permet un échange thermique optimal.
  • Selon un premier exemple, deux bandes d'ailettes voisines sont séparées par une bande plate continue s'étendant sur toute la longueur desdites bandes d'ailettes.
  • Selon un deuxième exemple, deux bandes d'ailettes voisines sont séparées par une bande plate discontinue formée d'une succession de segments entrecoupés d'ouvertures. De préférence, chaque segment de bande plate est associé et rattaché à une ailette respective d'une bande d'ailettes adjacente.
  • Selon le premier exemple, la base est une plaque métallique dans laquelle les ailettes sont réalisées par emboutissage-découpage.
  • Selon un deuxième exemple, la base est une plaque métallique dans laquelle les ailettes sont réalisées par découpage-pliage. Avec cette méthode, l'épaisseur de la plaque reste sensiblement constante.
  • Selon un exemple, dans l'armature selon l'invention, deux bandes d'ailettes adjacentes, appartenant respectivement aux deux plaques à ailettes, sont décalées l'une par rapport à l'autre dans la direction desdites bandes d'ailettes.
  • Selon l'invention, deux portions d'ailettes de même orientation sont alignées dans une direction perpendiculaire aux bandes d'ailettes et parallèle aux bases des plaques à ailettes (i.e. dans la direction longitudinale), toutes les K bandes d'ailettes, K étant un nombre entier supérieur à 2, de préférence égal à 4.
  • K correspond à ce qui sera appelé dans la suite la périodicité, c'est-à-dire la fréquence d'apparition dans la direction longitudinale Y.
  • Dans la suite, sauf indication contraire, le décalage sera considéré dans la direction latérale.
  • La périodicité et la valeur du décalage des ailettes que rencontre le fluide circulant à travers l'armature permet un échange thermique optimal.
  • Selon un troisième aspect, l'invention concerne également un échangeur thermique comprenant un empilement de modules d'échange thermique, chaque module comprenant une cellule de circulation pour un fluide à refroidir et une cellule de circulation pour un fluide de refroidissement accolées et thermiquement couplées l'une à l'autre, la cellule de circulation pour le fluide à refroidir et/ou la cellule de circulation pour le fluide de refroidissement comprenant une armature telle que définie ci-dessus.
  • Selon un exemple, pour assurer l'étanchéité, chaque cellule de circulation abritant une armature comprend au moins deux entretoises comportant chacune une première face d'appui et une deuxième face d'appui parallèles opposées adaptées à venir en contact avec les bases respectives des deux plaques à ailettes de ladite armature.
  • Selon un exemple, la distance séparant les deux faces d'appui de chaque entretoise est inférieure à la hauteur des ailettes d'échange thermique. Lorsque l'armature est montée entre deux plaques séparatrices espacées l'une de l'autre par lesdites entretoises, les ailettes sont élastiquement déformées, du fait de leur relative flexibilité dans la direction transverse, de manière à assurer un contact permanent avec lesdites plaques séparatrices et donc un échange thermique efficace.
  • Plusieurs modes et exemples de mise en œuvre sont décrits dans le présent exposé. Toutefois, sauf précision contraire, les caractéristiques décrites en relation avec un mode ou exemple quelconque peuvent être appliquées à un autre mode ou exemple de mise en œuvre.
    • Brève description des dessins
  • L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de plusieurs modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels :
    • la figure 1 illustre un module d'échange thermique de l'art antérieur,
    • la figure 2 est une vue d'ensemble d'un échangeur thermique selon un mode de réalisation de l'invention,
    • la figure 3 est une vue éclatée d'un module d'échange thermique contenu dans l'échangeur de la figure 2,
    • les figures 4 et 5 sont des vues partielles en perspective d'une plaque à ailettes selon un premier mode de réalisation, respectivement de dessus et de dessous,
    • la figure 6 illustre la plaque à ailettes des figures 4 et 5 en vue de dessus,
    • les figures 7A et 7B montrent une armature selon le premier mode de réalisation de l'invention, en vue de face,
    • la figure 8 montre plus en détail l'agencement des ailettes dans l'armature des figures 7A et 7B,
    • la figure 9 illustre l'armature de la figure 8 en vue de dessus,
    • la figure 10 est une vue en coupe partielle de l'armature de la figure 8,
    • la figure 11 montre une armature selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, en perspective,
    • la figure 12 montre l'armature de la figure 11, en vue de face.
    Description détaillée de plusieurs modes de réalisation
  • Sur la figure 2, on a représenté un échangeur thermique 80 selon un mode de réalisation de l'invention, comprenant une pluralité de modules d'échange thermique 10 empilés selon une direction transverse Z1.
  • L'empilement est ici entouré par un cadre 82 comprenant deux côtés longitudinaux 84a, 84b munis de moyens de fixation 85, et deux autres côtés 86a, 86b s'étendant dans la direction transverse Z1 et définissant respectivement un collecteur d'entrée CE muni d'au moins une entrée 88 et un collecteur de sortie CS muni d'au moins une sortie 90 pour un fluide à refroidir.
  • Dans l'exemple illustré, chaque module d'échange thermique 10 comprend une cellule pour la circulation dudit fluide à refroidir (ci-après aussi première cellule de circulation) s'étendant dans la direction longitudinale Y1 de l'échangeur thermique 80 depuis le collecteur d'entrée CE jusqu'au collecteur de sortie CS.
  • Chaque module 10 comporte, en outre, une cellule pour la circulation d'un fluide de refroidissement (ci-après aussi seconde cellule de circulation), débouchant vers l'extérieur à ses deux extrémités, opposées dans la direction latérale de l'échangeur.
  • Comme illustré sur la figure 3, chaque première cellule de circulation est délimitée par une première et une seconde plaque de séparation 70, 72, espacées par une première paire d'entretoises 60a, 60b. Une armature 16 (voir les figures 7A et 7B) selon la présente invention vient garnir l'espace intérieur défini entre ces différents éléments.
  • Chaque seconde cellule de circulation est, elle, délimitée par une deuxième paire d'entretoises 78 (une seule est représentée sur la figure 3), et abrite un bloc d'ailettes 74.
  • Les différents éléments du module d'échange thermique 10 peuvent être fixés les uns aux autres par des techniques de soudage et/ou brasage connues en soi et non détaillées ici.
  • A noter que l'échangeur thermique de l'exemple considéré n'est aucunement limitatif de la présente invention. Ainsi, un échangeur selon l'invention pourra présenter toute autre configuration adaptée. Par exemple, le fluide à refroidir et le fluide de refroidissement pourront circuler selon des trajets non plus perpendiculaires mais parallèles, dans des sens opposés ou dans le même sens.
  • Une armature 16 selon l'invention, destinée, comme indiquée ci-dessus, à être placée dans une cellule de circulation d'un module d'échange thermique, va à présent être décrite plus en détail.
  • Une telle armature 16 se compose de deux plaques semblables 20 (ci-après plaques à ailettes) imbriquées l'une dans l'autre.
  • Pour bien comprendre la structure de l'armature 16, il est donc nécessaire de décrire tout d'abord l'une de ces plaques à ailettes 20. C'est ce qui va être fait dans la suite en référence aux figures 4 et 5.
  • Comme illustré sur la figure 4, une plaque à ailettes 20 comporte une base 22 de forme générale rectangulaire, définie dans un plan de base PB.
  • On définit pour la suite la direction latérale X de la plaque à ailettes 20, dans laquelle s'étendent ses petits côtés 24a, 24b, sa direction longitudinale Y, dans laquelle s'étendent ses grands côtés 26a, 26b, et enfin sa direction transverse Z, normale au plan de base PB. Pour simplifier la représentation, seule une portion de la plaque 20 est représentée sur les figures 4 et 5. Comme indiqué par les lignes en pointillés, la plaque se poursuit de manière identique dans la direction longitudinale Y.
  • En se référant à l'échangeur thermique 80 de la figure 2, la direction longitudinale Y d'une plaque à ailettes 20 inclue dans cet échangeur est parallèle à la direction longitudinale Y1 de l'échangeur 80. De la même manière, la direction latérale X de la plaque à ailettes 20 est parallèle à la direction latérale X1 de l'échangeur 80. Enfin, la direction transverse Z de la plaque à ailettes est parallèle à la direction transverse Z1 de l'échangeur 80.
  • Comme illustré sur la figure 5, la base 22 présente une pluralité d'ouvertures 28 sensiblement rectangulaires, disposées en rangées parallèles orientées dans la direction latérale X. Si l'on se réfère à la figure 4, on comprend que chacune de ces ouvertures est surplombée par une ailette 30 s'étendant depuis la base 22 dans la direction transverse Z.
  • Chaque ailette 30 est donc ici une pièce continue non confondue avec la base mais reliée à celle-ci par deux extrémités.
  • Autrement dit, la plaque à ailettes 20 comporte une pluralité de bandes ondulées ou bandes d'ailettes 34, séparées entre elles par des bandes de base plates continues 32, ici de même largeur (mesurée dans la direction longitudinale Y de la plaque) et s'étendant sur toute ou sensiblement toute la largeur de la plaque. Comme il ressort des figures 4 et 5, toutes les ailettes 30 font saillie d'un même côté de la plaque à ailettes, le côté opposé restant globalement plan.
  • Une telle plaque 20 est par exemple obtenue par poinçonnage et emboutissage simultanés d'une tôle plane.
  • Au sein d'une même bande d'ailettes 34, deux ailettes adjacentes 30 sont séparées l'une de l'autre par une portion confondue avec la base 22 et dite portion intermédiaire 36.
  • Comme il ressort de la figure 4, les ailettes 30 présentent presque toutes le même profil en trapèze isocèle.
  • Chacune comprend ainsi une première paroi oblique 42 et une seconde paroi oblique 44 inclinée en sens inverse de la première, connectées par l'intermédiaire d'une portion de jonction 40 parallèle au plan de base PB et espacée dudit plan PB d'une distance prédéterminée d1 correspondant à l'épaisseur totale de la plaque à ailettes 20. Dans l'exemple illustré, les parois obliques 42, 44 sont toutes deux inclinées d'un angle z de 45° par rapport au plan de base PB. En outre, la portion de jonction 40 a ici la même longueur que la portion intermédiaire 36 précitée.
  • Selon un aspect de l'invention, deux plaques à ailettes 120, 220 semblables et conformes à celle 20 décrite ci-dessus sont assemblées pour former une armature 16 du type illustré sur les figures 7A, 7B et 8. Les éléments déjà décrits en référence à la plaque à ailettes 20 comportent les mêmes références numériques sur les figures 6 à 10, éventuellement incrémentées de 100 ou 200 selon celle des deux plaques à ailettes 120, 220 dont il est question.
  • Sur la figure 6 qui illustre une telle plaque 120 en vue de dessus, on observe que les bandes d'ailettes de rang 2N (N étant un nombre entier) présentent toute une configuration identique. Chaque ailette de chaque bande d'ailettes de rang 2N est notamment alignée, dans la direction longitudinale Y, avec une ailette de chaque autre bande de rang 2N.
  • Sur la même figure 6, on constate que les bandes d'ailettes de rang 2N+1 (N étant un nombre entier) sont toutes décalées par rapport aux bandes de rang 2N, dans la direction latérale X.
  • Ce décalage, dans la direction latérale X, entre les bandes de rang 2N et celles de rang 2N+1, est ici égal à un quart de la longueur L d'une ailette, mesurée dans la même direction latérale X.
  • On constate, toujours en observant la figure 6, que toutes les bandes de rang 2N présentent une même longueur, supérieure à celle des bandes de rang 2N+1. Dans l'exemple, les bandes de rang 2N comprennent, en effet, une portion d'ailette 50 en plus, à l'une de leurs extrémités. Chacune de ces parties d'ailette est rabattue vers le plan de base selon un profil triangulaire 50, comme illustré sur la figure 4. De la figure 6, il ressort en outre de ladite portion d'ailette a une longueur égale à L/2, autrement dit la moitié de la longueur d'une ailette.
  • Enfin, deux bandes d'ailettes de rang 2N et 2N+1, immédiatement voisines, sont espacées, dans la direction longitudinale Y, d'une distance au moins égale à la largeur d'une bande d'ailettes dans cette direction Y.
  • La configuration précitée est telle que deux plaques à ailettes 120, 220 du type précité peuvent être disposées tête bêche afin de constituer une armature 16.
  • Dans cette position, le premier grand côté 126a de la première plaque à ailettes 120 est disposé en regard du second grand côté 226a de la deuxième plaque 220, et le deuxième grand côté 126b de la première plaque à ailettes 120 est en regard du premier grand côté 226b de la deuxième plaque 220 (voir figure 3).
  • D'autre part, les parties de jonction 140 des ailettes 130 de la première plaque à ailettes 120 se trouvent en regard des bandes plates 232 de la deuxième plaque à ailettes 220, et vice versa.
  • La configuration obtenue est illustrée par les figures 7A, 7B, 8, 9 et 10.
  • En référence à la figure 9, si l'on considère indifféremment les bandes d'ailettes des deux plaques à ailettes, les ailettes des bandes de rang 4N sont alignées entre elles dans la direction longitudinale Y, de même que les ailettes des bandes de rang 4N+1 décalées par rapport aux ailettes des bandes de rang 4N d'une distance L/4 dans la direction latérale X, que les ailettes des bandes de rang 4N+2 décalées par rapport aux ailettes des bandes de rang 4N d'une distance L/2, et que les ailettes des bandes de rang 4N+3 décalées par rapport aux ailettes des bandes de rang 4N d'une distance 3L/4.
  • Sur les figures 8 et 10 en particulier, il apparaît que des branches d'ailette de même orientation apparaissent, dans la direction longitudinale Y, avec une périodicité de 4. En d'autre termes, deux portions d'ailettes de même orientation sont alignées dans la direction longitudinale Y, toutes les 4 bandes d'ailettes. Sur la figure, la distance séparant deux branches d'ailettes successives de même orientation, dans la direction longitudinale Y, est notée D, et D est ici égale à 3 fois la largeur d'une bande d'ailettes.
  • Autrement dit, un fluide F traversant l'armature 16, dans la direction longitudinale Y, rencontre successivement (si l'on considère des portions de la largeur d'une bande d'ailettes) une ailette, puis rien, rien, rien, une ailette, rien, rien, rien, une ailette, etc.
  • Encore dit autrement, une nappe de fluide de même section transversale qu'une ailette et s'écoulant selon F passe au plus près des ailettes de rang 4N selon cette direction longitudinale Y.
  • De telles dispositions permettent de réduire considérablement les pertes de pression à l'intérieur de l'armature 16 par rapport aux dispositifs de l'art antérieur qui fonctionnent en mode « on-off », c'est-à-dire avec une périodicité de 2. Dans ces dispositifs connus, en effet, le fluide est en contact avec des ailettes sur la moitié de son trajet. Or les ailettes forment un frein important à l'écoulement, entraînant une perte de pression du fluide. La quantité d'énergie à mettre en œuvre pour un même rendement est ainsi beaucoup plus importante.
  • Selon d'autres exemples de réalisation de l'invention, la périodicité des ailettes à l'intérieur de l'armature 16 peut être différente de 4, et notamment supérieure à 4. La valeur de décalage des ailettes peut en outre être choisie en fonction des fluides concernés.
  • De la figure 7A, il ressort que les deux plaques à ailettes 120, 220 sont maintenues en position, à l'intérieur du module d'échange thermique 10, au moyen des deux entretoises 60a, 60b prises en sandwich entre lesdites plaques.
  • Comme illustré sur la figure 3, chaque entretoise 60a, 60b se présente sous la forme d'un élément allongé comportant une première face d'appui 63 et une deuxième face d'appui 64 parallèles opposées, espacées l'une de l'autre d'une distance d3. Ces deux faces d'appui présentent une longueur L1 sensiblement égale à la longueur de l'échangeur thermique 80 dans lequel l'armature 16 doit être intégrée (voir figure 2), et une largeur l2 suffisante pour assurer un bon appui des bases de la première et de la deuxième plaque à ailettes.
  • Les deux faces d'appui 63, 64 d'une entretoise 60a, 60b sont reliées par un côté à profil en V, destiné à être dirigé vers l'intérieur de la cellule de circulation de fluide. Les faces 61, 62 formant le profil en V sont inclinées par rapport aux faces d'appui 63, 64 de l'entretoise d'un angle égal à l'angle d'inclinaison z des parois d'ailettes 42, 44, c'est-à-dire ici de 45°. Le côté 65 opposé au profil en V s'étend, lui, perpendiculairement aux deux faces d'appui 63, 64.
  • Dans l'exemple illustré, chaque plaque à ailettes 20 comporte, à chacune de ses extrémités latérales 126a, 126b, 226a, 226b un bord respectivement 125a, 125b, 225a, 225b plié perpendiculairement à la base 22 et de hauteur constante sur toute la largeur de la plaque à ailettes 20.
  • Chaque bord replié 125a, 125b, 225a, 225b vient s'appliquer contre le côté 65 d'une entretoise 60a, 60b. De manière préférentielle, la hauteur des bords repliés de chaque plaque à ailettes est choisie inférieure au moins légèrement à la moitié de l'épaisseur d3 de l'entretoise, de sorte que les bords respectifs des deux plaques à ailettes 120, 220 en regard ne se superposent pas.
  • On rappelle que l'ensemble formé par les entretoises 60a, 60b et les plaques à ailettes 120, 220 est monté entre deux plaques de séparation 70, 72 telles que décrites précédemment en liaison avec la figure 3.
  • La forme des ailettes et notamment leurs parois obliques 42, 44 confèrent à celles-ci une relative élasticité, qui permet de diminuer les contraintes dimensionnelles lors du montage entre les plaques de séparations 70, 72. Dans le cas où la hauteur des ailettes est initialement légèrement supérieure à l'épaisseur des entretoises 60a, 60b, les parties obliques des ailettes fléchissent lorsque les plaques 70, 72 sont rapprochées l'une de l'autre jusqu'à entrer en contact avec les faces d'appui des entretoises.
  • Une armature 116 selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention va à présent être décrite en référence aux figures 11 et 12.
  • La figure 11 illustre deux plaques à ailettes 320, 420 selon ce deuxième mode de réalisation, imbriquées l'une dans l'autre de la même manière que dans le mode précédent, et formant une armature 116. Les éléments déjà décrits en référence aux plaques à ailettes 20, 120, 220 comportent les mêmes références numériques que sur les figures 6 à 10, éventuellement incrémentées de 100 ou 200 selon celle des deux plaques à ailettes 320, 420 dont il est question.
  • Sauf précision contraire, toutes les dispositions décrites précédemment avec la premier mode de réalisation des figures 2 à 10 restent applicables à ce deuxième mode de réalisation.
  • Chaque plaque à ailettes 320, 420 se caractérise ici en ce que deux bandes d'ailettes voisines de la même plaque sont séparées par une bande plate discontinue 332, 432 formée par un alignement de segments plats 333, 433 alternés avec des ouvertures 337, 437. Comme illustré sur la figure 11, les segments 333, 433 présentent généralement une longueur L5 sensiblement égale à celle L4 mesurée entre deux portions intermédiaires 336, 436 d'une bande d'ailettes.
  • On note par ailleurs que les segments plats 333, 433 de rangées voisines sont décalés les uns par rapport aux autres, pour tenir compte du décalage des ailettes, décrit en liaison avec le premier mode de réalisation et non répété ici.
  • Une telle plaque à ailettes 320, 420 est obtenue par découpage d'une plaque métallique puis pliage pour l'obtention des ailettes. Contrairement au mode de réalisation précédent, aucune opération d'emboutissage n'est nécessaire.
  • Comme illustré sur les figures 11 et 12, une fois que les deux plaques à ailettes 320, 420 sont imbriquées l'une dans l'autre, les ailettes 430 de la deuxième plaque à ailettes 420 sont positionnées en regard des bandes plates 332 de la première plaque à ailettes 320, la portion de jonction 440 de chaque ailette 430 de la seconde plaque 420 étant placée entre deux segments de bande 333 de la première plaque 320, dans une ouverture 337.
  • De la même manière, les ailettes 330 de la première plaque à ailettes 320 sont positionnées en regard des bandes plates 432 de la deuxième plaque à ailettes 420, la portion de jonction 340 de chaque ailette 330 de la première plaque 320 étant placée entre deux segments de bande 433 de la deuxième plaque 420, dans une ouverture 437.
  • Sur la figure 12, on a représenté l'armature 116 montée entre deux plaques séparatrices 70, 72 du type représenté sur la figure 3.
  • On constate que, contrairement au premier mode de réalisation décrit précédemment, les plaques séparatrices 70, 72 sont directement en contact avec les entretoises 60a, 60b.
  • On constate en outre qu'une fois l'armature 116 montée entre les deux plaques 70, 72, les ailettes des deux plaques à ailettes ont été légèrement comprimées dans la direction transverse Z, de sorte que les portions de jonction 340, 440 des ailettes, positionnée dans les ouvertures 337, 437 comme indiqué précédemment, se retrouvent respectivement en appui contre la seconde plaque séparatrice 72 et la première plaque séparatrice 70. Pour un meilleur rendement énergétique de l'ensemble, les portions intermédiaires 336, 436 et/ou les portions de jonction 340, 440 peuvent être fixées aux plaques de jonction contre lesquelles elles viennent respectivement en appui, notamment par brasage ou soudage.

Claims (9)

  1. Armature (16, 116), notamment adaptée à être intégrée dans un échangeur thermique, comprenant deux plaques à ailettes (20, 120, 220, 320, 420), dans laquelle chaque plaque à ailettes (20, 120, 220, 320, 420) comprenant une base (22) et une pluralité d'ailettes d'échange thermique (30) s'étendant depuis ladite base (22), lesdites ailettes (30) étant réparties sur au moins deux bandes d'ailettes (34) parallèles entre elles,
    lesdites deux bandes d'ailettes (34) voisines sont séparées, dans une direction perpendiculaire à la direction (X) desdites bandes d'ailettes (34), par une bande plate (32) dépourvue d'ailettes,
    chaque ailette (30) comporte deux extrémités distinctes solidaires de la base (22), la partie d'ailette définie entre lesdites extrémités étant une seule pièce continue non confondue avec ladite base (22),
    la base comporte des ouvertures (28) entre les extrémités respectives de chaque ailette, et
    les plaques à ailettes sont imbriquées de telle sorte que les ailettes de la première plaque à ailettes (120, 320) s'insèrent dans des espaces situés en regard desdites bandes plates de la seconde plaque à ailettes (220, 420) et sont disposées tête-bêche par rapport aux ailettes adjacentes de la seconde plaque à ailettes (220, 420),
    deux portions d'ailettes de même orientation sont alignées dans une direction perpendiculaire aux bandes d'ailettes et parallèle aux bases des plaques à ailettes, toutes les K bandes d'ailettes, K étant un nombre entier supérieur à 2.
  2. Armature selon la revendication 1, dans laquelle ladite bande plate (32) présente une largeur au moins égale à celle d'une bande d'ailettes (34).
  3. Armature selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans laquelle chaque ailette d'échange thermique (30) comporte au moins une partie oblique (42,44) par rapport à la base (22) ou une partie courbe.
  4. Armature selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle deux ailettes adjacentes de deux bandes d'ailettes (34) voisines sont décalées l'une par rapport à l'autre dans la direction (X) desdites bandes d'ailettes (34).
  5. Armature selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle deux bandes d'ailettes (34) voisines sont séparées par une bande plate continue (32) s'étendant sur toute la longueur desdites bandes d'ailettes (34).
  6. Armature selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle deux bandes d'ailettes voisines sont séparées par une bande plate discontinue (332, 432) formée d'une succession de segments (333, 433) entrecoupés d'ouvertures (337, 437).
  7. Armature (16, 116) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle deux bandes d'ailettes adjacentes, appartenant respectivement aux deux plaques à ailettes (120, 220, 320, 420), sont décalées l'une par rapport à l'autre dans la direction (X) desdites bandes d'ailettes (34).
  8. Armature (16, 116) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle deux portions d'ailettes de même orientation sont alignées dans une direction perpendiculaire aux bandes d'ailettes et parallèle aux bases des plaques à ailettes, toutes les K bandes d'ailettes, K étant un nombre entier égal à 4.
  9. Échangeur thermique (80) comprenant un empilement (11) de modules d'échange thermique (10), chaque module (10) comprenant une cellule de circulation pour un fluide à refroidir (12) et une cellule de circulation pour un fluide de refroidissement (14) accolées et thermiquement couplées l'une à l'autre, la cellule de circulation pour le fluide à refroidir (12) et/ou la cellule de circulation pour le fluide de refroidissement comprenant une armature (16, 116) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
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