FR2795167A1 - PLATE HEAT EXCHANGER, ESPECIALLY FOR COOLING A MOTOR VEHICLE OIL - Google Patents
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Abstract
Un échangeur de chaleur comprend une multiplicité de plaques empilées (10) qui sont identiques entre elles et ont la forme générale d'un carré et qui sont munies de bords périphériques relevés (14) assemblés de manière étanche pour délimiter entre les plaques des premiers canaux d'écoulement pour un premier fluide (F1) qui alternent avec des seconds canaux d'écoulement pour un second fluide (F2). L'échangeur comprend en outre une entrée (26) et une sortie (28) pour le premier fluide (F1) qui se situent sur une diagonale du carré, ainsi qu'une entrée (30) et une sortie (32) pour le second fluide (F2) qui se situent sur une autre diagonale du carré. L'échangeur de chaleur peut constituer notamment un refroidisseur d'huile pour véhicule automobile.A heat exchanger comprises a multiplicity of stacked plates (10) which are identical to each other and have the general shape of a square and which are provided with raised peripheral edges (14) assembled in a sealed manner to define between the plates of the first channels flow channels for a first fluid (F1) which alternate with second flow channels for a second fluid (F2). The exchanger further comprises an inlet (26) and an outlet (28) for the first fluid (F1) which are located on a diagonal of the square, as well as an inlet (30) and an outlet (32) for the second. fluid (F2) which lie on another diagonal of the square. The heat exchanger can in particular constitute an oil cooler for a motor vehicle.
Description
J IJ I
Echangeur de chaleur à plaques. notamment pour refroidir une huile d'un véhicule automobile L'invention se rapporte aux échangeurs de chaleur, notamment Plate heat exchanger. in particular for cooling an oil in a motor vehicle The invention relates to heat exchangers, in particular
pour véhicules automobiles.for motor vehicles.
Elle concerne plus particulièrement un échangeur de chaleur comprenant une multiplicité de plaques empilées munies chacune d'un bord périphérique relevé, et dans lequel lesdits bords périphériques sont assemblés de manière étanche pour délimiter entre les plaques des premiers canaux d'écoulement pour un premier fluide qui alternent avec des seconds canaux d'écoulement pour un second fluide, l'échangeur comprenant en outre une entrée et une sortie pour le premier fluide ainsi It relates more particularly to a heat exchanger comprising a multiplicity of stacked plates each provided with a raised peripheral edge, and in which said peripheral edges are tightly assembled to delimit between the plates first flow channels for a first fluid which alternate with second flow channels for a second fluid, the exchanger further comprising an inlet and an outlet for the first fluid thus
qu'une entrée et une sortie pour le second fluide. than an inlet and an outlet for the second fluid.
Un échangeur de chaleur de ce type, appelé aussi "échangeur à plaques", ou "échangeur à lames", est connu en particulier d'après la publication DE-A-195 11 991. Un tel échangeur de chaleur est utilisé par exemple en tant que refroidisseur A heat exchanger of this type, also called a "plate exchanger", or "plate exchanger", is known in particular from the publication DE-A-195 11 991. Such a heat exchanger is used for example in as a cooler
d'huile pour véhicule automobile, pour assurer le refroidis- motor vehicle oil to cool
sement de l'huile du moteur ou encore le refroidissement de l'huile de la boite de vitesses automatique, par échange thermique avec un fluide de refroidissement, habituellement the engine oil or the cooling of the automatic gearbox oil, by heat exchange with a coolant, usually
celui qui sert au refroidissement du moteur du véhicule. the one used to cool the vehicle engine.
Dans un échangeur de chaleur de ce type, les plaques sont In a heat exchanger of this type, the plates are
réalisées habituellement par emboutissage d'une tôle métalli- usually made by stamping a metal sheet
que, et sont empilées, en sorte que leurs bords périphériques respectifs s'emboîtent les uns dans les autres et soient ensuite brasés entre eux pour assurer l'étanchéité, ce qui that, and are stacked, so that their respective peripheral edges fit into each other and are then brazed together to ensure sealing, which
permet de définir des canaux de circulation de fluide. used to define fluid circulation channels.
L'échangeur de chaleur résulte ainsi d'un empilage de plaques The heat exchanger thus results from a stack of plates
et ne nécessite pas de boîtier.and does not require a housing.
On prévoit alors une tubulure d'entrée et une tubulure de sortie pour un premier fluide qui communiquent avec une première série de canaux, ainsi qu'une tubulure d'entrée et An inlet pipe and an outlet pipe are then provided for a first fluid which communicate with a first series of channels, as well as an inlet pipe and
ÀX 2ÀX 2
une tubulure de sortie pour un second fluide qui communiquent avec une deuxième série de canaux, en sorte que les canaux de la première série alternent avec les canaux de la deuxième série. Les plaques possèdent des ouvertures situées au droit des tubulures précitées et alternativement rendues étanches, soit par des emboutis, soit par des bagues rapportées, pour an outlet for a second fluid which communicate with a second series of channels, so that the channels of the first series alternate with the channels of the second series. The plates have openings located to the right of the aforementioned pipes and alternately sealed, either by stampings or by added rings, to
assurer ou interdire le passage de l'un ou l'autre fluide. ensure or prohibit the passage of one or the other fluid.
Dans les échangeurs de chaleur connus de ce type, on prévoit habituellement des plaques de deux types différents qui sont disposées en alternance, ce qui augmente notamment les coûts In known heat exchangers of this type, plates of two different types are usually provided which are arranged alternately, which increases in particular the costs.
en matière et en outillage.in material and tools.
Ces plaques présentent un fond généralement plan et il est These plates have a generally flat bottom and it is
prévu, dans chaque canal d'écoulement, un élément perturba- provided, in each flow channel, a disturbing element
teur pour favoriser un écoulement turbulent du fluide et donc tor to promote a turbulent flow of the fluid and therefore
l'échange thermique.heat exchange.
De plus, il est généralement nécessaire de prévoir des éléments perturbateurs différents pour le premier fluide et le second fluide, ce qui complique encore la fabrication de In addition, it is generally necessary to provide different disturbing elements for the first fluid and the second fluid, which further complicates the manufacture of
l'échangeur de chaleur.the heat exchanger.
Ainsi, tous ces échangeurs de chaleur connus nécessitent un Thus, all of these known heat exchangers require a
grand nombre de pièces de types différents à assembler. large number of parts of different types to assemble.
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 principalement à procurer un échangeur de chaleur à plaques du type défini précédemment, qui comporte un nombre minimal de pièces de types différents, et en particulier qui Its main purpose is to provide a plate heat exchanger of the type defined above, which comprises a minimum number of parts of different types, and in particular which
est dépourvu d'éléments perturbateurs. is devoid of disturbing elements.
L'invention vise également à procurer un tel échangeur de chaleur à plaques propre à améliorer l'échange thermique entre les deux fluides, sans augmentation de la perte de charge du circuit du premier fluide et du circuit du second fluide. L'invention propose à cet effet un échangeur de chaleur du type défini en introduction, dans lequel les plaques sont identiques entre elles et ont la forme générale d'un carré, lesdites plaques présentent chacune un fond ayant des ondulations définies par des génératrices s'étendant dans une direction donnée, et ces plaques sont disposées en alternance en étant tournées de 90 par rapport à la (aux) plaque(s) adjacente(s), de sorte que chaque canal est délimité par des ondulations croisées à 90 , et dans lequel l'entrée et la sortie du premier fluide se situent sensiblement sur une diagonale du carré, tandis que l'entrée et la sortie du second fluide se situent sensiblement sur une autre diagonale The invention also aims to provide such a plate heat exchanger capable of improving the heat exchange between the two fluids, without increasing the pressure drop of the circuit of the first fluid and of the circuit of the second fluid. The invention proposes for this purpose a heat exchanger of the type defined in the introduction, in which the plates are identical to each other and have the general shape of a square, said plates each having a bottom having undulations defined by generators s' extending in a given direction, and these plates are arranged alternately by being rotated by 90 relative to the adjacent plate (s), so that each channel is delimited by corrugations crossed at 90, and in wherein the inlet and outlet of the first fluid are located substantially on a diagonal of the square, while the inlet and outlet of the second fluid are located substantially on another diagonal
du carré.of the square.
Ainsi, l'échangeur de chaleur est formé à partir de plaques d'un seul type ce qui réduit le nombre de types de pièces et Thus, the heat exchanger is formed from plates of a single type which reduces the number of types of parts and
facilite les opérations d'assemblage. facilitates assembly operations.
On définit ainsi des canaux tridimensionnels de forme particulière délimités chacun entre deux fonds ondulés, dont les ondulations respectives s'étendent dans des directions Three-dimensional channels of particular shape are thus defined, each delimited between two undulating bottoms, the respective undulations of which extend in directions.
sensiblement perpendiculaires entre elles. substantially perpendicular to each other.
De plus, comme les entrées et sorties de fluide sont dispo- In addition, as the fluid inlets and outlets are available
sées sur des diagonales du carré, il est possible de superpo- located on diagonals of the square, it is possible to superimpose
ser une plaque au dessus d'une autre en la faisant tourner de serve one plate over another by rotating it
90 .90.
Les ondulations donnent une valeur du diamètre hydraulique The undulations give a value for the hydraulic diameter
déterminée et égale pour les deux fluides. determined and equal for the two fluids.
On rappellera que pour un tel canal tridimensionnel, le diamètre hydraulique est défini par la relation Dh = 4 X It will be recalled that for such a three-dimensional channel, the hydraulic diameter is defined by the relation Dh = 4 X
Volume occupé par le fluide/Surface mouillée. Volume occupied by the fluid / Wet surface.
Selon l'invention, chaque canal possède un diamètre hydrauli- According to the invention, each channel has a hydraulic diameter
que (Dh) de valeur choisie, définie par la relation Dh = 2.h, o h représente la hauteur du canal, c'est à dire la moitié de l'espacement maximal entre les crêtes respectives des ondulations d'une première plaque et les crêtes respectives that (Dh) of chosen value, defined by the relation Dh = 2.h, oh represents the height of the channel, that is to say half of the maximum spacing between the respective peaks of the undulations of a first plate and the respective ridges
des ondulations d'une seconde plaque adjacente. undulations of a second adjacent plate.
Il a été constaté que, lorsque la valeur du diamètre hydrau- It was found that when the value of the hydrau-
liaue Dh est choisie et est comprise entre 1 et 3 mm, on obtient un échange thermique optimal entre les deux fluides, sans augmentation de la perte de charge de l'un et l'autre de liaue Dh is chosen and is between 1 and 3 mm, an optimal heat exchange is obtained between the two fluids, without increasing the pressure drop of either
ces fluides.these fluids.
De façon avantageuse, la valeur du diamètre hydraulique Dh est Advantageously, the value of the hydraulic diameter Dh is
sensiblement égale à 1,8 mm.substantially equal to 1.8 mm.
Dans l'invention, les ondulations de deux plaques adjacentes In the invention, the undulations of two adjacent plates
sont de préférence en contact mutuel. are preferably in mutual contact.
Les ondulations des plaques sont avantageusement de forme The corrugations of the plates are advantageously shaped
sensiblement sinusoïdale.substantially sinusoidal.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les plaques sont formées par emboutissage d'une tôle métallique, de According to another characteristic of the invention, the plates are formed by stamping a metal sheet, of
préférence à base d'aluminium.preferably based on aluminum.
Les bords relevés des plaques sont avantageusement assemblés The raised edges of the plates are advantageously assembled
entre eux par brasaae.between them by brasaae.
Dans une application préférentielle de l'ir.vention, l'échan- In a preferred application of the invention, the exchange
geur de chaleur est réalisé sous la forme d'un refroidisseur d'huile pour véhicule automobile, dans lequel l'un des fluides est l'huile du moteur ou l'huile de la boîte de vitesses automatique du véhicule, tandis aue l'autre fluide heat gor is produced in the form of an oil cooler for a motor vehicle, in which one of the fluids is engine oil or oil of the automatic transmission of the vehicle, while the other fluid
est un fluide de refrcidissement.is a cooling fluid.
Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exem- In the description which follows, made only by way of example
ple, on se réfère aux dessins annexes, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective d'un échangeur de chaleur à plaques selon l'invention; J 5 - la figure 2 est une vue partielle en coupe de l'échangeur de chaleur de la figure 1; et - la figure 3 est une vue de dessus de l'échangeur de chaleur de la figure 1. L'échangeur de chaleur représenté à la figure 1 comprend une multiplicité de plaques 10, encore appelées "demi-lames", empilées suivant une direction d'assemblage ou empilage, ple, reference is made to the accompanying drawings, in which: - Figure 1 is a perspective view of a plate heat exchanger according to the invention; J 5 - Figure 2 is a partial sectional view of the heat exchanger of Figure 1; and - Figure 3 is a top view of the heat exchanger of Figure 1. The heat exchanger shown in Figure 1 comprises a multiplicity of plates 10, also called "half-blades", stacked in a direction assembly or stacking,
selon une technique d'assemblage dite "en écailles". according to an assembly technique called "scales".
Les plaques 10 sont ici identiques entre elles et présentent chacune un fond 12 entouré par un bord périphérique 14 qui est généralement plan et relevé vers le haut. Le fond 12 a ici la forme d'un carré aux angles arrondis et il est muni d'ondulations 16, de forme sensiblement sinusoïdale, définies par des génératrices parallèles entre elles et parallèles à deux côtés opposés 18 du carré et donc perpendiculaires aux The plates 10 are here identical to each other and each have a bottom 12 surrounded by a peripheral edge 14 which is generally planar and raised upwards. The bottom 12 here has the shape of a square with rounded angles and it is provided with corrugations 16, of substantially sinusoidal shape, defined by generatrices parallel to each other and parallel to two opposite sides 18 of the square and therefore perpendicular to the
deux autres côtés opposés 20 du carré (figures 1 et 3). two other opposite sides 20 of the square (Figures 1 and 3).
Les plaques 10 sont formées par emboutissage d'une tôle The plates 10 are formed by stamping a sheet
métallique de préférence à base d'aluminium, qui est avanta- preferably aluminum based, which is advantageously
geusement revêtue d'un placage de brasure sur l'une au moins well coated with solder plating on at least one
de ses faces.of its faces.
Pour former l'échangeur, les plaques 10 sont empilées et viennent ainsi en contact mutuel à leur périphérie par leurs bords relevés respectifs 14, qui sont brasés ensemble pour To form the exchanger, the plates 10 are stacked and thus come into mutual contact at their periphery by their respective raised edges 14, which are brazed together to
assurer une liaison mécanique étanche. ensure a tight mechanical connection.
Les plaques 10 sont disposées en alternance en étant à chaque fois tournées chacune de 90 par rapport à la (aux) plaque(s) adjacente(s), si bien que les ondulations respectives 16 de deux plaques adjacentes sont croisées à 90 (figure 2). Par ailleurs, les ondulations de deux plaques 10 adjacentes sont The plates 10 are arranged alternately, each being rotated each 90 relative to the adjacent plate (s), so that the respective corrugations 16 of two adjacent plates are crossed at 90 (FIG. 2 ). Furthermore, the undulations of two adjacent plates 10 are
en contact entre elles.in contact with each other.
Les plaques 10 délimitent ainsi entre elles des canaux 22 pour un premier fluide F1 qui alternent avec des canaux 24 The plates 10 thus delimit between them channels 22 for a first fluid F1 which alternate with channels 24
pour un second fluide F2.for a second fluid F2.
L'échangeur de chaleur comprend en outre (figure 1) une tubulure d'entrée 26 et une tubulure de sortie 28 pour le premier fluide F1, ainsi qu'une tubulure d'entrée 30 et une The heat exchanger further comprises (FIG. 1) an inlet pipe 26 and an outlet pipe 28 for the first fluid F1, as well as an inlet pipe 30 and a
tubulure de sortie 32 pour le second fluide F2. outlet pipe 32 for the second fluid F2.
Les tubulures 26 et 28 sont sur une diagonale du carré formé Dar la plaque 10 située à une extrémité de la pile et les tubulures 30 et 32 sont sur une autre diagonale de ce carré (figure 3). Les tubulures 26, 28, 30 et 32 sont montées respectivement sur quatre ouvertures circulaires 34, 36, 38 et 40 de la plaque supérieure de la pile (figure 3). Ces ouvertures ont toutes le même diamètre et sont situées à égale distance du centre du carré. Ainsi lorsque les plaques sont empilées, elles peuvent communiquer entre elles par The pipes 26 and 28 are on a diagonal of the square formed on the plate 10 located at one end of the stack and the pipes 30 and 32 are on another diagonal of this square (Figure 3). Tubing 26, 28, 30 and 32 are mounted respectively on four circular openings 34, 36, 38 and 40 of the upper plate of the stack (Figure 3). These openings all have the same diameter and are located equidistant from the center of the square. So when the plates are stacked, they can communicate with each other by
quatre série d'ouvertures alignées. four series of aligned openings.
Les tubulures 26, 28, 30 et 32 se prolongent à l'intérieur de la pile et il est prévu des moyens permettant de faire communiquer les tubulures 26 et 28 avec les premiers canaux 22, d'une part, et les tubulures 30 et 32 avec les seconds The pipes 26, 28, 30 and 32 extend inside the stack and means are provided for communicating the pipes 26 and 28 with the first channels 22, on the one hand, and the pipes 30 and 32 with the latter
canaux 24, d'autre part. Ces moyens de communication, en eux- channels 24, on the other hand. These means of communication, in themselves
mêmes connus, ne sont pas décrits. Des détails à ce sujet peuvent être trouvés notamment dans la Publication DE-A-195 even known, are not described. Details on this can be found in particular in Publication DE-A-195
11 991 précitée.11 991 cited above.
Les ondulations respectives 16 des plaques 10 permettent de donner aux canaux 22 et 24 une structure tridimensionnelle particulière qui favorise un écoulement turbulent du fluide Fl et du fluide F2 et, par conséquent, un bon échange thermique entre eux. Ceci permet de supprimer les éléments perturbateurs qui, jusqu'à présent, avaient été considérés comme nécessaires dans ce type d'échangeurs de chaleur à plaques. L'écoulement des fluides F1 et F2 dans les canaux s'effectue à 90 par rapport aux ondulations, comme montré par la flèche The respective corrugations 16 of the plates 10 make it possible to give the channels 22 and 24 a particular three-dimensional structure which promotes turbulent flow of the fluid F1 and of the fluid F2 and, consequently, a good heat exchange between them. This eliminates the disturbing elements which, until now, had been considered necessary in this type of plate heat exchangers. The flow of fluids F1 and F2 in the channels takes place at 90 relative to the corrugations, as shown by the arrow
E pour le fluide f2 (figure 3).E for fluid f2 (Figure 3).
Dans l'invention, il est en outre essentiel que le diamètre In the invention, it is also essential that the diameter
hydraulique des canaux 22 et 24 ait une valeur choisie. hydraulic channel 22 and 24 has a selected value.
En règle générale, le diamètre hydraulique est défini par la relation Dh = 4 x Volume occupé par le fluide/Surface As a general rule, the hydraulic diameter is defined by the relationship Dh = 4 x Volume occupied by the fluid / Area
mouillée.wet.
Ici, dans le cas d'un canal de faible épaisseur, le diamètre hydraulique Dh peut être exprimé, d'une façon simplifiée, par la relation suivante: Dh = 2 x h, Here, in the case of a thin channel, the hydraulic diameter Dh can be expressed, in a simplified way, by the following relation: Dh = 2 x h,
o h représente la hauteur moyenne du canal. where h represents the average height of the channel.
En se reportant à la figure 2, h représente la moitié de l'espacement maximal entre les crêtes respectives 40 et 42 Referring to Figure 2, h represents half of the maximum spacing between the respective peaks 40 and 42
des ondulations respectives 16 de deux plaques 10 adjacentes. respective corrugations 16 of two adjacent plates 10.
Ici, la valeur du diamètre hydraulique Dh doit être comprise Here, the value of the hydraulic diameter Dh must be understood
entre 1 et 3 mm. Avantageusement, cette valeur est sensible- between 1 and 3 mm. Advantageously, this value is sensitive-
ment égale à 1,8 mm.equal to 1.8 mm.
L'échangeur de chaleur constitue avantageusement un refroi- The heat exchanger advantageously constitutes a cooling
disseur d'huile. Il peut être utilisé pour refroidir l'huile du moteur ou l'huile de la boite de vitesses automatique d'un véhicule automobile. Dans ce cas, l'un des fluides est constitué par cette huile, tandis que l'autre fluide est constitué par un fluide de refroidissement. Ce dernier est avantageusement le liquide qui sert habituellement au oil straightener. It can be used to cool engine oil or automatic transmission oil in a motor vehicle. In this case, one of the fluids is constituted by this oil, while the other fluid is constituted by a cooling fluid. The latter is advantageously the liquid which is usually used for
refroidissement du moteur du véhicule automobile. motor vehicle engine cooling.
Lorsque l'échangeur de chaleur est utilisé pour refroidir l'huile du moteur, il est alors fixé soit directement sur le bloc-moteur, soit sur un boîtier de filtration connecté directement au moteur. L'échangeur peut alors être relié au When the heat exchanger is used to cool the engine oil, it is then fixed either directly on the engine block, or on a filtration unit connected directly to the engine. The exchanger can then be connected to the
circuit du fluide de refroidissement par des conduits. coolant circuit through conduits.
Dans le cas du refroidissement de l'huile de la boite de vitesses automatique, l'échangeur de chaleur peut être raccordé directement au carter d'huile de la boite de vitesses. Il a été constaté qu'un tel échangeur de chaleur permet une amélioration de l'échange thermique entre les deux fluides, sans augmentation de la perte de charge du circuit d'huile et du circuit du liquide de refroidissement. Des essais ont montré que, par rapport à un échangeur de chaleur à plaques classique muni de perturbateurs, l'échangeur de chaleur selon l'invention dégage un puissance thermique qui peut être supérieure de 15% et une perte de charge qui peut être In the case of automatic gearbox oil cooling, the heat exchanger can be connected directly to the gearbox oil pan. It has been found that such a heat exchanger allows an improvement in the heat exchange between the two fluids, without increasing the pressure drop in the oil circuit and the coolant circuit. Tests have shown that, compared to a conventional plate heat exchanger fitted with disturbers, the heat exchanger according to the invention releases a thermal power which can be higher by 15% and a pressure drop which can be
réduite de 30 à 40 %.reduced by 30 to 40%.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite précédemment à titre exemple mais s'étend Of course, the invention is not limited to the embodiment described above by way of example but extends
également à d'autres variantes.also to other variants.
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- 2000-06-20 JP JP2000184218A patent/JP2001027490A/en active Pending
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JP2001027490A (en) | 2001-01-30 |
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