FR2802629A1 - Echangeur de chaleur pour gaz d'echappement - Google Patents
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Abstract
Dans un échangeur de chaleur pour gaz d'échappement, une partie centrale (130) comprend plusieurs tubes (120) dans lesquels de l'eau de refroidissement circule, et plusieurs ailettes (111) dont chacune est disposée dans chaque espace (112) entre des tubes adjacents (120). La partie centrale (130) est logée à l'intérieur d'un boîtier pour partie centrale (143) afin de former un passage de gaz d'échappement (110). Une partie de paroi de guidage (113) est disposée dans le boîtier pour partie centrale (143) afin d'empêcher le gaz d'échappement de contourner les espaces (112) entre les tubes adjacents (120). Par conséquent, le gaz d'échappement circule principalement dans les espaces (112) entre les tubes adjacents (120), où les ailettes (111) sont disposées. Il en résulte que l'effet d'échange de chaleur de l'échangeur de chaleur pour gaz d'échappement est amélioré.
Description
ECHANGEUR DE CHALEUR POUR GAZ D'ECHAPPEMENT
ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION
1. Domaine de l'invention: La présente invention se rapporte à un échangeur de chaleur par gaz d'échappement destiné à réaliser un échange de chaleur entre un gaz d'échappement généré par un moteur à combustion interne et un fluide de refroidissement tel que de l'eau de refroidissement. La présente invention est appliquée de façon appropriée à un dispositif de refroidissement EGR destiné à refroidir un gaz d'échappement dans un système à recirculation
des gaz d'échappement (c'est-à-dire un système EGR).
2. Description de la technique apparentée:
Dans un dispositif de refroidissement EGR 10 destiné à refroidir un gaz d'échappement, chaque tube plat 12 dans lequel de l'eau de refroidissement circule est formé en raccordant une paire de plaques de partie centrale 12a, 12b, et des espacements 11, au travers desquels le gaz d'échappement circule, sont définis entre des tubes plats adjacents 12. Afin de faciliter l'échange de chaleur entre l'eau de refroidissement et le gaz d'échappement, chaque ailette lia est prévue dans l'espacement 11 entre les tubes plats adjacents 12. Cependant, du fait que les ailettes lia sont prévues dans les espacements 11, une résistance à l'écoulement du gaz d'échappement dans les espacements 11 devient plus grande. De ce fait, le gaz d'échappement s'écoule facilement jusque dans un espace d'extrémité dans une direction de la largeur W, indiqué par A sur la figure 9, o l'ailette lla n'est pas prévue, tout en contournant les espacements 11. Par conséquent, le gaz d'échappement ne peut pas subir de façon efficace un échange de chaleur avec l'eau de refroidissement circulant dans les tubes plats 12, et l'effet d'échange de chaleur du dispositif de
refroidissement EGR 10 est diminué.
RESUME DE L'INVENTION
Au vu des problèmes qui précèdent, c'est un but de la présente invention de réaliser un échangeur de chaleur qui
améliore l'effet d'échange de chaleur.
Conformément à la présente invention, dans un échangeur de chaleur, une partie centrale destinée à réaliser un échange de chaleur entre un premier fluide et un second fluide comprend une
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pluralité de tubes définissant dans ceux-ci un premier passage au travers duquel un premier fluide circule, et une pluralité d'ailettes dont chacune est disposée dans chaque espace entre des tubes adjacents afin de faciliter un échange de chaleur entre le premier fluide et un second fluide. Un boîtier pour partie centrale reçoit la partie centrale et définit un second passage comprenant les plusieurs espaces entre les tubes, au travers desquels le second fluide circule. Dans l'échangeur de chaleur, un élément de guidage d'écoulement est disposé dans le second passage à l'intérieur du boîtier pour partie centrale afin d'empêcher le second fluide de contourner les plusieurs espaces entre des tubes adjacents. Par conséquent, le second fluide passe principalement au travers des plusieurs espaces entre des tubes adjacents, et l'effet d'échange de chaleur de
l'échangeur de chaleur est amélioré.
De préférence, chaque ailette comporte deux extrémités dans une direction approximativement perpendiculaire à une direction d'écoulement du second fluide dans les espaces entre des tubes adjacents, et l'élément de guidage d'écoulement est constitué de parties de parois qui sont formées en coupant et en pliant une partie des extrémités de chaque ailette. De ce fait, l'élément
de guidage d'écoulement peut être facilement formé.
De préférence, la partie centrale est disposée à l'intérieur du boîtier pour partie centrale afin de former un espacement entre une surface de paroi intérieure du boîtier pour partie centrale et au moins une extrémité de la partie centrale dans une direction approximativement perpendiculaire à une direction d'écoulement du second fluide dans les espaces, et l'élément de guidage de fluide est disposé dans l'espacement de façon à être lié de façon intégrée à la surface de paroi intérieure du boîtier pour partie centrale. En variante, l'élément de guidage de fluide est disposé dans l'espacement pour être lié de façon intégrée à chaque ailette. Par conséquent, l'élément de guidage d'écoulement peut être réalisé facilement, simplement à
l'intérieur du boîtier pour partie centrale par divers procédés.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
Des buts et avantages supplémentaires de la présente
invention seront plus facilement évidents d'après la description
détaillée qui suit de modes de réalisation préférés lorsqu'elle est prise en même temps que les dessins annexés, dans lesquels:
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La figure 1 est une vue simplifiée d'un système EGR conforme à un premier mode de réalisation de la présente invention, La figure 2 est une vue de dessus d'un dispositif de refroidissement EGR utilisé pour le système EGR conforme au premier mode de réalisation, La figure 3 est une vue en coupe transversale prise suivant la ligne III-III de la figure 2, La figure 4 est une vue en coupe transversale prise suivant la ligne IV-IV de la figure 2, La figure 5 est une vue en coupe transversale prise suivant la ligne V-V de la figure 2, La figure 6 est une vue en perspective représentant une structure d'ailette conforme au premier mode de réalisation, La figure 7 est une vue en perspective représentant une structure d'ailette conforme à un second mode de réalisation préféré de la présente invention, La figure 8 est une vue de face représentant une partie de paroi de guidage (élément de guidage d'écoulement) conforme à un troisième mode de réalisation préféré de la présente invention, et La figure 9 est une vue en coupe simplifiée d'une partie centrale destinée à expliquer un problème devant être résolu
dans la présente invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DES MODES DE REALISATION PREFERES
Des modes de réalisation préférés de la présente invention seront décrits ci-après en faisant référence aux dessins annexés. Un premier mode de réalisation préféré de la présente invention sera maintenant décrit en faisant référence aux figures 1 à 6. Dans le premier mode de réalisation, la présente invention est appliquée de façon caractéristique à un dispositif de réfrigération EGR 100 d'un système de recirculation des gaz d'échappement (système EGR) pour un moteur à combustion interne
diesel 200.
Le système EGR comprend un tuyau de recirculation de gaz d'échappement 210 dans lequel une partie du gaz d'échappement refoulé par le moteur 200 revient vers un côté d'admission du moteur 200. Un clapet EGR 220 destiné à ajuster une quantité de recirculation de gaz d'échappement conformément à l'état de fonctionnement du moteur 200 est disposé dans le tuyau de
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recirculation de gaz d'échappement 210. Le dispositif de refroidissement EGR 100 est disposé entre un côté gaz d'échappement du moteur 200 et le clapet EGR 220 de sorte qu'un échange de chaleur est réalisé entre le gaz d'échappement refoulé par le moteur diesel 200 et de l'eau de refroidissement
(c'est-à-dire l'eau de refroidissement du moteur).
Ensuite, la structure du dispositif de refroidissement EGR sera décrite en détail. Comme représenté sur les figures 2 à , le dispositif de refroidissement EGR 100 comprend une partie centrale 130 logée à l'intérieur d'une cuve pour partie centrale semblable à une boîte 140. La partie centrale 130 du dispositif de refroidissement EGR 100 comprend plusieurs tubes d'eau de refroidissement plats 120 dans lesquels l'eau de refroidissement circule. Les ailettes inoxydables 111 destinées à augmenter les surfaces de contact avec le gaz d'échappement sont disposées dans chaque espace 112 entre des tubes d'eau de refroidissement adjacents 120, au milieu d'un passage de gaz d'échappement 110 à l'intérieur d'un boîtier pour partie centrale 143, de sorte qu'un échange de chaleur entre le gaz d'échappement et l'eau de refroidissement est facilité. Les ailettes 111 sont des ailettes décalées dans lesquelles des segments semblables à des plaques sont approximativement parallèles à la direction de stratification des tubes 120 et les ailettes 111 sont disposées dans une direction longitudinale des espaces 112 pour être décalées. Les ailettes décalées sont définies dans le manuel de conception d'échangeur de chaleur (publié au Japon par la
engineering science book, Inc.), par exemple.
Chacun des tubes 120 est formé en raccordant une paire de fines plaques de stratification 131, 132 présentant des formes embouties prédéterminées. Après que plusieurs des plaques de stratification 131, 132 et les ailettes 111 sont stratifiées dans une direction de stratification (c'est- à-dire, la direction de haut en bas sur la figure 5), les plaques de stratification 131, 132 sont brasées avec les ailettes 111 en utilisant un matériau de brasage prédéterminé, de sorte que la partie
centrale 130 est construite.
La cuve pour partie centrale 140 comporte dans celle-ci une
ouverture 142 destinée à recevoir la partie centrale 130 (c'est-
à-dire, les plaques de stratification 131, 132). L'ouverture 142 de la cuve pour partie centrale 140 est fermée par un couvercle
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pour partie centrale 141 (plaque pour partie centrale), après que la partie centrale 130 est reçue dans l'ouverture 142 de la cuve pour partie centrale 140. Le couvercle pour partie centrale 141 vient en contact d'une surface de paroi intérieure de la cuve pour partie centrale 140 pour être en prise étanche à l'air avec la cuve pour partie centrale 140. Ensuite, un récepteur composé de la cuve pour partie centrale 140 et du couvercle pour partie centrale 141 est appelé "boîtier pour partie centrale 143". Par conséquent, à l'intérieur du boîtier pour partie centrale 143, le passage de gaz d'échappement 110 comprenant les espaces 112 entre les tubes adjacents 120 est défini. Dans le premier mode de réalisation, comme représenté sur la figure 5, chaque partie d'extrémité 121 des tubes 120 dans une direction de la largeur des tubes (c'est-à- dire, la direction de droite à gauche sur la figure 5) perpendiculaire à la direction longitudinale des tubes (c'est-à-dire, la direction de l'avant vers l'arrière du papier sur la figure 5) est séparée de la surface de paroi intérieure du boîtier pour partie centrale 143 par un espacement prédéterminé 144. Ici, chaque partie pliée de recouvrement 121a des plaques de stratification 131, 132 ne comprend pas la partie d'extrémité 121 dans la direction de la largeur des tubes. Dans le premier mode de réalisation, les parties d'extrémité 121 correspondent approximativement aux extrémités de paroi intérieure des tubes 120 dans la direction
de la largeur.
Dans le premier mode de réalisation, des parties de parois de guidage (éléments de guidage d'écoulement) 113, destinées à guider le gaz d'échappement circulant dans le boîtier pour partie centrale 143 (passages de gaz d'échappement 110) jusque dans les espaces 112 entre les tubes plats 110, sont prévues dans l'espacement de partie centrale 144. De ce fait, ceci peut empêcher le gaz d'échappement circulant dans le boîtier pour partie centrale 143 de circuler jusque dans l'espace de partie centrale 144 présentant une faible résistance à l'écoulement tout en contournant les espaces 112 présentant une grande
résistance à l'écoulement.
Comme représenté sur la figure 6, les parties de parois de guidage 113 sont disposées aux extrémités de chaque ailette 111 dans la direction de la largeur. Une partie de la partie
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d'extension lla de l'ailette 111, s'étendant depuis un emplacement correspondant à la partie d'extrémité 121 du tube en direction de la surface de paroi intérieure du boîtier pour partie centrale 143 dans la direction de la largeur, est coupée et pliée pour former les parties de parois de guidage 113, de sorte que le gaz d'échappement circulant dans l'espacement de partie centrale 144 est interrompu par les
surfaces de parois des parties de parois de guidage 113. C'est-
à-dire que le gaz d'échappement circulant dans l'espacement de partie centrale 144 frappe les surfaces de parois des parties de parois de guidage 113. En outre, dans la partie d'extension lla, des trous de communication 111b sont prévus de telle sorte que les espacements de partie centrale 144 communiquent les uns avec les autres dans la direction de stratification des plaques de stratification 131, 132 par l'intermédiaire des trous de communication 111b. Par conséquent, l'eau condensée générée dans le gaz d'échappement s'écoule vers le bas par l'intermédiaire des trous de communication 111b. Dans le premier mode de réalisation, un agent antiseptique est appliqué sur la surface de paroi intérieure du boîtier pour partie centrale 143, par
exemple.
Dans le premier mode de réalisation, les plaques de stratification 131, 132, la cuve pour partie centrale 140 et le couvercle pour partie centrale 141 sont faits d'un matériau inoxydable présentant des performances anticorrosion suffisantes. Les plaques de stratification 131, 132, la cuve pour partie centrale 140 et le couvercle pour partie centrale 141 sont liés de façon intégrée par l'intermédiaire du brasage en utilisant un matériau de brasage tel que du cuivre ou un
alliage de nickel.
Un tube d'arrivée d'eau 151 destiné à introduire l'eau de refroidissement dans les tubes 120 de la partie centrale 130 et un tube de sortie d'eau 152 destiné à refouler l'eau de refroidissement ayant subi un échange de chaleur avec le gaz d'échappement sont prévus. Par conséquent, l'eau de refroidissement est introduite dans les tubes plats 120 par l'intermédiaire du tube d'arrivée d'eau 151, et l'eau de refroidissement ayant subi un échange de chaleur avec le gaz d'échappement est refoulée depuis les tubes plats 120 par l'intermédiaire du tube de sortie d'eau 152. En outre, un
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raccord d'introduction de gaz d'échappement 153 destiné à introduire le gaz d'échappement dans le passage d'échappement de la cuve pour partie centrale 140 et un raccord de refoulement des gaz d'échappement 154 destiné à refouler le gaz d'échappement ayant subi un échange de chaleur avec l'eau de refroidissement sont formés afin d'être raccordés au tuyau de
recirculation de gaz d'échappement 210 (tuyau extérieur).
Ensuite, un procédé de fabrication d'un dispositif de refroidissement EGR 100 sera décrit. Comme représenté sur les figures 3 à 5, sur le couvercle pour partie centrale 141, les plaques de stratification 131, 132 et les ailettes 111 sont stratifiées en direction d'un côté supérieur dans l'ordre, de sorte que la partie centrale 130 est assemblée temporairement sur le couvercle pour partie centrale 141. Ensuite, la cuve pour partie centrale 140 est recouverte depuis un côté supérieur de la partie centrale 130 assemblée temporairement afin de recouvrir la partie centrale 130, et la cuve pour partie centrale 140 est pressée sur le couvercle pour partie centrale 141 en utilisant un gabarit depuis un côté supérieur de la cuve pour partie centrale 140, de telle sorte que le couvercle pour partie centrale 141, la partie centrale 130 et la cuve pour partie centrale 140 sont fixés temporairement. Ensuite, les plaques de stratification 131, 132, les ailettes 111, la cuve pour partie centrale 140 et le couvercle pour partie centrale 141 sont chauffés dans un four afin d'être brasés de façon intégrée. Conformément au premier mode de réalisation de la présente invention, les parties de parois de guidage 113 sont disposées dans les ailettes 111 afin d'empêcher le gaz d'échappement circulant dans le passage de gaz d'échappement 110 du boîtier pour partie centrale 143 de contourner les espaces 112 entre les tubes plats adjacents 120, o la résistance à l'écoulement est importante. De ce fait, ceci peut empêcher le gaz d'échappement circulant dans le boîtier pour partie centrale 143 de circuler fortement dans les espaces de partie centrale 144 o les
ailettes 111 ne sont pas prévues.
Par conséquent, le gaz d'échappement circule principalement dans les espaces 112 entre les tubes plats adjacents 110 au milieu du passage de gaz d'échappement 110, et l'effet d'échange de chaleur (capacité de refroidissement) du dispositif de
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refroidissement EGR 100 peut être amélioré. Il en résulte que le gaz d'échappement peut être suffisamment refroidi par le
dispositif de refroidissement EGR 100.
Un second mode de réalisation préféré de la présente invention sera maintenant décrit en faisant référence à la figure 7. Dans le premier mode de réalisation décrit ci-dessus, une partie de la partie d'extension 11la de l'ailette 111 s'étendant dans la direction de la largeur est pliée afin de former les parties de parois de guidage 113. Cependant, dans le second mode de réalisation, comme représenté sur la figure 7, une partie des segments lllc de l'ailette 111 est pliée afin de former les parties de parois de guidage 113. Dans le second mode de réalisation, les parties de parois de guidage 113 ont le même
effet que celles du premier mode de réalisation.
Un troisième mode de réalisation préféré de la présente invention sera maintenant décrit en faisant référence à la
figure 8.
Dans les premier et second modes de réalisation décrits ci-
dessus, les parties de parois de guidage 113 sont formées de façon intégrée avec l'ailette 111. Cependant, dans le troisième mode de réalisation, les parties de parois de guidage 113 sont formées de façon séparée, indépendamment de l'ailette 111, et sont liées à la surface de parois intérieure du boîtier pour partie centrale 143. En variante, les parties de parois de guidage formées séparément 113 peuvent être liées de façon intégrée à la partie d'extrémité de l'ailette 111 dans la direction de la largeur approximativement perpendiculairement à une direction d'écoulement du gaz d'échappement. Dans le troisième mode de réalisation, les parties de parois de guidage
113 ont le même effet que celles du premier mode de réalisation.
Bien que la présente invention ait été totalement décrite en liaison avec les modes de réalisation préférés de celle-ci, en faisant référence aux dessins annexés, on doit noter que divers changements et diverses modifications deviendront évidents pour
l'homme de l'art.
Par exemple, dans les modes de réalisation décrits ci-
dessus, la présente invention est appliquée à un dispositif de refroidissement EGR 100 avec les ailettes décalées. Cependant, la présente invention peut être appliquée à un échangeur de
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chaleur comportant des ailettes semblables à des aiguilles ou
des ailettes formées autrement.
Dans le premier mode de réalisation décrit ci-dessus, les tubes 120 sont formés en stratifiant les plusieurs plaques de stratification 131, 132. Cependant, la présente invention peut être appliquée à un échangeur de chaleur o chaque tube est formé de façon intégrée par extrusion ou étirage. En outre, chaque tube 120 peut être formé suivant une forme ronde ou une
autre forme en section transversale.
Dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, les parties de parois de guidage 113 peuvent être disposées approximativement verticalement par rapport à une direction d'écoulement du gaz d'échappement dans les espaces 112, ou bien peuvent être inclinées d'un angle prédéterminé par rapport à la direction d'écoulement du gaz d'échappement dans les espaces 112. C'est-à-dire que les parties de parois de guidage 113 sont prévues pour guider l'écoulement du gaz d'échappement depuis l'espacement de partie centrale 144 jusque dans les espaces 112 dans lesquels les ailettes 111 sont formées entre des tubes
adjacents 120, au milieu du passage de gaz d'échappement 110.
De plus, la présente invention décrite dans les modes de réalisation peut être appliquée à un échangeur de chaleur, disposé à l'intérieur d'un silencieux, destiné à récupérer de l'énergie thermique provenant du gaz d'échappement, et peut être appliquée à un échangeur de chaleur destiné à une autre utilisation. De tels changements et de telles modifications doivent être compris comme étant à l'intérieur de la portée de la présente
invention telle qu'elle définie par les revendications annexées.
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Claims (8)
1. Echangeur de chaleur comprenant: une partie centrale (130) destinée à réaliser un échange de chaleur entre un premier fluide et un second fluide, la partie centrale (130) comprenant une pluralité de tubes (120) définissant dans ceux-ci un premier passage au travers duquel le premier fluide circule, les tubes étant disposés afin de définir plusieurs espaces (112) entre des tubes adjacents (120), et une pluralité d'ailettes (111) dont chacune est disposée dans chaque espace (112) entre des tubes adjacents (120) afin de faciliter un échange de chaleur entre le premier fluide et le second fluide, un boîtier pour partie centrale (143) qui reçoit la partie centrale (130) et définit un second passage (110) comprenant les plusieurs espaces (112), au travers desquels le second fluide circule, et un élément de guidage d'écoulement (113) qui est disposé dans le second passage (110) à l'intérieur du boîtier pour partie centrale (143) afin d'empêcher le second fluide de contourner les plusieurs espaces (112) entre des tubes adjacents
(120).
2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, dans lequel: les tubes (120) sont formés en stratifiant des éléments de plaques (131, 132) présentant des formes prédéterminées dans la direction de stratification, les deux extrémités (121) de chaque tube (120) dans une direction de la largeur perpendiculaire à une direction longitudinale des tubes (120) sont séparées d'une surface de paroi intérieure du boîtier pour partie centrale (143) afin de présenter des espacements prédéterminés (144) avec la surface de paroi intérieure du boîtier pour partie centrale (143), les espacements prédéterminés (144) sont prévus pour communiquer les uns avec les autres le long d'une région entière des éléments de plaques (131, 132) dans la direction de stratification, et l 2802629 l'élément de guidage d'écoulement (113) est disposé dans les espacements prédéterminés (144) à l'intérieur du boîtier pour
partie centrale (143).
3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, dans lequel: les tubes (120) et les ailettes (111) sont stratifiés dans une direction de stratification, les parties centrales (130) sont disposées de telle sorte que le second fluide passe au travers des espaces (112) entre des tubes adjacents (120) le long d'une direction longitudinale des tubes (120), les deux extrémités (121) de chaque tube (120) dans une direction de la largeur perpendiculaire à la fois à la direction de stratification et à la direction longitudinale sont disposées à l'intérieur du boîtier pour partie centrale (143) afin de former les espacements (144) avec la surface intérieure du boîtier pour partie centrale (143), les espacements (144) communiquant les uns avec les autres dans la direction de stratification, et l'élément de guidage d'écoulement (113) est disposé dans les
espacements (144).
4. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des
revendications 1 à 3, dans lequel:
chaque ailette (111) a les deux extrémités dans une direction approximativement perpendiculaire à une direction d'écoulement du second fluide dans les espaces (112) entre des tubes adjacents (120), et l'élément de guidage d'écoulement (113) est constitué de parties de parois (113) qui sont formées en coupant et en pliant
une partie des extrémités de chaque ailette (111).
5. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, dans lequel: la partie centrale (130) est disposée à l'intérieur du boîtier pour partie centrale (143) afin de former un espacement (144) entre une surface de paroi intérieure du boîtier pour partie centrale (143) et au moins une extrémité de la partie centrale (130) dans une direction approximativement
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perpendiculaire à une direction d'écoulement du second fluide dans les espaces (112), et l'élément de guidage de fluide (113) est disposé dans l'espacement (144) afin d'être lié de façon intégrée à la surface de paroi intérieure du boîtier pour partie centrale
(143).
6. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, dans lequel: la partie centrale (130) est disposée à l'intérieur du boîtier pour partie centrale (143) afin de former un espacement (144) entre une surface de paroi intérieure du boîtier pour partie centrale (143) et au moins une extrémité de la partie centrale (130) dans une direction approximativement perpendiculaire à une direction d'écoulement du second fluide dans les espaces (112), et l'élément de guidage de fluide (113) est disposé dans l'espacement (144) pour être lié de façon intégrée à chaque
ailette (111).
7. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, dans lequel: les tubes (120) et les ailettes (111) sont stratifiés dans une direction de stratification, chaque ailette (111) est une ailette décalée (111) comportant plusieurs segments semblables à des plaques (111c) qui sont approximativement parallèles à la direction de stratification, et l'élément de guidage de fluide (113) est disposé dans une
partie des segments (111c).
8. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des
revendications 1 à 7, dans lequel:
le second fluide circulant dans le second passage de fluide (110) à l'intérieur du boîtier pour partie centrale (143) est un gaz d'échappement circulant depuis un moteur à combustion interne (200), et le premier fluide circulant dans les tubes (120) est un fluide de refroidissement destiné à refroidir le gaz
d'échappement.
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