FR2973491A1 - Plaque pour echangeur de chaleur et echangeur de chaleur muni de telles plaques - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une plaque pour un échangeur de chaleur, ladite plaque (4, 12, 14) définissant un canal (8) de circulation permettant de guider un liquide de refroidissement en un nombre n de passes et dans lequel le liquide circule entre une entrée (40) et une sortie (42) dudit canal, lesdites passes étant disposées parallèlement les unes aux autres selon une direction d'extension, ladite plaque (4, 12, 14) présentant une largeur I dans la direction D orthogonale à la direction d'extension des passes, la largeur I, en millimètres, des plaques et le nombre n de passes suivant permettant d'optimiser l'échange de chaleur, ladite entrée (40) et ladite sortie (42) du canal de circulation étant situées dans le prolongement l'une de l'autre selon la direction D. L'invention concerne également un échangeur muni de telles plaques.

Description

Plaque pour échangeur de chaleur et échangeur de chaleur muni de telles plaques L'invention se rapporte aux plaques pour échangeurs de chaleur et aux échangeurs de chaleur à plaques, notamment pour véhicules automobiles.

Dans ce domaine, il est connu des échangeurs, dits refroidisseurs d'air de suralimentation, permettant un échange de chaleur entre de l'air de suralimentation, destiné à alimenter le moteur du véhicule, et un liquide de refroidissement. Ils comprennent un faisceau d'échange de chaleur constitué d'un empilement de plaques déterminant entre elles des canaux de circulation alternés pour l'air de suralimentation et pour le liquide de refroidissement.

L'on sait que pour optimiser l'échange entre un flux chaud à refroidir et un flux froid servant à refroidir le flux chaud, il convient de faire circuler les flux dans une même direction et dans des sens opposés. On parle alors d'échange en flux opposés.

Cependant, en fonction de la nature des flux et de la direction qui leur est imposée en entrée et en sortie de l'échangeur, un tel mode d'échange n'est pas toujours possible et il est parfois nécessaire de faire circuler les flux dans deux directions orthogonales. On parle alors d'échange en flux croisé.

Il est connu des refroidisseurs d'air de suralimentation à plaques empilées tels qu'évoqués plus haut présentant une telle configuration d'échange et dans lesquels on guide le liquide de refroidissement en plusieurs passes à l'intérieur desquelles il circule selon une direction orthogonale au flux d'air de suralimentation. Entre chaque passe, le liquide de refroidissement change de sens de circulation. On obtient de la sorte, en augmentant le nombre de passes, un effet d'échange en flux opposé favorisant l'efficacité thermique de l'échangeur.

La multiplication du nombre de passes augmente la perte de charge, en raison du nombre de changement de direction imposé au liquide de refroidissement. De plus, à dimensions données, la multiplication du nombre de passes augmente également la perte de charge en raison de la taille de plus en réduite des canaux.

Certes, l'augmentation de la perte de charges devrait contribuer de façon positive à l'efficacité thermique de l'échangeur car l'on sait que plus la perte de charge est importante, moins le mode d'écoulement du flux est laminaire, ce qui est favorable à l'échange thermique.

Cependant, les pompes mises en oeuvre pour la circulation du liquide de 5 refroidissement possèdent des caractéristiques limitées, ceci afin d'éviter de trop pénaliser la consommation d'énergie prélevée sur le moteur du véhicule.

Par ailleurs, pour passer d'un canal de circulation de liquide de refroidissement à un autre, il est nécessaire de prévoir des collecteurs d'entrée et de sortie qui vont 10 soit faire obstacle à la progression du flux d'air de suralimentation, soit augmenter le volume total de l'échangeur. A encombrement donné, la surface d'échange disponible est ainsi limitée. Et le nombre de passes choisies pour l'échangeur a une influence sur le degré dans lequel cette limitation de surface intervient.

15 Il a ainsi été découvert dans le cadre de l'invention qu'une relation favorable existait entre la dimension des plaques et le nombre de passes pour optimiser l'échange de chaleur.

L'invention porte ainsi sur une plaque pour un échangeur de chaleur, ladite plaque 20 définissant un canal de circulation permettant de guider un liquide de refroidissement en un nombre n de passes. Dans le canal, le liquide circule entre une entrée et une sortie dudit canal. Lesdites passes sont disposées parallèlement les unes aux autres selon une direction d'extension, ladite plaque présentant une largeur I dans la direction D orthogonale à la direction d'extension 25 des passes.

Selon l'invention, la largeur I, en millimètres, des plaques et le nombre n de passes suit la loi suivante : - n=2 pour I supérieure à 60 et inférieure ou égal à 100, 30 - n=4 pour I supérieure à 100 et inférieure ou égal à 150, - n=6 pour I supérieure à 150 et inférieure ou égal à 240, ladite entrée et ladite sortie du canal de circulation étant situées dans le prolongement l'une de l'autre selon la direction D.

35 On obtient ainsi un optimum d'échange thermique, à encombrement donné. Le choix d'un nombre pair de passes permet de disposer d'une circulation de fluide compatible avec un positionnement des entrée et sortie du liquide de refroidissement permettant de disposer d'une surface d'échange la plus grande possible. En outre, le choix du nombre de paires de passes permet d'optimiser l'échange thermique.

Il est à noter que, selon les constations effectuées, ces optimums sont valables quelle que soit la valeur du débit de fluide de refroidissement et quelle que soit la configuration d'éventuels éléments, tels que corrugations et/ou perturbateurs, dont serait muni le canal de circulation du liquide de refroidissement.

Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris 10 ensemble ou séparément : - les passes permettent une circulation du liquide de refroidissement d'une passe à l'autre en série, - n=2 pour I supérieure à 80 et inférieure ou égal à 100, - chaque passe présente une dimension Ip dans la direction D comprise entre 40 15 et 50 millimètres, le nombre de passes étant égal à deux, - n=4 pour I supérieure à 100 et inférieure ou égal à 140, - chaque passe présente une dimension Ip dans la direction D comprise entre 25 et 35 millimètres, le nombre de passes étant égal à 4, - n=6 pour I supérieure ou égal à 155 et inférieure ou égal à 225, 20 - chaque passe présente une dimension Ip dans la direction D comprise entre 26 et 37,5 millimètres, le nombre de passes étant égal à 6, - chaque passe présente la même dimension Ip dans la direction D, - la plaque présente une dimension L selon la direction d'extension des passes inférieure ou égale à 360 millimètres. 25 Les plaques présentent, par exemple, la forme générale d'un rectangle allongé ayant deux petits côtés, chaque plaque comportant deux bossages, un premier desdits bossages présentant ladite entrée du canal de circulation de fluide et l'autre desdits bossages présentant ladite sortie du canal de circulation de fluide, 30 lesdits bossages étant situés le long d'un même petit côté de la plaque, les bossages d'une plaque étant destiné à venir en appui sur les bossages d'une plaque adjacente pour former respectivement un collecteur d'entrée et un collecteur de sortie pour le fluide de refroidissement.

35 L'invention concerne aussi un échangeur de chaleur, pour l'échange de chaleur entre un fluide à refroidir et un liquide de refroidissement, comprenant un faisceau d'échange de chaleur constitué d'un empilement de plaques, telles que décrites plus haut, déterminant entre elles des canaux de circulation alternés pour le fluide à refroidir et pour le liquide de refroidissement.

Selon un mode de réalisation de l'invention, l'échangeur comprend des surfaces d'échange secondaires, disposées dans les canaux de circulation du fluide à refroidir, lesdites surfaces d'échange secondaires se trouvant entre, d'une part, lesdits bossages constituant le collecteur d'entrée et le collecteur de sortie du liquide de refroidissement, et, d'autre part, le bord des plaques opposé à ceux où sont situés lesdits bossages.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées. Sur ces figures : - la figure 1 est une vue en perspective illustrant de façon éclatée un échangeur de chaleur conforme à l'invention comprenant des plaques à quatre passes;

- la figure 2 est une vue schématique de dessus d'une plaque comprenant deux passes, destinée à repérer les dimensions en cause selon l'invention ; - la figure 3 est un graphe illustrant l'influence du nombre de passes sur l'efficacité thermique de l'échange, pour différentes largeur de plaque ;

- la figure 4 est un graphe illustrant l'influence du nombre de passes sur l'efficacité 25 thermique de l'échange, pour différentes valeur de perte de charge.

Comme illustré à la figure 1, l'invention concerne un échangeur de chaleur permettant un échange de chaleur entre un fluide à refroidir, notamment un gaz G, et un liquide de refroidissement C. Il pourra s'agir d'un refroidisseur d'air de 30 suralimentation dans lequel un flux d'air comprimé, destiné à alimenter un moteur thermique, par exemple un moteur de véhicule automobile, est refroidi par un liquide de refroidissement, notamment un mélange d'eau et de glycol.

Ledit échangeur comprend un faisceau d'échange de chaleur constitué d'un 35 empilement 2 de plaques 4 déterminant entre elles des canaux de circulation 6, 8 alternés pour le fluide à refroidir et pour le liquide de refroidissement. Le faisceau est ici de forme globalement parallélépipédique et présente une face d'entrée 10 et une face de sortie opposée, non visible, du fluide à refroidir. Il est terminé de20 part et d'autre de l'empilement d'une plaque, dite supérieure, 12 et d'une plaque, dite inférieure, 14.

Ledit échangeur pourra également comprendre un boîtier 10 dans lequel le faisceau 2 est situé. Il guide le fluide à refroidir entre les plaques de la face d'entrée 10 à la face de sortie du faisceau 2. Il est ici constitué de deux parois latérales 18, venant chacune contre des bords 16, 16' latéraux des plaques 4, 12, 14, d'une paroi supérieure 20, venant au contact de la plaque supérieure 12 et d'une paroi inférieure 22, venant au contact de la plaque inférieure 14. Les parois 18, 20, 22 du boîtier sont assemblées les une autres pour définir un carter dans lequel le faisceau 2 est situé. La paroi supérieure 20 pourra être munie d'orifices 24, 26 permettant le passage, en entrée et en sortie, du liquide de refroidissement dans le faisceau.

L'échangeur pourra encore comprendre de tubulures 28, 30 d'entrée et/ou de sortie du liquide de refroidissement communiquant avec lesdits orifices 24, 26 prévu dans le boîtier.

Les différents composants de l'échangeur sont, par exemple, en aluminium ou 20 alliage d'aluminium. Ils sont, notamment, brasés entre eux.

Chaque plaque 4, 12, 14 comporte, par exemple, une paroi de fond 31, sensiblement plane, entourée par un rebord périphérique 32 terminé par un méplat 34, permettant le brasage des plaques entre elles. Le canal de circulation 25 8 de liquide de refroidissement est défini, d'une part, par ledit rebord périphérique 32 et, d'autre part, par une ou des cloisons 60, 60', par exemple issues de matière du fond 31 de la plaque.

Les plaques 4, 12, 14 sont groupées par paires et assemblées par leurs méplats 30 34 et/ou les cloisons 60, 60'. De la sorte, le canal de circulation de la plaque supérieure et de la plaque inférieure d'une paire de plaques s'ajoute pour constituer un conduit de circulation du liquide de refroidissement. Les canaux 6 pour la circulation du fluide à refroidir sont prévus entre deux plaques 4 en vis-à-vis de deux paires de plaques 4 adjacentes. 35 Dans l'exemple illustré, les plaques supérieure 12 et inférieure 14 sont assemblées avec les parois supérieure 18 et inférieure 20 du boîtier pour définir un conduit de circulation de liquide de refroidissement.

Les plaques 4 ont, par exemple, la forme générale d'un rectangle allongé ayant deux petits côtés, chaque plaque comportant deux bossages 38, un premier desdits bossages présentant une entrée 40 du canal 8 de circulation de liquide de refroidissement et l'autre desdits bossages présentant une sortie 42 du canal de circulation du liquide de refroidissement.

Lesdits bossages 38 sont situés le long d'un même petit côté de la plaque 4. Ils sont ici percés d'un orifice 50 de passage du liquide de refroidissement et sont destinés à venir en contact sur les bossages 38 d'une plaque 4 adjacente pour former respectivement un collecteur d'entrée, non visible, et un collecteur de sortie 44 pour le fluide de refroidissement. Le collecteur d'entrée débouche, par exemple, dans la tubulure d'entrée 28 par l'orifice d'entrée 24 du boîtier et/ou le collecteur de sortie 44 débouche, par exemple, dans la tubulure de sortie 30 par l'orifice de sortie 26 du boîtier.

Autrement dit, le fluide de refroidissement pénètre dans le faisceau par la tubulure d'entrée 28 puis est réparti entre les plaques 4 dans les canaux 8 de circulation de liquide de refroidissement par le collecteur d'entrée. Il s'écoule dans lesdits canaux 8 de circulation de liquide de refroidissement depuis leur entrées 40 jusqu'au à leur sortie 42 où il pénètre dans le collecteur de sortie 44. Il sort alors de l'échangeur par la tubulure de sortie 30.

Les bossages 38 de deux paires de plaques 4 déterminent entre eux la hauteur 25 des canaux 6 de circulation pour le fluide à refroidir.

Une boîte collectrice d'entrée et une boîte collectrice de sortie (non représentées) pourront être adaptées à la périphérie du boîtier pour l'amenée et l'évacuation du fluide à refroidir. 30 L'échangeur pourra aussi comprendre des surfaces d'échange secondaires, disposées dans les canaux 6 de circulation du fluide à refroidir. Lesdites surfaces d'échange secondaire s'étendent entre lesdits bossages 38 constituant le collecteur d'entrée et le collecteur de sortie 44 du liquide de refroidissement et les 35 bords 16' des plaques opposés à ceux 16 où sont situés lesdits bossages 38. Lesdites surfaces d'échange secondaires sont ici constituées de corrugations 52, par exemple issues de matière du fond des plaques 4, 12, 14, notamment par emboutissage desdites plaques. Il pourra encore s'agir de perturbateurs ondulés rapportés entre les plaques dans les canaux de circulation du fluide à refroidir.

Le canal de circulation 6 défini par les plaques 4, 12, 14 permet de guider un liquide de refroidissement en un nombre n de passes, ici quatre, dans lequel le liquide circule entre l'entrée 40 et la sortie 42 dudit canal. Deux passes adjacentes sont séparées, par exemple, par lesdites cloisons 60, 60' des plaques.

Les passes sont disposées parallèlement les unes aux autres selon une direction 10 d'extension, ici le grand côté des plaques. Elles pourront être prévues en série les unes à la suite des autres.

Les cloisons 60, 60' sont ainsi orientées selon le grand côté des plaques 4 pour définir une circulation en serpentin du liquide de refroidissement dans chacun des 15 canaux 6 de circulation du liquide de refroidissement. Certaines 60 des cloisons s'étendent depuis le bord 16 muni des bossages 38 vers le bord opposé 16' tout en laissant un passage pour que fluide puisse s'écouler de la passe se trouvant d'un côté de la cloison 60 à l'autre passe. Elles alternent avec des cloisons 60' s'étendant depuis le bord 16' opposé à celui 16 muni des bossages 38 vers ledit 20 bord 16 muni des bossages 38 tout en laissant un passage pour que fluide puisse s'écouler de la passe se trouvant d'un côté de la cloison 60' à l'autre.

Dans l'exemple illustré où la plaque est munie de quatre passes, on observe deux cloisons 60 s'étendant depuis le bord 16 muni des bossages 38, alternant avec 25 une cloison 60' s'étendant depuis le bord 16' opposé.

La circulation du fluide à refroidir dans les canaux 6 de circulation du fluide à refroidir s'effectue ainsi, dans chaque passe, dans une direction globalement perpendiculaire à celle de l'écoulement du liquide de refroidissement, le liquide de 30 refroidissement changeant de sens d'une passe à l'autre.

Comme illustré à la figure 2, les plaques présentent une largeur I dans la direction D orthogonale à la direction d'extension des passes. Dans l'échangeur, la direction D correspond ainsi à la direction d'écoulement du fluide à refroidir. Selon l'invention, la largeur I, en millimètres, des plaques 4, 12, 14 et le nombre n de passes suit la loi suivante : - n=2 pour 1 supérieure à 60 et inférieure ou égal à 100, 35 - n=4 pour I supérieure à 100 et inférieure ou égale à 150, - n=6 pour I supérieure à 150 et inférieure ou égal à 240.

On observe ainsi une optimisation de l'échange thermique. En effet, comme illustré par la figure 3 où le nombre de passes est indiqué en abscisse et l'efficacité thermique est illustrée en ordonnée, on constate que chacune des courbes a, b, c illustrant l'efficacité thermique en fonction du nombre de passes pour des plaques présentant une dimension I valant respectivement 90, 120 et 180 mm, présente un optimum.

De plus, comme illustré à la figure 4, où le nombre de passes est indiqué en abscisse et l'efficacité thermique est illustrée en ordonnée, on observe (dans le cas d'un exemple de plaque présentant une dimension de 120 mm) que l'optimum ne dépend pas de la perte de charge subie. En effet, les courbes p1 à p8, illustrant l'efficacité thermique en fonction du nombre de passes pour différentes valeurs de pertes de charges variant de 50 mbar à 400 mbar, montre que l'optimum reste au même endroit (à savoir à n=4). Autrement dit, on constate que l'optimum ne dépend ni du débit du fluide ni des pertes de charges générées par les éventuelles surfaces d'échange secondaires.

De plus, ladite entrée 40 et ladite sortie 42 du canal de circulation étant situées dans le prolongement l'une de l'autre selon la direction D, on évite que les bossages 38 forment chacun un obstacle à l'écoulement du fluide à refroidir, comme cela serait le cas si le nombre de passe était impair. Pour un nombre de passe égal à deux, on pourra prévoir que la largeur I est supérieure à 80 et inférieure ou égal à 100 mm. Chaque passe présente une dimension Ip dans la direction D comprise entre 40 et 50 millimètres, notamment égale à 45mm. 30 Pour un nombre de passes égal à quatre, on pourra prévoir que la largeur I est supérieure à 100 et inférieure ou égal à 140 mm. Chaque passe présente une dimension Ip dans la direction D comprise entre 25 et 35 millimètres, notamment égale à 30 mm. Pour un nombre de passe égal à six, on pourra prévoir que la largeur I est supérieure à 155 et inférieure ou égal à 225 mm. Chaque passe présente une 35 Zo dimension Ip dans la direction D comprise entre 26 et 37,5 millimètres, notamment égale à 30mm.

Par ailleurs, chaque passe pourra présenter la même dimension Ip dans la 5 direction D.

Les plaques présentent, par exemple, une dimension L selon la direction d'extension des passes inférieure ou égale à 360 millimètres et de préférence des plaques présentant une dimension L comprise entre 180 et 360 millimètres. Dans les dimensions données plus haut, la largeur des méplats 34 de brasage et/ou des cloisons 60, 60' sont intégrés, en particulier dans la dimension Ip des passes. Elle est de l'ordre de 1 à 3 mm, notamment entre 2 et 2,5 mm.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS1. Plaque pour un échangeur de chaleur, ladite plaque (4, 12, 14) définissant un canal (8) de circulation permettant de guider un liquide de refroidissement en un nombre n de passes et dans lequel le liquide circule entre une entrée (40) et une sortie (42) dudit canal, lesdites passes étant disposées parallèlement les unes aux autres selon une direction d'extension, ladite plaque (4, 12, 14) présentant une largeur I dans la direction D orthogonale à la direction d'extension des passes, la largeur I, en millimètres, des plaques et le nombre n de passes suivant la loi suivante : - n=2 pour I supérieure à 60 et inférieure ou égal à 100, - n=4 pour I supérieure à 100 et inférieure ou égale à 150, - n=6 pour I supérieure à 150 et inférieure ou égal à 240, ladite entrée (40) et ladite sortie (42) du canal de circulation étant situées dans le 15 prolongement l'une de l'autre selon la direction D.
2. 2. Plaque selon la revendication 1 dans laquelle n=2 pour I supérieure à 80 et inférieure ou égal à 100. 20
3. 3. Plaque selon la revendication 1 dans laquelle chaque passe présente une dimension Ip dans la direction D comprise entre 40 et 50 millimètres, notamment égale à 45mm, le nombre de passes étant égal à deux.
4. 4. Plaque selon la revendication 1 dans laquelle n=4 pour I supérieure à 100 et 25 inférieure ou égal à 140.
5. 5. Plaque selon la revendication 1 dans laquelle chaque passe présente une dimension Ip dans la direction D comprise entre 25 et 35 millimètres, notamment égale à 30 mm, le nombre de passes étant égal à 4.
6. 6. Plaque selon la revendication 1 dans laquelle n=6 pour I supérieure à 155 et inférieure ou égal à 225.
7. 7. Plaque selon la revendication 1 dans laquelle chaque passe présente une 35 dimension Ip dans la direction D comprise entre 26 et 37,5 millimètres, notamment égale à 30mm, le nombre de passes étant égal à 6. 10 30
8. 8. Plaque selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle chaque passe présente la même dimension Ip dans la direction D.
9. 9. Plaque selon l'une quelconque des revendications précédentes, ladite plaque 5 (4, 12, 14) présentant une dimension L selon la direction d'extension des passes inférieure ou égale à 360 millimètres.
10. 10. Plaque selon l'une quelconque des revendication précédentes, ladite plaque (4, 12, 14) présentant une forme générale d'un rectangle allongé ayant deux petits 10 côtés (16, 16'), chaque plaque comportant deux bossages (38), un premier desdits bossages présentant ladite entrée (40) du canal de circulation de fluide et l'autre desdits bossages présentant ladite sortie (42) du canal de circulation de fluide, lesdits bossages (38) étant situés le long d'un même (16) petit côté de la plaque, les bossages (38) d'une plaque (4, 12, 14) étant destiné à venir en appui 15 sur les bossages (38) d'une plaque (4, 12, 14) adjacente pour former respectivement un collecteur d'entrée et un collecteur de sortie (44) pour le fluide de refroidissement.
11. 11. Echangeur de chaleur pour l'échange de chaleur entre un fluide à refroidir et 20 un liquide de refroidissement, comprenant un faisceau d'échange de chaleur (2) constitué d'un empilement de plaques (4, 12, 14), selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, déterminant entre elles des canaux (6, 8) de circulation alternés pour le fluide à refroidir et pour le liquide de refroidissement. 25
12. 12. Echangeur de chaleur selon la revendication 11 pris dans son rattachement à la revendication 10, ledit échangeur comprenant des surfaces d'échange secondaires (52), disposées dans les canaux de circulation du fluide à refroidir, lesdites surfaces d'échange secondaires se trouvant entre lesdits bossages (38), constituant le collecteur d'entrée et le collecteur de sortie (44) du liquide de 30 refroidissement, et les bords (16') des plaques opposés à ceux (16) où sont situés lesdits bossages (38).