FR2739440A1 - Echangeur de chaleur a plusieurs fluides comportant une structure a empilage de plaques - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un échangeur de chaleur à plusieurs fluides comportant une structure à empilage de plaques. Cet échangeur de chaleur comprend des première et seconde unités formant plaques à canaux d'écoulement, dont la première comporte des passages de canaux d'écoulement et dont la seconde possède des passages (14, 15) de canaux d'écoulement, et des unités formant plaques de recouvrement et de liaison, qui sont disposées entre les unités à plaques, avec recouvrement coïncidant des passages et qui comportent des passages de canaux de liaison, qui sont disposés de manière à former des couples de canaux de distribution et de collecte (26a, 26b, 27a, 27b, 28a, 28b) pour chacun des groupes de passages de canaux d'écoulement. Application notamment en tant que dispositif de refroidissement de batteries à haute température de véhicules électriques.
Description
ECHANGEUR DE CHALEUR A PLUSIEURS FLUIDES COMPORTANT UNE
STRUCTURE A EMPILAGE DE PLAQUES
L'invention concerne un échangeur de chaleur convenant pour la circulation de plusieurs fluides et possédant une structure constituée par plusieurs plaques
empilées en superposition et pourvues de passages.
De tels échangeurs de chaleur sont décrits par exemple dans le brevet allemand DE 32 06 397 C2. Dans ce document, des plaques identiques, qui sont pourvues chacune de rangées parallèles de passages allongés, sont empilées les unes sur les autres de telle sorte que les passages d'une plaque sont reliés selon une liaison fluidique à des passages voisins de la même rangée de passages d'une plaque adjacente. De cette manière, chaque groupe de rangées superposées de passages forme un réseau dimensionnel bidimensionnel de canaux d'écoulement, les plans du réseau étant parallèles à la direction d'empilage et les réseaux individuels à l'intérieur de l'empilage n'ayant aucune liaison fluidique entre eux. Grâce à des dispositifs appropriés d'amenée et d'évacuation situés sur les côtés de l'empilage, en direction desquels les réseaux sont ouverts, les différents réseaux peuvent être répartis en plusieurs groupes, dont chacun est parcouru par un
fluide déterminé.
A partir du brevet allemand DE 37 09 278 C2, on connaît un échangeur de chaleur possédant une structure formée d'une pile de plaques, dans laquelle les plaques empilées en superposition comportent, sur chacun des deux côtés plats, des rainures longitudinales juxtaposées, qui servent de canaux d'écoulement. Lors de l'empilage, on dispose alors des plaques voisines le cas échéant avec la même orientation, ou dans une position pivotée de 180 l'une par rapport à l'autre ou dans une position pivotée de 90 l'une par rapport à l'autre, ce qui conduit à la formation de dispositifs à équicourant ou à contre-courant avec une section transversale plus grande ou plus petite des canaux ou de dispositifs à
écoulements croisés.
Dans la demande de brevet allemand non publiée antérieurement 195 28 117. 9 déposée par la demanderesse, on décrit un échangeur de chaleur du type indiqué plus haut, dans lequel il est prévu une structure à empilage de plaques constituées par des unités formant plaques à canaux d'écoulement et des unités formant plaques de recouvrement et de liaison, qui sont superposées d'une manière alternée. Les unités formant plaques à canaux d'écoulement sont pourvues de passages de canaux d'écoulement, qui s'étendent entre deux parties latérales, ainsi que de passages de canaux de liaison, qui sont séparés des passages précédents, alors que dans les unités formant plaques à recouvrement de liaison, des passages de canaux de liaison sont prévus dans au moins deux parties latérales de telle sorte qu'ils se chevauchent avec les extrémités respectives, situées du même côté, des passages des canaux d'écoulement d'une unité contiguë formant plaque à canaux d'écoulement ainsi que d'un passage de canal de liaison de l'unité formant plaque à canaux d'écoulement qui est contiguë de l'autre côté. De ce fait, on obtient deux systèmes séparés de canaux d'écoulement, qui peuvent être parcourus transversalement par rapport à la direction de la pile, par deux fluides en fonction de l'orientation réciproque d'unités formant plaques à canaux d'écoulement, qui se succèdent dans l'empilage, selon une disposition à courants croisés, à contre-courant ou
à équicourant.
Pour certains cas d'applications, on a besoin de disposer d'un échangeur de chaleur, à l'aide duquel un fluide puisse être mis en température, c'est-à-dire refroidi ou échauffé, par interaction thermique avec un fluide de travail, au-dessus d'une température de consigne désirée, et par suite peut être amené à la température de consigne désirée par interaction thermique avec l'écoulement de fluide qui apparaît devant la zone de transfert thermique du fluide de travail. Ainsi, par exemple des batteries à haute température servant à faire fonctionner des véhicules électriques, possèdent de façon typique une température d'environ 300 C, la température augmentant de façon supplémentaire dans des phases dans lesquelles il existe un prélèvement élevé de courant, en raison de pertes internes. Pour empêcher des endommagements, il faut refroidir la batterie et à cet effet en général on fait circuler de l'huile au silicone en tant que fluide
caloporteur dans un circuit traversant la batterie.
L'huile est refroidie au moyen de l'échangeur de chaleur huile/eau situé à l'extérieur de la batterie, et pour des questions de place, il est souhaitable d'utiliser
des échangeurs de chaleur aussi compacte que possible.
D'une part l'huile doit être refroidie à une température qui est compatible pour une pompe à huile associée, et d'autre part l'huile ne doit pas être renvoyée à la batterie avec une température aussi faible étant donné que, sinon, une énergie thermique est produite en supplément à l'intérieur de la batterie avec pour conséquence une perte d'énergie électrique et donc une réduction de la distance de roulement du véhicule. C'est pourquoi, il est nécessaire de disposer d'un échangeur de chaleur, à l'aide duquel de la chaleur est tout d'abord prélevée de l'huile arrivant de la batterie, jusqu'à ce qu'elle atteigne une température compatible avec la pompe, et à l'aide duquel l'huile est à nouveau amenée par chauffage à une température désirée d'entrée
dans la batterie, après avoir traversé la pompe.
L'invention est basée sur le problème technique consistant à fournir un échangeur de chaleur du type indiqué plus haut, qui puisse être fabriqué et monté avec une dépense relativement faible, qui possède une puissance de transfert thermique élevée pour un besoin en espace donné et convienne notamment pour des cas d'application, dans lesquels, comme dans le cas indiqué plus haut d'un refroidissement de la batterie à haute température, un fluide est refroidi ou échauffé par un fluide de travail, au-delà d'une valeur de consigne de température désirée, et ensuite doit être amené à la température de consigne par une interaction thermique avec l'écoulement de fluide qui apparaît avec le fluide
de travail.
Ce problème est résolu à l'aide d'un échangeur de chaleur comportant un agencement formé de plusieurs plaques empilées en superposition et pourvues de passages, caractérisé en ce qu'il comporte - au moins une première unité formant plaque à canaux d'écoulement et au moins une seconde unité formant plaque à canaux d'écoulement, la première unité étant pourvue d'un groupe de passages de canaux d'écoulement, qui sont disposés côte-à-côte et s'étendent entre deux parties latérales de la plaque, et la seconde unité étant pourvue de deux groupes séparés de passages de canaux d'écoulement, disposés côte-à-côte et qui s'étendent entre deux parties latérales de la plaque, les première et seconde unités formant plaques à canaux d'écoulement étant disposées d'une manière alternée dans l'empilage des plaques et possédant des passages de canaux de liaison séparés par les passages de canaux d'écoulement, - une ou plusieurs unités formant plaques de recouvrement et de liaison, qui sont disposées entre respectivement deux unités formant plaques à canaux d'écoulement, de manière que leurs passages de canaux d'écoulement sont en recouvrement réciproque, et possèdent les passages des canaux d'écoulement, - les passages des canaux de liaison dans les unités formant plaques à canaux d'écoulement et dans au moins une unité formant plaque de recouvrement et de liaison étant disposés de manière à former respectivement un couple de canaux de distribution et de collecte pour chacun des trois groupes de passages de canaux d'écoulement, disposés côte-à-côte, de telle sorte qu'un premier couple de passages de canaux de liaison d'une unité formant plaque respective de recouvrement et de liaison est en chevauchement d'une part avec un premier couple de passages correspondants de canaux de liaison d'une première unité contiguë formant plaque à canaux de liaison et d'autre part les extrémités respectives d'un premier groupe correspondant de passages de canaux d'écoulement d'une seconde unité contiguë formant plaque à canaux d'écoulement, un second couple de passages de canaux d'écoulement de l'unité formant plaque de recouvrement et de liaison est en chevauchement d'une part avec un second couple de passages correspondants de canaux de liaison de la première unité formant plaque à canaux d'écoulement et d'autre part avec les extrémités respectives de l'autre groupe correspondant de passages de canaux d'écoulement de la seconde unité formant plaque à canaux d'écoulement, et qu'un troisième couple de passages de canaux de liaison de l'unité formant plaque de recouvrement et de liaison est en chevauchement d'une part avec un couple de passages correspondants de canaux de liaison de la seconde unité formant plaque à canaux d'écoulement et d'autre part avec les extrémités respectives du groupe de passages de canaux d'écoulement de la première unité formant plaque à canaux d'écoulement. Pour réaliser la structure à empilage de plaques de cet échangeur de chaleur, il suffit d'utiliser des unités formant plaques qui sont pourvues de passages appropriés, que l'on peut aménager avec une faible dépense par exemple par poinçonnage, érodage, découpage par laser ou découpage avec un jet d'eau. Les passages des canaux d'écoulement des unités formant plaques à canaux d'écoulement forment les canaux d'écoulement actifs pour l'échange thermique et qui sont perpendiculaires à la direction d'empilage et sont limités respectivement par des unités voisines formant plaques de recouvrement et de liaison. En dehors de cette fonction de recouvrement des canaux d'écoulement, les unités formant plaques de recouvrement et de liaison assument simultanément une fonction de liaison, qui inclut, grâce à la présence de passages correspondants de canaux de liaison, l'établissement respectif d'une liaison fluidique pour les extrémités, situées du même côté, des passages des canaux d'écoulement d'une unité respective formant plaque à canaux d'écoulement, entre eux. Au moyen d'autres passages de canaux de liaison, qui se chevauchent de façon appropriée, et d'unités formant plaques raccordées entre elles, et ce aussi bien d'unités formant plaques de recouvrement et de liaison que d'unités formant plaques à canaux d'écoulement, les extrémités, qui sont du même côté, des passages de canaux d'écoulement d'une unité formant plaque à canaux d'écoulement, prises une sur deux, sont en outre reliées
entre elles selon une liaison fluidique.
Grâce à l'utilisation, qui est alternée dans la pile, des deux types différents d'unités formant plaques à canaux d'écoulement, jusqu'à trois écoulements de fluides peuvent circuler séparément les uns des autres dans l'échangeur de chaleur possédant un agencement très compact, à savoir un premier fluide qui passe par le groupe des passages des canaux d'écoulement d'une ou de plusieurs premières unités formant plaques à canaux d'écoulement, un second fluide passant par l'un des deux groupes de passages à canaux d'écoulement d'une ou de plusieurs secondes unités formant plaques à canaux d'écoulement, et un troisième fluide passant par l'autre groupe de passages de canaux d'écoulement. L'écoulement de fluide, qui est guidé par la ou les secondes première unité formant plaque à canaux d'écoulement, circule de préférence selon un système à courants croisés avec les deux écoulements de fluide qui sont guidés par la au moins les secondes unités formant plaques à canaux d'écoulement. Grâce à une liaison externe correcte d'un côté de sortie du fluide de l'un des groupes de passages à canaux d'écoulement à un côté d'entrée du fluide d'un autre groupe, l'échangeur de chaleur convient notamment pour faire circuler deux fluides tout en renvoyant un fluide guidé par un groupe de passages de canaux d'écoulement, dans la pile de plaques pour obtenir une nouvelle interaction thermique avec au moins l'un des deux écoulements de fluide, qui traversent les autres groupes de passages de canaux d'écoulement. On peut régler la longueur effective d'échange thermique sur la longueur des unités formant plaques, dans la direction longitudinale des passages de canaux d'écoulement, et on peut régler, au moyen du nombre d'unités formant plaques empilées en superposition, la section transversale effective de traversée pour l'écoulement de fluide respectif. Une structuration et un empilage appropriés des unités formant plaques à canaux d'écoulement et des unités formant plaques de recouvrement et de liaison permettent outre de réaliser des échangeurs de chaleur à courants croisés, également de réaliser des échangeurs
de chaleur à contre-courant ou à équicourant de ce type.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les passages de canaux d'écoulement situés au moins dans une première unité formant plaque à canaux d'écoulement s'étendent essentiellement transversalement par rapport aux deux groupes de passages de canaux d'écoulement d'au moins une seconde unité formant plaque à canaux d'écoulement, les deux groupes de passages de canaux d'écoulement de la seconde unité formant plaque à canaux d'écoulement étant disposés l'un derrière l'autre dans la direction longitudinale des passages de canaux d'écoulement au moins de la première unité formant plaque à canaux d'écoulement. Dans cet échangeur de chaleur, un écoulement de fluide envoyé par les passages de canaux d'écoulement des premières unités formant plaques à canaux d'écoulement peut exécuter un échange thermique tout d'abord avec un premier groupe de passages de canaux d'écoulement des secondes unités formant plaques à canaux d'écoulement, et ensuite avec un écoulement de fluide guidé dans le second groupe de passages de canaux d'écoulement de ces unités, tandis qu'il ne se produit aucune interaction thermique importante entre les seconds écoulements de fluide dans les secondes unités formant plaques de canaux d'écoulement. Selon une autre caractéristique de l'invention, il est prévu un échangeur de chaleur caractérisé en outre par une liaison fluidique située à l'extérieur de la pile de plaques, entre le canal de collecte pour les passages des canaux d'écoulement au moins de la première unité formant plaque à canaux d'écoulement et le canal de distribution de l'un des deux groupes de passages de canaux d'écoulement au moins de la seconde unité formant plaque à canaux d'écoulement. Dans cet échangeur de chaleur, un fluide, qui pénètre par l'intermédiaire d'un canal de distribution des premières unités formant plaques à canaux d'écoulement, peut être mis en température par un fluide guidé dans un groupe de passages de canaux d'écoulement des secondes unités formant plaques à canaux d'écoulement et est envoyé ensuite, à nouveau à travers l'empilage de plaques de l'échangeur de chaleur, pour l'obtention d'une interaction thermique avec son propre écoulement de fluide non encore mis en température, de manière à compenser à nouveau une mise en température excessive exécutée auparavant. Cet échangeur de chaleur convient particulièrement bien pour le cas particulier, indiqué plus haut, d'un refroidissement d'une batterie à haute température, lors duquel l'huile de la batterie doit être tout d'abord refroidie au-delà de ce qui est désiré, pour son passage à travers une pompe, puis doit
être à nouveau légèrement échauffée.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'échangeur de chaleur comporte des passages de fentes d'isolation, qui sont aménagées au moins le long d'une partie de la zone marginale de la plaque pour former des fentes thermiquement isolantes, qui s'étendent dans la direction d'empilage des plaques, selon une relation de correspondance d'alignement aussi bien dans les unités formant plaques à canaux d'écoulement que dans la ou les
unités formant plaques de recouvrement et de liaison.
L'introduction prévue de passages formant fentes d'isolation permet une réduction de la température de paroi de la pile de plaques de l'échangeur de chaleur dans la zone considérée et, en particulier dans le cas de l'utilisation du dispositif en tant qu'élément de
refroidissement, une réduction des pertes thermiques.
D'autres caractéristiques et avantages de la
présente invention ressortiront de la description donnée
ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente une vue en plan d'une première plaque à canaux d'écoulement destiné à être utilisé dans une structure à empilage de plaques d'un échangeur de chaleur pour le refroidissement d'une batterie à haute température; - la figure 2 représente la vue en plan d'une plaque de fermeture de liaison destinée à être utilisée dans la même structure à empilage de plaques que la plaque à canaux d'écoulement de la figure 1; la figure 3 représente une vue en plan d'une seconde plaque à canaux d'écoulement destinée à être utilisée dans la même structure à empilage de plaques que les plaques des figures 1 et 2; et - la figure 4 représente une vue en plan schématique d'une structure à empilage de plaques d'un échangeur de chaleur, qui est préparée par empilage des
plaques des figures 1 à 3.
Sur les figures 1 à 3, on a représenté les trois unités différentes formant plaques rectangulaires, qui sont nécessaires pour construire l'empilage de plaques illustré sur la figure 4 et qui sont constituées respectivement par une ou sinon par plusieurs plaques individuelles identiques superposées. En particulier, la figure 1 représente une première plaque 1 à canaux d'écoulement, la figure 2 représente une plaque de recouvrement et de liaison 2 et la figure 3 représente une seconde plaque 3 à canaux d'écoulement. Les trois plaques 1, 2, 3 peuvent être fabriquées à bon marché, moyennant une faible complexité technique, sous la forme de plaques de tôles perforées, c'est-à-dire par découpage, érodage, découpage par laser ou par jet d'eau, et possèdent une taille extérieure conforme. Les épaisseurs des différentes plaques peuvent être réglées sur le cas d'utilisation respectif et, pour le cas présentement décrit à titre d'exemple d'un élément de refroidissement pour le refroidissement d'une batterie à haute température, elles sont égales de façon typique
respectivement à quelques dixièmes de millimètre.
La plaque 1 à canaux d'écoulement du premier type représenté sur la figure 1 contient six passages 5 de canaux d'écoulement, qui sont disposés côte-à-côte selon une disposition rectiligne parallèlement à l'axe longitudinal 4 des plaques et qui s'étendent entre les il parties latérales transversales opposées 6, 7 des plaques. A ce groupe de passages 5 de canaux d'écoulement se raccorde dans la direction transversale, des deux côtés dans une moitié transversale respective de la plaque, un premier couple 8a, 8b ou un second couple de passages allongés opposés 9a, 9b de canaux de liaison. Dans les quatre zones d'angle ainsi que des deux côtés du centre de la plaque dans le sens transversal sont ménagés des perçages respectifs 10, dans lesquels on peut faire passer respectivement un
tirant lors de la fabrication de l'empilage de plaques.
Le long des trois côtés marginaux de la moitié transversale droite de la plaque sont disposés, entre un bord marginal et les passages 8a, 8b de canaux de liaison, présents en cet endroit, ou les extrémités, présentes en cet endroit, des passages 5 des canaux d'écoulement, une rangée de passages formant fentes d'isolement 11, à l'aide desquels on peut former les
coussins d'air pour obtenir une meilleure isolation ther-
mique de cette partie de la pile de plaques.
La plaque 3 à canaux d'écoulement du second type représenté sur la figure 3 possède, en des emplacements,
qui coïncident avec ceux de la plaque 1 à canaux d'écoule-
ment de la figure 1, six perçages correspondants 12 pour des tirants et une rangée de passages formant des fentes d'isolation 13, situées au niveau du bord. D'autre part, elle possède un premier groupe de six passages 14 de canaux d'écoulement, qui sont disposés parallèlement et côte-à-côte et s'étendent selon une disposition rectiligne parallèlement à l'axe transversal de la plaque, et qui sont disposés dans une moitié transversale de la plaque, la moitié droite sur la figure 3. Un second groupe de sept passages 15 de canaux d'écoulement qui sont disposés côte-à-côte et selon une disposition rectiligne parallèlement à l'axe transversal de la plaque sont ménagés dans la moitié transversale de gauche de la plaque. Un passage allongé formant canal de liaison 16, 17 est disposé le long de chaque côté transversal de la plaque, en étant séparé de ces passages 14, 15 de canaux d'écoulement, qui s'étendent entre les côtés longitudinaux opposés 29, 30 de la plaque. La plaque de recouvrement et de liaison 2, qui,
dans la structure à empilage de plaques, est insérée res-
pectivement entre une première plaque 1 à canaux d'écoule-
ment et une seconde plaque 3 à canaux d'écoulement, n'est pas percée, conformément à la figure 2, dans une zone de recouvrement centrale de manière à maintenir séparés les uns des autres, en cet endroit, respectivement les passages 5, 14, 15 des canaux d'écoulement des plaques 1, 3 à canaux d'écoulement, qui sont contigus des deux côtés. En outre, la plaque de recouvrement et de liaison 6 possède des passages 19 pour tirants, qui correspondent à ceux ménagés dans les plaques 1, 3 à canaux d'écoulement, et une série de passages en forme de fentes d'isolation 20 le long de la zone marginale de la moitié transversale de droite de la plaque, dans la même position que les passages en forme de 5 fentes d'isolation 11, 13 ménagés dans les plaques 1, 3 à canaux d'écoulement. D'autre part, un premier couple 21a, 21b, un second couple 22a, 22b et un troisième couple 23a, 23b de passages de canaux de liaison sont ménagés dans la plaque de recouvrement et de liaison 2 de telle sorte que 0 chacun de ces passages de canaux de liaison 21a à 23b est aligné d'une part avec l'un des passages de canaux de liaison 8a, 8b; 9a, 9b; 16a, 16b ménagés dans l'une des deux plaques 1, 3 à canaux d'écoulement qui sont adjacentes à des faces opposées de la plaque de recouvrement et de liaison 2 et d'autre part est en chevauchement avec des extrémités respectivement associées d'un groupe respectif de passages 5, 14, 15 de canaux d'écoulement ménagés dans
l'autre plaque adjacente à canaux d'écoulement.
L'empilage de plaques obtenu par superposition 0 des trois plaques des figures 1 à 3, est représenté sur la figure 4. On peut voir à partir de là que d'une part les perçages pour tirants, qui sont ménagés respectivement à des emplacements correspondants dans les trois plaques 1, 2, 3 et servent à former lesdits passages 24a à 24f pour 5 des tirants et les rangées, formées d'une manière périphérique au niveau du bord dans les trois plaques 23 sur une moitié transversale, de passages allongés formant fentes d'isolation 11, 13, pour la formation d'une rangée correspondante de fentes d'isolation thermique 25 se chevauchent en étant alignés le long des trois zones latérales de la moitié
de droite de la pile de plaques, sur la figure 4.
D'autre part, le premier couple de passages 21a, 21b de canaux de liaison de la plaque de recouvrement et de liaison 2 est en chevauchement avec le premier couple de passages 8a, 8b de canaux de liaison de la première plaque à canaux d'écoulement pour la formation de deux canaux de liaison en vis-à-vis 26a, 26b, dont l'un forme un canal de distribution et dont l'autre forme un canal de collecte et entre lesquels le premier groupe de passages 14 de canaux de liaison de la seconde plaque 3 à canaux d'écoulement s'étend de manière à établir une liaison fluidique. De la même manière, le second couple de passages 22a, 22b de canaux de liaison de la plaque de recouvrement et de liaison 2 est aligné en chevauchement avec le second couple de 0 passages 9a, 9b de canaux de liaison de la première plaque 1 à canaux d'écoulement pour la formation d'un autre couple 27a, 27b de canaux de liaison, dont en outre l'un d'eux forme un canal de distribution et l'autre forme un canal de collecte et entre lesquels le second groupe de passages de canaux d'écoulement de la seconde plaque 3 à canaux d'écoulement s'étend en établissant une liaison fluidique. En outre, le troisième couple de passages allongés 23a, 23b de canaux de liaison de la plaque de recouvrement et de liaison 2 est en chevauchement avec le couple, aménagé dans D la seconde plaque 3 à canaux d'écoulement, de passages 16a, 16b de canaux de liaison, et ce d'une manière alignée pour la formation d'un troisième couple de canaux de liaison 28a, 28b, dont à nouveau l'un d'eux forme un canal de distribution et l'autre un canal de collecte et entre lesquels; les passages 5 de la première plaque 1 à canaux d'écoulement, qui sont parallèles à l'axe longitudinal 4 de cette plaque, s'étendent en établissant une liaison fluidique, auquel cas sur la figure 4, pour une meilleure lisibilité, on n'a représenté qu'une moitié de ces passages 5 de canaux) d'écoulement. Tous les passages 5, 14, 15 de canaux d'écoulement possèdent de façon typique une largeur de 1 mm à 10 mm, sans qu'il
n'y ait là aucune limitation.
L'empilage de plaques représenté sur la figure 4 est constitué par les deux plaques 1, 3 à canaux d'écoulement et la plaque intercalaire de recouvrement et de liaison 2 et présente la structure qui est nécessaire au minimum pour la fonction de l'échangeur de chaleur selon l'invention, cette structure étant naturellement en outre fermée des deux côtés par des plaques d'extrémité respectives non représentées, qui possèdent simplement les percages pour les tirants et les passages formant fentes d'isolement aux emplacements correspondants. Selon le cas d'application, cette structure minimale formée d'un empilage de plaques peut être complétée par d'autres plaques, auquel cas en vue d'un transfert thermique optimum entre un écoulement de fluide circulant dans les passages 5 de canaux d'écoulement de la première plaque 1 à canaux d'écoulement d'une part et les écoulements de fluide dans les deux groupes de passages 14, 15 de canaux d'écoulement, qui sont ménagés dans les secondes plaques 3 à canaux d'écoulement, les premières plaques 1 et les secondes plaques 3 à canaux d'écoulement sont disposées d'une manière alternée dans la pile, respectivement moyennant l'insertion d'une plaque 2 de recouvrement et
de liaison.
Pour le montage de la structure à empilage de plaques, on réunit entre elles les différentes plaques
par exemple par collage, brasage ou soudage à diffusion.
Indépendamment du nombre de plaques, qui est choisie pour l'utilisation respective, comme cela ressort de la figure 4, trois écoulements de fluide F1, F2, F3 peuvent être guidés séparément les uns des autres à travers la structure formée de la pile de plaques de l'échangeur de chaleur, les deux écoulements de fluide F2, F3, qui sont guidés séparément l'un de l'autre dans une moitié transversale respective de l'empilage, dans les secondes plaques 3 à canaux d'écoulement, croisent l'écoulement de fluide F1 qui est guidé dans la direction longitudinale à l'intérieur des premières plaques 1 à
canaux d'écoulement. D'autre part, d'une manière non représentée, des raccords pour chaque
canal de liaison 26a à 26b sont créés à partir de la pile de plaques, et à cet effet l'empilage de plaques peut être percé latéralement en des emplacements appropriés ou bien des ouvertures adaptées de passage peuvent être ménagées dans l'une ou dans les deux plaques d'extrémité de la pile. Comme autre variante, on peut insérer une plaque de recouvrement et de liaison conformée de façon particulière en tant que plaque de connexion, une telle plaque de connexion étant modifiée en ce sens que pour chaque passage 21a à 23b de canal de liaison, une liaison fluidique avec l'extérieure est établie au moyen d'ouvertures correspondantes ménagées dans les parties
latérales de la plaque.
Dans une utilisation envisagée de cette structure formée d'un empilage de plaques en tant qu'élément de refroidissement pour le refroidissement d'une batterie à haute température, par exemple le premier écoulement de fluide F1 est formé par une huile de refroidissement au silicone, qui arrive de la batterie et qui est introduite dans le canal de distribution 28a situé à droite sur la figure 4, et est distribuée à partir de là entre les passages 5 des canaux d'écoulement d'une ou de plusieurs premières plaques 1 à canaux d'écoulement et est guidée à l'intérieur de ces dernières, à la suite de quoi elle est à nouveau rassemblée dans le canal de collecte opposé 28b et, 5 à partir de là, quitte la pile de plaques. Comme second fluide F2, un fluide, par exemple de l'eau de refroidissement, circule, par exemple selon un écoulement croisé par rapport à l'écoulement d'huile de refroidissement F1 indiquée plus haut, en traversant la moitié transversale de gauche de la pile de plaques en pénétrant dans le canal de distribution 27a, en traversant le groupe, situé à gauche sur la figure 4, de passages 15 de canaux d'écoulement d'une ou de plusieurs secondes plaques 3 à canaux d'écoulement et en empruntant la sortie opposée pour sortir du canal de collecte correspondant 27b. Comme troisième écoulement de fluide F3 qui circule dans le groupe, situé à droite sur la figure 4, de passages 14 de canaux d'écoulement d'une ou de plusieurs secondes plaques 3 à canaux d'écoulement, on utilise l'huile de refroidissement au silicone F1, qui traverse l'empilage de plaques déjà dans la direction longitudinale, auquel cas, après avoir traversé l'empilage de plaques sur le côté longitudinal, cette huile circule dans une canalisation de renvoi 31 indiquée sous la forme d'un schéma-bloc sur la figure 4, qui contient une pompe de circulation P nécessaire pour la circulation de l'huile de refroidissement, et est introduite dans le canal de distribution correspondant 26a. Grâce à cette disposition, on obtient l'effet désiré indiqué ci-après. L'huile au silicone F1 devant être refroidie, qui arrive de la batterie, est guidée, dans la direction longitudinale, de manière à traverser la structure formée par l'empilage de plaques et est tout d'abord préalablement refroidie dans la première moitié de la plaque, par le courant d'huile de refroidissement F3 forte 0 ment refroidi et renvoyé, selon une circulation à courants croisés, à la suite de quoi l'huile est refroidie en définitive, dans la seconde moitié des plaques, par le courant d'eau de refroidissement F2 circulant également selon une disposition en écoulements croisés, à la température désirée sur le côté entrée de la pompe de circulation P. L'huile de refroidissement traversant la pompe P est par conséquent située à une température nuisible pour cette pompe P. mais qui est une température basse inappropriée pour la réintroduction de l'huile de refroidissement dans la batterie, étant donné qu'elle est trop inférieure à la température de fonctionnement de cette batterie. C'est pourquoi l'huile de refroidissement évacuée par le côté sortie de la pompe P est utilisée en tant que troisième écoulement de fluide F3 pour réaliser un refroidissement préalable du courant chaud d'huile de refroidissement F1, qui arrive de la batterie, ce qui a pour effet que l'huile de refroidissement F3 est échauffée par suite d'un nouveau passage dans l'empilage de plaques, pour être amenée à la température appropriée pour son introduction réitérée dans la batterie, et quitte ensuite cette dernière par l'intermédiaire du canal de collecte correspondant 26b. Il est évident que la structure à empilage de plaques ainsi que la température d'entrée et le débit du fluide de refroidissement F2 doivent être conçus respectivement de manière que l'huile de refroidissement d'une part est refroidie, après la première traversée de l'empilage de plaques, à une température suffisamment basse pour éviter des endommagements de la pompe, et d'autre part est amenée, lors de la seconde traversée de l'empilage de plaques, exactement à la température désirée d'entrée dans la batterie. La rangée des fentes d'isolation 25, qui s'étendent dans la direction de l'empilage, dans la moitié de la pile de plaques, qui est tournée vers le côté entrée de l'huile de refroidissement chaude F1 arrivant de la batterie, on obtient une réduction de la température de paroi dans cette zone de l'empilage de plaques et une réduction des pertes de chaleur. Avec ce dispositif de transfert thermique, il est par consequent possible d'évacuer, d'une manière souhaitable, exactement la chaleur dissipée émise par la batterie, sans qu'il se produise d'une part un refroidissement trop faible ou d'autre part un refroidissement trop intense, conduisant à des pertes en énergie électrique
de la batterie.
Il est évident que l'échangeur de chaleur représenté et décrit peut être également utilisé dans d'autres buts d'application, dans lesquels deux écoulements séparés de fluide circulent selon un système d'écoulements croisés pour former un autre écoulement de fluide moyennant l'utilisation d'une seule structure compacte à empilage de plaques, et doivent coopérer thermiquement avec cet autre écoulement, auquel cas, grâce à un renvoi correspondant du fluide, au moins l'un des trois courants de fluide, qui apparaissent, peut être formé par un courant de fluide qui a traversé déjà au moins une fois l'empilage de plaques. La structure à empilage de plaques selon l'invention fournit, pour un faible encombrement, une puissance élevée de transfert thermique et peut être fabriquée moyennant la mise en
oeuvre d'une faible dépense.
D'autre part, il est évident que l'invention O n'est pas limitée à la structure à empilage de plaques indiquée concrètement. Par exemple, les différentes plaques peuvent posséder, en dehors de la forme rectangulaire représentée, n'importe quelle autre forme bidimensionnelle, et d'autre part il n'est pas nécessaire que les passages de canaux d'écoulement s'étendent entre des parties latérales opposées de plaques et il n'est pas absolument nécessaire qu'ils s'étendent selon une disposition rectiligne. Ils pourraient par exemple être réalisés, sinon, également
avec une forme cintrée ou coudée.
Claims (4)
1. Échangeur de chaleur comportant un agencement formé de plusieurs plaques empilées en superposition et pourvues de passages, caractérisé en ce qu'il comporte - au moins une première unité formant plaque (1) à canaux d'écoulement et au moins une seconde unité formant plaque (3) à canaux d'écoulement, la première unité étant pourvue d'un groupe de passages (5) de canaux d'écoulement, qui sont disposés côte-à-côte et s'étendent entre deux parties latérales (6,7) de la plaque, et la seconde unité étant pourvue de deux groupes séparés de passages (14,15) de canaux d'écoulement, disposés côte-à-côte et qui s'étendent entre deux parties latérales (29,30) de la plaque, les première et seconde unités formant plaques à canaux d'écoulement étant disposées d'une manière alternée dans l'empilage des plaques et possédant des passages (8a,8b,9a,9b,16a,16b) de canaux de liaison séparés par les passages de canaux d'écoulement, - une ou plusieurs unités (2) formant plaques de recouvrement et de liaison, qui sont disposées entre respectivement deux unités formant plaques à canaux d'écoulement, de manière que leurs passages de canaux d'écoulement sont en recouvrement réciproque, et possèdent les passages (21a à 23b) des canaux d'écoulement, - les passages des canaux de liaison dans les unités formant plaques à canaux d'écoulement et dans au moins une unité formant plaque de recouvrement et de liaison étant disposés de manière à former respectivement un couple de canaux de distribution et de collecte (26a,26b; 27a,27b; 28a, 28b) pour chacun des trois groupes de passages de canaux d'écoulement, disposés côte-à-côte, de telle sorte qu'un premier couple de passages (21a,21b) de canaux de liaison d'une unité formant plaque respective de recouvrement et de liaison (2) est en chevauchement d'une part avec un premier couple de passages correspondants (8a,8b) de canaux de liaison d'une première unité contiguë (1) formant plaque à canaux de liaison et d'autre part les extrémités respectives d'un premier groupe correspondant de passages (14) de canaux d'écoulement d'une seconde unité contiguë (3) formant plaque à canaux d'écoulement, un second couple de passages (22a,22b) de canaux d'écoulement de l'unité formant plaque de recouvrement et de liaison est en chevauchement d'une part avec un second couple de passages correspondants (9a,9b) de canaux de liaison de la première unité formant plaque à canaux d'écoulement et d'autre part avec les extrémités respectives de l'autre groupe correspondant de passages (15) de canaux d'écoulement de la seconde unité formant plaque à canaux d'écoulement, et qu'un troisième couple de passages (23a,23b) de canaux de liaison de l'unité formant plaque de recouvrement et de liaison est en chevauchement d'une part avec un couple de passages correspondants (16a,16b) de canaux de liaison de la seconde unité formant plaque à canaux d'écoulement et d'autre part avec les extrémités respectives du groupe de passages (5) de canaux d'écoulement de la première
unité formant plaque à canaux d'écoulement.
2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce que les passages (5) de canaux d'écoulement situés au moins dans une première unité (1) formant plaque à canaux d'écoulement s'étendent essentiellement transversalement par rapport aux deux groupes de passages (14,15) de canaux d'écoulement d'au moins une seconde unité (3) formant plaque à canaux d'écoulement, les deux groupes de passages (14) de canaux d'écoulement de la seconde unité formant plaque à canaux d'écoulement étant disposés l'un derrière l'autre dans la direction longitudinale des passages de canaux d'écoulement au moins de la première
unité formant plaque à canaux d'écoulement.
3. Échangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en outre par une liaison fluidique (31) située à l'extérieur de l'empilage de plaques, entre le canal de collecte (28b) pour les passages (5) des canaux d'écoulement au moins de la première unité (1) formant plaque à canaux d'écoulement et le canal de distribution (26a) de 5 l'un (14) des deux groupes de passages (14,15) de canaux d'écoulement au moins de la seconde
unité (3) formant plaque à canaux d'écoulement.
4. Échangeur de chaleur selon l'une quelconque
des revendications 1 à 3, caractérisé en outre
en ce qu'il comporte des passages (11B13,20) de fentes d'isolation, qui sont aménagées au moins le long d'une partie de la zone marginale de la plaque pour former des fentes thermiquement isolantes (25), qui s'étendent dans la direction d'empilage des plaques, selon une relation de correspondance d'alignement aussi bien dans les unités (1,3) formant plaques à canaux d'écoulement que dans la ou les unités (2) formant plaques de
recouvrement et de liaison.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20090529 |