FR2777643A1

FR2777643A1 - MULTIFUNCTIONAL HEAT EXCHANGER, PARTICULARLY FOR MOTOR VEHICLES

Info

Publication number: FR2777643A1
Application number: FR9804921A
Authority: FR
Inventors: Laurent Dabrowski; Alexandre Sharawi
Original assignee: Valeo Thermique Moteur SA
Current assignee: Valeo Thermique Moteur SA
Priority date: 1998-04-20
Filing date: 1998-04-20
Publication date: 1999-10-22
Anticipated expiration: 2018-04-20
Also published as: EP0952418B1; FR2777643B1; DE69908483T2; DE69908483D1; EP0952418A1

Abstract

Un échangeur de chaleur comprend un seul faisceau (1) formé de tubes (2a, 2b, 2i) et d'ailettes (3), et divisé en au moins deux parties (P1, P2) propres à être parcourues par des fluides (F1, F2) différents, refroidis par un milieu de refroidissement commun (F3) balayant le faisceau. Les extrémités (5a, 5b) des tubes sont reliées à au moins deux plaques collectrices distinctes (6, 12), séparées l'une de l'autre par un tube (2i) du faisceau, dit " tube inactif ", et les deux plaques collectrices sont assemblées respectivement à des boîtes collectrices distinctes (7, 13). L'échangeur de chaleur peut comporter par exemple une partie servant de radiateur de refroidissement d'un moteur thermique de véhicule automobile et une autre partie servant de refroidisseur d'air de suralimentation dudit moteur.A heat exchanger comprises a single bundle (1) formed of tubes (2a, 2b, 2i) and fins (3), and divided into at least two parts (P1, P2) suitable for being traversed by fluids (F1 , F2) different, cooled by a common cooling medium (F3) sweeping the beam. The ends (5a, 5b) of the tubes are connected to at least two separate collector plates (6, 12), separated from each other by a tube (2i) of the bundle, called "inactive tube", and both Collector plates are assembled respectively to separate collector boxes (7, 13). The heat exchanger may for example comprise a part serving as a cooling radiator for a heat engine of a motor vehicle and another part serving as a charge air cooler for said engine.

Description

Echangeur de chaleur multifonction, en particulier pour véhiculeMultifunction heat exchanger, in particular for vehicles

automobileautomobile

L'invention concerne un échangeur de chaleur du type multi- The invention relates to a multi-type heat exchanger

fonction, ou encore multifluide, convenant tout particu- function, or multifluid, suitable for any particular

lièrement aux véhicules automobiles. specifically for motor vehicles.

Elle concerne plus particulièrement un échangeur de chaleur comprenant un seul faisceau de tubes et d'ailettes, divisé en au moins deux parties propres à être parcourues par des fluides différents, qui sont destinés à être refroidis par un milieu de refroidissement commun balayant le faisceau, et dans lequel les extrémités des tubes sont reçues dans des It relates more particularly to a heat exchanger comprising a single bundle of tubes and fins, divided into at least two parts suitable for being traversed by different fluids, which are intended to be cooled by a common cooling medium sweeping the bundle, and in which the ends of the tubes are received in

plaques collectrices reliées à des boîtes collectrices. manifold plates connected to manifold boxes.

On connaît déjà, en particulier d'après DE 195 09 654, un échangeur de chaleur de ce type dans lequel les extrémités des tubes du faisceau sont reçues, d'un côté dans une plaque collectrice reliée à deux boîtes collectrices et, d'un côté opposé, dans une autre plaque collectrice reliée à deux Already known, in particular from DE 195 09 654, a heat exchanger of this type in which the ends of the tubes of the bundle are received, on one side in a manifold plate connected to two manifolds and, from a opposite side, in another collector plate connected to two

autres boîtes collectrices.other manifolds.

Cet échangeur de chaleur connu comprend un seul faisceau de This known heat exchanger comprises a single bundle of

tubes qui est divisé en deux parties parcourues respective- tubes which is divided into two parts traversed respectively-

ment par deux fluides différents. A chacune des parties du faisceau correspond une boîte collectrice d'entrée et une boîte collectrice de sortie pour la circulation du fluide à by two different fluids. Each of the parts of the bundle corresponds to an inlet manifold and an outlet manifold for the circulation of the fluid to

refroidir.cool.

Dans l'exemple de réalisation décrit dans le document précité, les deux fluides sont constitués respectivement par un flux d'air d'alimentation et par un flux de carburant qui doivent être refroidis par un même flux d'air qui balaie le faisceau. Cet échangeur de chaleur connu ne peut fonctionner d'une manière sûre que dans le cas o les deux fluides à refroidir In the embodiment described in the aforementioned document, the two fluids are constituted respectively by a flow of supply air and by a flow of fuel which must be cooled by the same flow of air which scans the beam. This known heat exchanger can only operate in a safe manner in the case where the two fluids to be cooled

ont des températures voisines.have near temperatures.

Par contre, si les deux fluides devaient avoir des tempéra- On the other hand, if the two fluids were to have temperatures

tures très différentes, les tubes de la première partie du faisceau et les tubes de la deuxième partie du faisceau présenteraient des dilatations différentes de nature à engendrer des contraintes au niveau des extrémités des tubes. Comme ces extrémités sont reçues à chaque fois dans une même boite collectrice, ces contraintes pourraient entraîner une very different tures, the tubes of the first part of the bundle and the tubes of the second part of the bundle would have different expansions such as to generate stresses at the ends of the tubes. As these ends are received each time in the same manifold, these constraints could cause

déformation, voire une rupture de cette boîte collectrice. deformation or even rupture of this manifold.

Cet échangeur de chaleur connu ne peut donc être utilisé lorsque les deux fluides à refroidir ont des températures très différentes, comme c'est le cas lorsque l'une des parties du faisceau constitue un radiateur de refroidissement This known heat exchanger cannot therefore be used when the two fluids to be cooled have very different temperatures, as is the case when one of the parts of the bundle constitutes a cooling radiator

d'un moteur thermique et une autre partie du faisceau consti- of a heat engine and another part of the beam

tue un radiateur de refroidissement, encore appelé "refroi- kills a cooling radiator, also called "cooling

disseur", de l'air de suralimentation du moteur. finisher ", engine charge air.

En effet, la suralimentation d'un moteur thermique consiste à alimenter celui-ci en air comprimé et non directement en air atmosphérique, de façon à augmenter la masse d'oxygène disponible dans les chambres de combustion. La compression de l'air s'accompagne d'une forte élévation de température, qui In fact, the supercharging of a heat engine consists in supplying it with compressed air and not directly with atmospheric air, so as to increase the mass of oxygen available in the combustion chambers. The compression of the air is accompanied by a strong rise in temperature, which

peut atteindre des valeurs de 150 C, ou davantage. can reach values of 150 C, or more.

Ces valeurs sont très supérieures à celles du fluide de refroidissement du moteur qui vont de la valeur ambiante au démarrage du moteur jusqu'à une plage d'environ 80 à 100 C en These values are much higher than those of the engine coolant, which range from the ambient value at engine start up to a range of about 80 to 100 C in

régime normal.normal diet.

L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvé- The object of the invention is in particular to overcome the drawbacks

nients précités.mentioned above.

Elle vise en particulier à procurer un échangeur de chaleur multifonctionnel susceptible d'être parcouru par des fluides différents, pouvant être à des températures très différentes, et cela sans risque d'endommagement du faisceau du fait de It aims in particular to provide a multifunctional heat exchanger capable of being traversed by different fluids, which can be at very different temperatures, and this without risk of damage to the bundle due to

phénomènes de dilatation différentielle. differential expansion phenomena.

Elle vise en particulier à procurer un échangeur de chaleur de ce type qui peut être utilisé pour assurer à la fois le refroidissement d'un moteur de véhicule automobile et le It aims in particular to provide a heat exchanger of this type which can be used to ensure both the cooling of a motor vehicle engine and the

refroidissement de l'air de suralimentation dudit moteur. cooling of the charge air of said engine.

L'invention propose à cet effet un échangeur de chaleur du type défini en introduction dans lequel, à chaque extrémité du faisceau, les extrémités des tubes sont reliés à au moins deux plaques collectrices distinctes, séparées l'une de l'autre par un tube du faisceau, dit "tube inactif", et dans To this end, the invention provides a heat exchanger of the type defined in the introduction in which, at each end of the bundle, the ends of the tubes are connected to at least two separate collector plates, separated from each other by a tube. of the beam, called "inactive tube", and in

lequel les deux plaques collectrices sont assemblées respec- which the two collector plates are assembled respec-

tivement à des boîtes collectrices distinctes propres à être tive to separate manifolds suitable for being

traversées respectivement par les fluides. crossed respectively by the fluids.

Ainsi, l'échangeur de chaleur de l'invention comprend un unique faisceau de tubes et d'ailettes, mais ce faisceau est divisé en deux parties en sorte que les extrémités des tubes appartenant respectivement aux deux parties sont reçues dans deux plaques collectrices distinctes, et non pas dans une Thus, the heat exchanger of the invention comprises a single bundle of tubes and fins, but this bundle is divided into two parts so that the ends of the tubes belonging respectively to the two parts are received in two separate manifold plates, and not in a

seule plaque collectrice comme dans la technique antérieure. single collecting plate as in the prior art.

Ces deux plaques collectrices distinctes sont à chaque fois séparées l'une de l'autre par un tube du faisceau, que l'on appelle "tube inactif", car ce tube n'est parcouru par aucun fluide et joue simplement le rôle d'une barrière thermique These two separate collector plates are each separated from each other by a tube of the bundle, which is called "inactive tube", because this tube is traversed by no fluid and simply plays the role of a thermal barrier

entre les plaques collectrices.between the collector plates.

Il en résulte que, même si les deux parties du faisceau sont parcourues par des fluides à des temperatures très éloignées l'une de l'autre, aucune détérioration ne risque de se produire du fait que les deux parties ont des plaques As a result, even if the two parts of the beam are traversed by fluids at temperatures very far from each other, no deterioration is likely to occur because the two parts have plates

collectrices et des boîtes collectrices totalement distinc- totally separate manifolds and manifolds

tes. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, le faisceau est formé par un empilement alterné de tubes plats et d'ailettes réalisées sous la forme d'intercalaires ondulés. your. In a preferred embodiment of the invention, the bundle is formed by an alternating stack of flat tubes and fins produced in the form of corrugated spacers.

Les tubes plats précités sont avantageusement du type multi- The aforementioned flat tubes are advantageously of the multi-type

canaux. Les plaques collectrices et les boîtes collectrices peuvent être assemblées entre elles, soit mécaniquement avec interpo- canals. The collector plates and the collector boxes can be assembled together, either mechanically with interpolation

sition d'un joint d'étanchéité, soit encore par brasage. sition of a seal, or again by brazing.

L'invention s'applique tout particulièrement au cas o le faisceau comprend deux parties propres à être balayées par un même flux d'air de refroidissement. Bien entendu, ce faisceau pourrait comprendre plus de deux parties, toujours balayées The invention applies very particularly to the case where the bundle comprises two parts capable of being swept by the same flow of cooling air. Of course, this beam could include more than two parts, always scanned

par un même flux d'air de refroidissement. by the same flow of cooling air.

Dans une application préférentielle de l'invention, une partie du faisceau constitue un radiateur de refroidissement d'un moteur thermique, et une autre partie du faisceau constitue un radiateur de refroidissement de l'air de In a preferred application of the invention, part of the bundle constitutes a radiator for cooling a heat engine, and another part of the bundle constitutes a radiator for cooling the air of

suralimentation dudit moteur.supercharging of said engine.

Dans la description qui suit, faite seulement à titre In the following description, made only as

d'exemple, on se réfère au dessin annexé, sur lequel la figure unique représente une vue en perspective partielle, for example, reference is made to the appended drawing, in which the single figure represents a partial perspective view,

avec éclatement, d'un échangeur de chaleur selon l'invention. with bursting, of a heat exchanger according to the invention.

L'échangeur de chaleur représenté sur le dessin annexé comprend un faisceau unique 1 formé par un empilement alterné The heat exchanger shown in the accompanying drawing comprises a single bundle 1 formed by an alternating stack

de tubes plats 2 et d'ailettes 3 constituées par des interca- flat tubes 2 and fins 3 formed by interchangeable

laires ondulés.wavy colors.

Les tubes 2 sont des tubes dits "bi-canaux" obtenus par pliage et brasage d'une tôle métallique, en particulier à base d'aluminium. Chacun des tubes définit intérieurement The tubes 2 are so-called "two-channel" tubes obtained by bending and brazing a metal sheet, in particular based on aluminum. Each of the tubes internally defines

deux canaux parallèles 4 pour la circulation d'un fluide. two parallel channels 4 for the circulation of a fluid.

Les ailettes 3 sont formées habituellement du même matériau métallique et ces dernières sont reliées par brasage aux The fins 3 are usually formed from the same metallic material and the latter are connected by brazing to the

tubes 2.tubes 2.

Les tubes du faisceau sont identiques entre eux et sont divisés en une première série de tubes 2a destinés à être parcourus par un premier fluide F1 et en une deuxième série de tubes 2b destinés à être parcourus par un deuxième fluide F2. Dans l'exemple, le premier fluide F1 est constitué par le The tubes of the bundle are identical to each other and are divided into a first series of tubes 2a intended to be traversed by a first fluid F1 and into a second series of tubes 2b intended to be traversed by a second fluid F2. In the example, the first fluid F1 is constituted by the

liquide de refroidissement (habituellement de l'eau addition- coolant (usually water added-

née d'un antigel) d'un moteur thermique, en particulier de véhicule automobile. Le deuxième fluide F2 est constitué par born of an antifreeze) of a heat engine, in particular of a motor vehicle. The second fluid F2 consists of

de l'air de suralimentation dudit moteur thermique. charge air from said heat engine.

Il est rappelé ici que la suralimentation d'un moteur thermique consiste à alimenter celui-ci en air comprimé et non directement en air atmosphérique, de façon à augmenter la It is recalled here that the supercharging of a heat engine consists in supplying it with compressed air and not directly with atmospheric air, so as to increase the

masse d'oxygène disponible dans les chambres de combustion. mass of oxygen available in the combustion chambers.

La compression de l'air s'accompagne d'une forte élévation de The compression of the air is accompanied by a strong rise in

température et il est donc nécessaire de refroidir cet air. temperature and it is therefore necessary to cool this air.

Les ailettes définissent entre les tubes des espaces libres pour la circulation d'un flux d'air de refroidissement F3 qui The fins define between the tubes free spaces for the circulation of a flow of cooling air F3 which

est commun à tous les tubes du faisceau. is common to all tubes in the bundle.

Le faisceau 10 comprend un tube particulier 2i, dit "tube inactif", qui sépare les tubes 2a des tubes 2b. Ce tube inactif 2i constitue une barrière thermique qui sépare une première partie P1 du faisceau constituée des tubes 2a et des ailettes associées et d'une deuxième partie P2 du faisceau The bundle 10 comprises a particular tube 2i, called "inactive tube", which separates the tubes 2a from the tubes 2b. This inactive tube 2i constitutes a thermal barrier which separates a first part P1 of the bundle consisting of the tubes 2a and the associated fins and of a second part P2 of the bundle

constituée des tubes 2b et des ailettes associées. consisting of tubes 2b and associated fins.

En effet, le fluide F1 et le fluide F2 peuvent avoir des températures très différentes, susceptibles d'engendrer des Indeed, the fluid F1 and the fluid F2 can have very different temperatures, likely to generate

contraintes dans le faisceau. A titre d'exemple, la tempéra- constraints in the beam. For example, the temperature

ture du fluide F1 (liquide de refroidissement) peut varier de la valeur ambiante jusqu'à environ 100 C, alors que le fluide F2 (air de suralimentation) peut atteindre des températures de l'ordre de 150 C ou davantage, ce qui conduit à des phénomènes de dilatation différentielle entre les tubes 2a et ture of the fluid F1 (coolant) can vary from the ambient value to about 100 C, while the fluid F2 (charge air) can reach temperatures of the order of 150 C or more, which leads to phenomena of differential expansion between tubes 2a and

les tubes 2b.the tubes 2b.

Les tubes 2a ont des extrémités 5a, encore appelées "pieds de tubes", reçues dans des ouvertures d'une plaque collectrice 6, encore appelée "collecteur", qui est assemblée à une boite collectrice 7. L'ensemble constitué par la plaque collectrice 6 et la boîte collectrice 7 délimite un volume servant de The tubes 2a have ends 5a, also called "tube feet", received in openings of a collecting plate 6, also called "manifold", which is assembled to a collecting box 7. The assembly constituted by the collecting plate 6 and the manifold 7 defines a volume serving as

compartiment d'entrée (ou de sortie) pour le fluide Fl. inlet (or outlet) compartment for fluid Fl.

La plaque collectrice 6 comporte un bord périphérique 8 délimitant une gouttière dans laquelle est reçu un rebord périphérique 9 de la boite collectrice 7, avec interposition The collecting plate 6 has a peripheral edge 8 delimiting a gutter in which is received a peripheral rim 9 of the collecting box 7, with interposition

d'un joint d'étanchéité 10. Le bord 8 de la plaque collec- a seal 10. The edge 8 of the collecting plate

trice 6 est crénelé et rabattu contre le rebord 9 de la boite trice 6 is crenellated and folded against the rim 9 of the box

collectrice 16 pour former des pattes repliées 11. manifold 16 to form folded legs 11.

Les tubes 2b ont des extrémités respectives 5b reçues dans des ouvertures d'une autre plaque collectrice 12 qui est distincte de la plaque collectrice 6 et séparée de cette The tubes 2b have respective ends 5b received in the openings of another collector plate 12 which is separate from the collector plate 6 and separated from this

dernière par le tube inactif 2i.last through the inactive tube 2i.

De même, la plaque collectrice 12 est assemblée à une autre boîte collectrice 13. La plaque collectrice 12 comprend un bord périphérique 14 délimitant une gouttière périphérique dans laquelle est reçue un rebord périphérique 15 de la boîte Similarly, the collector plate 12 is assembled to another collector box 13. The collector plate 12 comprises a peripheral edge 14 delimiting a peripheral gutter in which is received a peripheral rim 15 of the box

collectrice 13 avec interposition d'un joint d'étanchéité 16. manifold 13 with interposition of a seal 16.

La plaque collectrice 12 et la boîte collectrice 13 définis- The collecting plate 12 and the collecting box 13 defined

sent conjointement un volume servant de compartiment d'entrée jointly feels a volume serving as an entry compartment

(ou de sortie) pour le fluide F2.(or outlet) for fluid F2.

Il en résulte que l'ensemble formé par la plaque collectrice 6 et la boîte collectrice 7, d'une part, et l'ensemble formé par la plaque collectrice 12 et la boite collectrice 13, d'autre part, sont totalement distincts, bien qu'ils se It follows that the assembly formed by the collector plate 6 and the collector box 7, on the one hand, and the assembly formed by the collector plate 12 and the collector box 13, on the other hand, are completely separate, although that they

raccordent à un même faisceau de tubes. connect to the same bundle of tubes.

Par conséquent, si les tubes 2a et les tubes 2b sont parcou- Consequently, if the tubes 2a and the tubes 2b are run through

rus par des fluides ayant des températures très différentes, et donc soumis à des phénomènes de dilatation différentielle importants, cela n'entraîne aucune contrainte au niveau des rus by fluids having very different temperatures, and thus subjected to important phenomena of differential expansion, that does not involve any stress on the level of

plaques collectrices et des boîtes collectrices. manifold plates and manifold boxes.

Ainsi, l'invention permet de s'affranchir de ces phénomènes de dilatation différentielle tout en conservant l'avantage Thus, the invention makes it possible to overcome these differential expansion phenomena while retaining the advantage

d'utiliser un seul faisceau constitué de tubes tous identi- to use a single bundle made up of tubes all identi-

ques. Etant donné que l'échangeur comprend des boîtes collectrices différentes, il est possible de former ces dernières à partir de matériaux différents. Par exemple, la boîte collectrice 7 peut être réalisée en matière plastique ques. Since the exchanger includes different manifolds, it is possible to form the latter from different materials. For example, the manifold 7 can be made of plastic

et la boîte collectrice 13 en matière métallique. and the manifold 13 made of metallic material.

La figure du dessin montre une seule extrémité du faisceau. The figure in the drawing shows only one end of the beam.

Ce dernier comporte une extrémité opposée qui est équipée de deux autres plaques collectrices analogues et également de The latter has an opposite end which is equipped with two other similar collecting plates and also with

deux autres boîtes collectrices analogues. two other similar manifolds.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à la forme de Of course, the invention is not limited to the form of

réalisation décrite précédemment à titre d'exemple. embodiment described previously by way of example.

Ainsi, on comprendra que l'assemblage entre une plaque collectrice et une boîte collectrice peut être effectué non seulement par voie mécanique, c'est-à-dire avec interposition d'un joint d'étanchéité comme décrit précédemment, mais aussi Thus, it will be understood that the assembly between a manifold plate and a manifold can be carried out not only mechanically, that is to say with the interposition of a seal as described above, but also

par brasage.by soldering.

En outre, l'échangeur de chaleur de l'invention peut compor- In addition, the heat exchanger of the invention can comprise

ter plus de deux parties de manière à être traversé par plus de deux fluides différents. En pareil cas, il faut prévoir au moins deux tubes inactifs séparant au moins trois séries ter more than two parts so as to be crossed by more than two different fluids. In this case, at least two inactive tubes must be provided, separating at least three series

différentes de tubes du faisceau.different from bundle tubes.

Egalement, l'invention n'est pas limitée au cas particulier d'un échangeur de chaleur comprenant une partie formant radiateur de refroidissement d'un moteur thermique et une Also, the invention is not limited to the particular case of a heat exchanger comprising a part forming a radiator for cooling a thermal engine and a

autre partie formant refroidisseur de l'air de suralimenta- other part forming the charge air cooler

tion de ce moteur.tion of this engine.

Claims

1. Heat exchanger comprising a single bundle (1) of tubes (2a, 2b, 2i) and fins (3) divided into at least two parts (P1, P2) suitable for being traversed by different fluids (F1, F2), which are intended to be cooled by

a common cooling medium (F3) sweeping the beam

skin, and in which the ends of the tubes are received

in collector plates connected to collection boxes

trices, characterized in that, at each end of the bundle (1), the ends (5a, 5b) of the tubes (2a, 2b) are connected to at least two separate collecting plates (6, 12), separated one from the other by a tube (2i) of the bundle, called "inactive tube", and in that the two manifold plates (6, 12) are respectively assembled to separate manifold boxes (7, 13) suitable for being traversed respectively

by fluids (F1, F2).

2. Heat exchanger according to claim 1, character-

risé in that the bundle (1) is formed by an alternating stack of flat tubes (2a, 2b, 2i) and fins (3)

produced in the form of corrugated dividers.

3. Heat exchanger according to claim 2, character-

laughed in that the flat tubes (2a, 2b, 2i) are multi-

canals.

4. Heat exchanger according to one of claims 1 to

3, characterized in that the manifold plates (6, 12) and the manifold boxes (7, 13) are mechanically assembled

with interposition of a seal (10, 16).

5. Heat exchanger according to one of claims 1 to

3, characterized in that the collector plates (6, 12) and

the manifolds (7, 13) are assembled by brazing.

6. Heat exchanger according to one of claims 1 to

, characterized in that the beam (1) comprises two parts (P1, P2) suitable for being scanned by the same flow

cooling air (F3).

7. Heat exchanger according to one of claims 1 to

6, characterized in that a part (P1) of the bundle (1) constitutes a radiator for cooling a heat engine, and that another part (P2) of the bundle (1) constitutes a radiator for cooling the air of

supercharging of said engine.