ES2325348A1 - Intercambiador de calor para gases, y su correspondiente procedimiento de fabricacion. - Google Patents
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Abstract
Intercambiador de calor para gases, y su correspondiente procedimiento de fabricación. Comprende un núcleo metálico (2) que incluye un conjunto de conductos paralelos (3), destinado a la circulación de los gases con intercambio de calor con un fluido de refrigeración, al menos una placa de soporte (8, 8a, 9) unida mediante soldadura láser a al menos uno de los extremos de dicho conjunto de conductos paralelos (3), y al menos un depósito de gas (12) o elemento de conexión. Se caracteriza por el hecho de que el al menos un depósito de gas (12) o elemento de conexión está unido directamente a la al menos una placa de soporte (8, 8a, 9) mediante soldadura con láser o soldadura por arco. Se obtiene un núcleo estructuralmente más sencillo, sin necesidad de utilizar una carcasa. Además, se obtiene un procedimiento de fabricación simplificado, reduciéndose el coste de producción y el número de componentes utilizados.
Description
Intercambiador de calor para gases, y su
correspondiente procedimiento de fabricación.
La presente invención se refiere a un
intercambiador de calor para gases, y a su correspondiente
procedimiento de fabricación.
La invención se aplica especialmente en
intercambiadores de recirculación de gases de escape de un motor
(EGRC).
En algunos intercambiadores de calor para el
enfriamiento de gases, por ejemplo los utilizados en sistemas de
recirculación de los gases de escape hacia la admisión de un motor
de explosión, los dos medios que intercambian calor están separados
por una pared.
El intercambiador de calor propiamente dicho
puede tener distintas configuraciones: por ejemplo, puede consistir
en una carcasa en cuyo interior se disponen una serie de conductos
paralelos para el paso de los gases, circulando el refrigerante por
la carcasa, exteriormente a los conductos; en otra realización, el
intercambiador consta de una serie de placas paralelas que
constituyen las superficies de intercambio de calor, de manera que
los gases de escape y el refrigerante circulan entre dos placas,
en capas alternadas.
En el caso de intercambiadores de calor de haz
de conductos, la unión entre los conductos y la carcasa puede ser
de diferentes tipos. Generalmente, los conductos están fijados por
sus extremos entre dos placas de soporte acopladas en cada extremo
de la carcasa, presentando ambas placas de soporte una pluralidad
de orificios para la colocación de los respectivos conductos.
Dichas placas de soporte están fijadas a su vez a unos medios de
conexión con la línea de recirculación.
Dichos medios de conexión pueden consistir en
una conexión en V o bien en un reborde periférico de conexión o
brida, dependiendo del diseño de la línea de recirculación donde
está ensamblado el intercambiador. En algunos casos, la placa de
soporte está integrada en una única pieza con los medios de
conexión formando una única brida de conexión. Los medios de
conexión también pueden consistir en un depósito de gas dispuesto
en uno o ambos extremos de la carcasa.
En la actualidad, los intercambiadores de calor
EGR son metálicos, generalmente fabricados de acero inoxidable.
Tanto los intercambiadores de haz de conductos como los de placas
apiladas, presentan todos sus componentes metálicos, de modo que
están ensamblados mediante medios mecánicos y luego soldados en
horno para asegurar un nivel de estanqueidad requerido para esta
aplicación.
La patente WO 2005/052346 se refiere a un
intercambiador de calor que comprende una carcasa de plástico en
cuyo interior se aloja un núcleo metálico formado por un haz de
conductos paralelos unidos por sus extremos a dos placas de
soporte, estando dichas placas unidas a unas conexiones con la
línea de recirculación de gases. Además, entre el correspondiente
extremo de la carcasa y la placa de soporte se prevé la colocación
de una junta de plástico para garantizar el nivel de estanqueidad.
Las carcasas de plástico tienen la ventaja de que se reduce el
coste de producción ya que permiten integrar los conductos del
circuito del fluido refrigerante y los soportes de fijación.
Generalmente, la unión entre la placa de soporte metálica y la
carcasa de plástico se lleva a cabo mediante un ensamblaje
mecánico.
Las patentes US 6,269,870, WO 2004/001203 y US
2003/0079869 se refieren a intercambiadores de calor del tipo que
incluyen haz de conductos, cuyas placas de soporte incluyen una
pared periférica orientada hacia fuera que se extiende más allá de
los extremos de los conductos, de modo que cada pared periférica
está unida sobre la superficie interna de una carcasa metálica y
adyacentemente a un difusor, mediante soldadura por arco. La unión
entre los conductos y las placas de soporte se realiza mediante
soldadura con láser.
Las patentes JP 2004177058, JP 2004028469 y JP
2004263616 se refieren a intercambiadores de calor del tipo que
comprenden haz de conductos, cuya carcasa metálica está formada por
dos partes unidas entre sí mediante soldadura con láser, y
utilizando soldadura en horno para las uniones de los conductos con
las placas de soporte.
La patente US 6,311,678 se refiere a un
intercambiador de calor del tipo que comprende un núcleo que
incluye un haz de conductos paralelos unidos por sus extremos a dos
placas de soporte y estando dichas placas unidas a unas conexiones
con la línea de recirculación de gases. El núcleo una vez montado
es insertado en un bloque de fundición en aluminio para formar una
carcasa metálica.
No obstante, el proceso de fabricación de los
diferentes intercambiadores mencionados es en general complejo, ya
que en los casos en que se utiliza soldadura en horno es necesario
el empleo de elementos de soporte para mantener inmovilizados los
diferentes componentes mientras el intercambiador está dentro del
horno. Esto complica considerablemente el procedimiento de
fabricación del intercambiador, aumentando también el tiempo y
coste producción.
Cabe destacar que el procedimiento de
fabricación también resulta complejo en aquellos casos en que se
combinan diferentes tipos de soldadura, tales como soldadura por
arco, con láser o en horno, para unir los diversos componentes del
intercambiador. Además, en la mayoría de casos dichos componentes
son estructuralmente complejos debido a que requieren superficies
adicionales o rebordes para garantizar una buena unión.
El objetivo del intercambiador de calor para
gases de la presente invención es solventar los inconvenientes que
presentan los intercambiadores conocidos en la técnica,
proporcionando una reducción del número de componentes, así como
una reducción de costes de fabricación.
El intercambiador de calor para gases, objeto de
la presente invención, es del tipo que comprende un núcleo
metálico que incluye un conjunto de conductos paralelos, destinado
a la circulación de los gases con intercambio de calor con un
fluido de refrigeración, al menos una placa de soporte unida
mediante soldadura láser a al menos uno de los extremos de dicho
conjunto de conductos paralelos, y al menos un depósito de gas o
elemento de conexión, y se caracteriza por el hecho de que el al
menos un depósito de gas o elemento de conexión está unido
directamente a la al menos una placa de soporte mediante soldadura
con láser o soldadura por arco.
De este modo, es posible obtener un núcleo
estructuralmente más sencillo, sin necesidad de utilizar una
carcasa, ya que el depósito de gas o elemento de conexión está
directamente unido a la placa de soporte, en lugar de estar unido a
una carcasa como ocurría en el estado de la técnica.
Por otra parte, los procesos de unión entre los
componentes del núcleo se llevan a cabo de manera rápida y eficaz,
sin tener que recurrir a la soldadura en horno, y sin necesidad de
presentar superficies adicionales o rebordes para garantizar una
buena unión, como ocurría en el estado de la técnica. Además, se
consigue una reducción del volumen y coste de dicho intercambiador
de calor.
Asimismo, gracias a la sencilla utilización de
la soldadura con láser o por arco, es posible obtener cualquier
diseño y orientación del circuito de los gases a enfriar.
Además, es posible fabricar una única unidad,
sin stocks intermedios, disminuyendo así los defectos de
calidad.
Ventajosamente, el núcleo es susceptible de ser
alojado dentro de una carcasa conectada con el circuito del fluido
de refrigeración.
De esta manera, los componentes soldados con
láser o por arco que conforman el núcleo permanecen inmóviles
durante su introducción en la carcasa y durante su unión a ésta, ya
sea mediante soldadura en horno, o cualquier otro tipo de
unión.
Además, el diseño del núcleo es independiente
del material en que esté fabricada la carcasa, ya sea de plástico,
metal, o un compuesto.
De acuerdo con una ,realización preferida de la
invención, el intercambiador de calor que es del tipo en forma de
"U" en el cual la entrada y salida del fluido a refrigerar
están dispuestas adyacentes en un mismo extremo abierto del
conjunto de conductos paralelos, estando el extremo opuesto
cerrado, y definiendo un paso de ida y un paso de retorno, se
caracteriza por el hecho de que el núcleo comprende una primera
placa de soporte dispuesta en el extremo abierto, provista de un
reborde destinado a unirse a una carcasa, y una segunda placa de
soporte dispuesta en el extremo cerrado y unida a un depósito de
gas cerrado.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, el
procedimiento de fabricación aplicado al intercambiador de calor de
la invención, se caracteriza por el hecho de que consiste en
realizar las siguientes etapas:
- a)
- obtener un núcleo que comprende un conjunto de conductos paralelos, al menos una placa de soporte metálica, y al menos un depósito de gas o elemento de conexión;
- b)
- unir la al menos una placa de soporte mediante soldadura láser a al menos uno de los extremos de dicho conjunto de conductos paralelos;
- c)
- unir el al menos un depósito de gas o elemento de conexión directamente a la al menos una placa de soporte mediante soldadura con láser o soldadura por arco;
- d)
- introducir el núcleo dentro de una carcasa conectada con el circuito del fluido de refrigeración; y
- e)
- unir el núcleo a dicha carcasa para completar el intercambiador.
De este modo, se obtiene un procedimiento de
fabricación más sencillo, así como una reducción del volumen, y de
los costes de fabricación del intercambiador de calor.
Ventajosamente, la unión del núcleo con la
carcasa según la etapa e) se lleva a cabo mediante soldadura,
pegado o un ensamblaje mecánico.
Con el fin de facilitar la descripción de cuanto
se ha expuesto anteriormente se adjuntan unos dibujos en los que,
esquemáticamente y tan sólo a título de ejemplo no limitativo, se
representan dos casos prácticos de realizaciones del intercambiador
de calor para gases de la invención, en los cuales:
La figura 1 es una vista en perspectiva de un
núcleo metálico soldado con láser de la presente invención, según
una primera realización de la invención;
la figura 2 es una vista en perspectiva de un
intercambiador de calor del tipo en forma de "U", mostrando el
núcleo de la figura 1 unido a una carcasa de plástico mediante
soldadura;
la figura 3 es una vista parcial de una sección
longitudinal del intercambiador de la figura 2, mostrando la zona
de unión entre el núcleo y la carcasa; y
la figura 4 es una vista en perspectiva y en
explosión de un intercambiador de calor del tipo en forma de
"U", mostrando un núcleo metálico soldado con láser antes de
ser unido a una carcasa de plástico mediante un ensamblaje
mecánico, según una segunda realización de la invención.
\vskip1.000000\baselineskip
Una primera realización de la invención se
muestra en las figuras 1 a 3.
El intercambiador de calor 1 para gases
comprende un núcleo metálico 2 que incluye un conjunto de conductos
paralelos 3, que en este ejemplo son planos y de sección
rectangular, destinados a la circulación de los gases con
intercambio de calor con un fluido de refrigeración.
En esta realización el intercambiador es del
tipo en forma de "U", es decir la entrada 4 y salida 5 de los
gases a refrigerar están dispuestas adyacentes en un mismo extremo
abierto 6 del conjunto de conductos paralelos 3, estando el extremo
opuesto 7 cerrado, y definiendo un paso de ida y un paso de
retorno, tal como se muestran en las flechas ilustradas en la
figura 1.
Ambos extremos 6 y 7 del haz de conductos 3
están fijados a sendas placas de soporte 8 y 9, las cuales
presentan una pluralidad de orificios 10 para la colocación de los
respectivos conductos 3.
En este ejemplo, la placa de soporte 8 fijada en
el extremo libre 6 presenta un reborde periférico 11 destinado a
ser acoplado a una carcasa, tal como se describirá más adelante;
mientras que la placa de soporte 9 fijada en el extremo cerrado 7
está unida a un depósito de gas 12. La unión entre la placa 9 y el
deposito de gas 12 se lleva a cabo preferentemente sin utilizar un
reborde periférico para conseguir una unión más resistente y con
menos sección transversal.
La unión entre los extremos del conjunto de
conductos 3 y las placas de soporte 8,9 se lleva a cabo mediante
soldadura láser, mientras que la unión entre la placa 9 y el
depósito de gas 12 puede llevarse a cabo mediante soldadura con
láser o soldadura por arco.
Haciendo referencia a la figura 2, el núcleo 2
es susceptible de ser alojado dentro de una carcasa 13 de un
material plástico que incluye los conductos de entrada 14 y salida
15 del fluido de refrigeración. La carcasa 13 comprende en su
extremo libre un reborde periférico 13a dirigido hacia el exterior
de dicha carcasa 13 y sensiblemente perpendicular a su eje axial.
Dicho reborde periférico 13a está destinado a ser unido con los
correspondientes medios de unión con el conducto de recirculación
de gases (no representados).
En esta realización, tal como puede apreciarse
en la figura 3, para efectuar la unión del núcleo 2 con la carcasa
de plástico 13 se emplea un inserto metálico 16 sobremoldeado en el
extremo abierto de la carcasa de plástico 13, concretamente sobre
el reborde periférico 13a de dicha carcasa 13. A continuación, se
introduce el núcleo metálico 2 dentro de la carcasa hasta que el
reborde periférico 11 de la placa de soporte 8 queda apoyado
parcialmente sobre el inserto metálico 16. Posteriormente, dicha
unión es preferentemente soldada con láser, aunque también puede
ser soldada por arco, e incluso mediante pegado con un adhesivo
apropiado.
Una segunda realización de la invención se
muestra en la figura 4.
El intercambiador de calor la comprende los
mismos elementos según las referencias 2 a 15 de la primera
realización. La diferencia se encuentra en que la unión entre la
placa de soporte 8a y la carcasa de plástico 13 se realiza mediante
un ensamblaje mecánico. Para ello, la placa de soporte 8a incluye
un reborde periférico 11a provisto de unas pestañas destinadas a
ser dobladas y fijadas contra el contorno de la carcasa de
plástico 13. Además, incluye una junta de estanqueidad de plástico
17 para asegurar también la fuerza de compresión.
\newpage
De este modo, gracias a que los componentes del
núcleo metálico están unidos mediante soldadura con láser o por
arco se obtiene un procedimiento de fabricación más sencillo, así
como una reducción del volumen, y de los costes de fabricación del
intercambiador de calor.
Aunque se ha descrito un circuito de gases en
forma de "U" (la entrada y salida de gases dispuestas en un
mismo extremo), también puede ser de tipo lineal (la entrada y
salida de gases dispuestas en extremos opuestos).
La carcasa puede ser de plástico, como la que se
ha descrito, de aluminio u otro material metálico, o un compuesto.
Cabe destacar que además que el núcleo, en lugar de ser introducido
en una carcasa, puede ser alojado en una cámara que forme parte del
circuito de refrigerante del motor.
Claims (5)
1. Intercambiador de calor (1, 1a) para gases,
que comprende un núcleo metálico (2) que incluye un conjunto de
conductos paralelos (3), destinado a la circulación de los gases
con intercambio de calor con un fluido de refrigeración, al menos
una placa de soporte (8, 8a, 9) unida mediante soldadura láser a al
menos uno de los extremos de dicho conjunto de conductos paralelos
(3), y al menos un depósito de gas (12) o elemento de conexión,
caracterizado por el hecho de que el al menos un depósito de
gas (12) o elemento de conexión está unido directamente a la al
menos una placa de soporte (8, 8a, 9) mediante soldadura con láser
o soldadura por arco.
2. Intercambiador (1, 1a), según la
reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el
núcleo (2) es susceptible de ser alojado dentro de una carcasa (13)
conectada con el circuito del fluido de refrigeración.
3. Intercambiador (1), según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, del tipo en forma de "U" en el
cual la entrada (4) y salida (5) del fluido a refrigerar están
dispuestas adyacentes en un mismo extremo abierto (6) del conjunto
de conductos paralelos (3), estando el extremo opuesto (7) cerrado,
y definiendo un paso de ida y un paso de retorno,
caracterizado por el hecho de que el núcleo (2) comprende
una primera placa de soporte (8, 8a) dispuesta en el extremo
abierto (6), provista de un reborde (11, 11a) destinado a unirse a
una carcasa (13), y una segunda placa de soporte (9) dispuesta en
el extremo cerrado (7) y unida a un depósito de gas (12)
cerrado.
4. Procedimiento de fabricación aplicado al
intercambiador de calor (1, 1a) de la invención, según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el
hecho de que consiste en realizar las siguientes etapas:
- a)
- obtener un núcleo (2) que comprende un conjunto de conductos paralelos (3), al menos una placa de soporte metálica (8, 8a, 9), y al menos un depósito de gas (12) o elemento de conexión;
- b)
- unir la al menos una placa de soporte (8, 8a, 9) mediante soldadura láser a al menos uno de los extremos de dicho conjunto de conductos paralelos (3);
- c)
- unir el al menos un depósito de gas (12) o elemento de conexión directamente a la al menos una placa de soporte (8, 8a, 9) mediante soldadura con láser o soldadura por arco;
- d)
- introducir el núcleo (2) dentro de una carcasa (13) conectada con el circuito (14, 15) del fluido de refrigeración; y
- e)
- unir el núcleo (2) a dicha carcasa (13) para completar el intercambiador (1, 1a).
5. Procedimiento, según la reivindicación 4,
caracterizado por el hecho de que la unión del núcleo (2)
con la carcasa (13) según la etapa e) se lleva a cabo mediante
soldadura, pegado o un ensamblaje mecánico.
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