FR2989998A1 - Dispositif de recuperation de chaleur pour ligne d'echappement - Google Patents

Abstract

Le dispositif (1) comprend un corps de vanne (7) définissant un chemin direct (13) de passage pour les gaz d'échappement depuis une entrée (9) jusqu'à une sortie (11) de gaz d'échappement, et un clapet (15) disposé dans le corps de vanne (7), mobile entre une position d'obturation du chemin de passage (13) et une position de dégagement du chemin de passage (13). Le corps de vanne (7) présente une paroi latérale (39) dans laquelle sont ménagées une zone d'entrée (35) et une zone de sortie (37). Le dispositif (1) comprend des. tubes (43) d'échange de chaleur ayant chacun une extrémité amont (45) communiquant avec le chemin de passage (13) par la zone d'entrée (35) et une extrémité aval (47) communiquant avec le chemin de passage (13) par la zone de sortie (37). En regard de la zone d'entrée (35), respectivement de sortie (37), les extrémités des tubes (43) sont décalées vers l'extérieur du corps de vanne (7) par rapport à la paroi latérale (39).

Description

Dispositif de récupération de chaleur pour ligne d'échappement L'invention concerne en général les dispositifs de récupération de chaleur pour ligne d'échappement. Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de récupération de chaleur pour ligne d'échappement, du type comprenant : - un corps de vanne présentant au moins une entrée de gaz d'échappement et au moins une sortie de gaz d'échappement, le corps de vanne définissant intérieurement un chemin direct de passage pour les gaz d'échappement depuis l'entrée jusqu'à la sortie ; - un clapet disposé dans le corps de vanne, mobile par rapport au corps de vanne au moins entre une position d'obturation dans laquelle le clapet obture une section de coupure du chemin de passage et interdit ainsi la circulation des gaz d'échappement depuis l'entrée vers la sortie le long du chemin de passage, et une position de dégagement dans laquelle le clapet dégage ladite section de coupure du chemin de passage et autorise ainsi la circulation des gaz d'échappement depuis l'entrée vers la sortie le long du chemin de passage. Il est connu, pour assurer la récupération d'une partie de la chaleur des gaz d'échappement, de disposer deux conduits de circulation des gaz d'échappement en parallèle, un échangeur de chaleur étant intercalé sur l'un des deux conduits, l'autre conduit permettant de bipasser l'échangeur. Une vanne comportant un corps de vanne et un clapet, du type décrit ci-dessus, est par exemple intercalée dans chacun des deux conduits de manière à orienter les gaz d'échappement soit vers l'échangeur, soit vers le bipasse en fonction des besoins. Un tel ensemble est complexe, comporte un grand nombre de pièces et présente un encombrement important.

Par ailleurs, rassembler une vanne et un échangeur de chaleur dans un ensemble compact peut être difficile, car les dilatations thermiques deviennent difficiles à maitriser. Dans ce contexte, l'invention vise à proposer un dispositif de récupération de chaleur qui soit plus compact et qui présente un bon comportement thermomécanique. A cette fin, l'invention porte sur un dispositif de récupération de chaleur du type précité, caractérisé en ce que : - le corps de vanne présente une paroi latérale dans laquelle sont ménagées une zone d'entrée, située le long du chemin de passage entre l'entrée et la section de coupure, et une zone de sortie, située le long du chemin de passage entre la section de coupure et la sortie, - le dispositif comprend une pluralité de tubes d'échange de chaleur prévus pour la circulation des gaz d'échappement, chaque tube ayant une extrémité amont communiquant avec le chemin de passage par la zone d'entrée et une extrémité aval communiquant avec le chemin de passage par la zone de sortie ; - en regard de la zone d'entrée, respectivement de sortie, les extrémités amont, respectivement aval, des tubes sont situées dans un plan décalé vers l'extérieur du corps de vanne par rapport à la paroi latérale. Le dispositif peut également comporter une ou plusieurs des caractéristiques ci- dessous, considérées individuellement selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - Le dispositif comporte au moins une pièce de raccordement, à laquelle les extrémités amont ou aval des tubes sont fixées, ladite pièce de raccordement étant rapportée en regard de la zone d'entrée ou de la zone de sortie du corps de vanne, et de préférence deux pièces de raccordement, les extrémités amont des tubes d'échange de chaleur étant fixées à l'une des pièces de raccordement et les extrémités aval des tubes d'échange de chaleur étant fixées à l'autre des pièces de raccordement, les pièces de raccordement étant rapportées en regard des zones d'entrée et de sortie du corps de vanne. - Chaque pièce de raccordement comprend une plaque présentant des orifices, les extrémités amont ou aval des tubes d'échanges de chaleur étant raccordées chacune à un orifice, de sorte que ladite plaque s'étende dans ledit plan dans lequel sont situées les extrémités amont ou aval des tubes. - La plaque est déportée à l'extérieur du corps de vanne. - Chaque pièce de raccordement comprend une jupe périphérique en saillie par rapport à la plaque, et rigidement fixée à la paroi latérale dans la zone d'entrée ou la zone de sortie, ladite jupe périphérique définissant un décalage, vers l'extérieur du corps de vanne, de la plaque par rapport à la paroi latérale. - Les zones d'entrée et/ou de sortie comprennent une lumière délimitée par un bord saillant faisant saillie vers l'extérieur du corps de vanne, la jupe périphérique de la pièce de raccordement étant rigidement fixée audit bord saillant. - La jupe périphérique est engagée à l'intérieur du bord saillant et directement fixée au bord saillant. - Le corps de vanne comporte, dans la zone d'entrée et/ou de sortie, une jupe périphérique venue de matière avec la paroi latérale, faisant saillie depuis cette paroi latérale vers l'extérieur du corps de vanne. - Le dispositif comprend une plaque solidarisée à la jupe périphérique de manière décalée vers l'extérieur du corps de vanne par rapport à la paroi latérale, ladite plaque présentant des orifices, les extrémités amont ou aval des tubes d'échanges de chaleur étant raccordées chacune à un orifice, de sorte que ladite plaque s'étende dans ledit plan dans lequel sont situées les extrémités amont ou aval des tubes. - Le dispositif comporte une enveloppe externe, s'étendant entre les zones d'entrée et de sortie, les tubes étant agencés dans l'enveloppe, et l'enveloppe portant au moins une plaque présentant des orifices, les extrémités amont ou aval des tubes d'échanges de chaleur étant raccordées chacune à un orifice, de sorte que ladite plaque s'étende dans ledit plan dans lequel sont situées les extrémités amont ou aval des tubes. - Le plan dans lequel sont situées les extrémités amont ou aval des tubes est décalé par rapport à la paroi latérale d'une distance supérieure ou égale à 3 mm D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif de récupération de chaleur conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective du dispositif de la figure 1, considéré suivant une incidence différente, l'enveloppe de l'échangeur de chaleur n'étant pas représentée pour laisser apparaître les tubes ; - la figure 3 est une vue en perspective du dispositif de la figure 1, l'une des deux demi-coquilles formant le corps de vanne n'étant pas représentée pour laisser apparaître l'intérieur du corps du vanne, l'enveloppe de l'échangeur de chaleur étant conforme à une variante de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une vue en perspective similaire à celle de la figure 3, une partie de l'enveloppe de l'échangeur de chaleur n'étant pas représentée, et le clapet étant représenté en position d'obturation ; - la figure 5 est une vue en perspective du corps de vanne et de l'enveloppe de la figure 3, représentés écartés l'un de l'autre, les tubes d'échange de chaleur n'étant pas représentés ; et - la figure 6 est une vue en coupe d'une demi-coquille du corps de vanne, des pièces de raccordement et des extrémités des tubes d'échange de chaleur.

Le dispositif de récupération de chaleur de la figure 1 est destiné à être intercalé dans la ligne d'échappement d'un véhicule automobile tel qu'une voiture ou un camion. Ce dispositif est destiné à récupérer une partie de l'énergie thermique des gaz d'échappement, pour le transférer par exemple au liquide de refroidissement du moteur, ou au circuit de chauffage de l'habitacle.

Le dispositif 1 comporte essentiellement une vanne 3 et un échangeur de chaleur 5.

La vanne 3 comporte : - un corps de vanne 7, ayant une entrée 9 de gaz d'échappement, et une sortie 11 de gaz d'échappement, le corps de vanne définissant intérieurement un chemin de passage 13 pour les gaz d'échappement directement depuis l'entrée 9 jusqu'à la sortie 11 ; - un clapet 15 disposé à l'intérieur du corps de vanne 7, et mobile par rapport au corps de vanne 7 entre une position d'obturation dans laquelle le clapet 15 obture une section de coupure du chemin de passage et interdit ainsi la circulation des gaz d'échappement depuis l'entrée 9 jusqu'à la sortie 11 le long du chemin de passage, et une position de dégagement dans laquelle le clapet 15 dégage ladite section de coupure et autorise ainsi la circulation des gaz d'échappement depuis l'entrée 9 jusqu'à la sortie 11 le long du chemin de passage 13. Le clapet 15 est mobile en rotation par rapport au corps de vanne 7 entre ses positions d'obturation et de dégagement, autour d'un axe 17 visible sur les figures 2, 4 et 5. L'axe 17 est monté libre en rotation sur le corps de vanne par l'intermédiaire de paliers de guidage tels que le palier 19 visible sur la figure 1. Le clapet 15 est solidaire de l'axe 17. Une extrémité 21 de l'axe fait saillie hors du corps de vanne et est rigidement fixée à une manivelle 23. La manivelle 23 est prévue pour être raccordée à un actionneur piloté par exemple par un calculateur et prévu pour déplacer le clapet entre ses différentes positions. Le corps de vanne 7 comporte deux demi-coquilles 25, 27 accolées l'une à l'autre par des bords respectifs 29. Les bords 29 sont accolés l'un contre l'autre selon un plan de contact sensiblement parallèle à l'axe 17. L'entrée 9 et la sortie 11 sont chacune délimitées pour une moitié par la demi-coquille 25 et, pour l'autre moitié par la demi- coquille 27. Conformément à une variante non représentée, les deux demi-coquilles 25, 27 présentent chacune des bords supérieur et inférieur s'étendant perpendiculairement à l'axe 17. La distance entre les bords supérieur et inférieur de l'une des demi-coquilles est légèrement supérieure à celle entre les bords supérieur et inférieur de l'autre demi- coquilles, de sorte que les demi-coquilles 25, 27 sont assemblée par emboîtement. Cette variante de réalisation permet un ajustement plus précis des demi-coquilles 25, 27 l'une par rapport à l'autre dans une direction transversale perpendiculaire à l'axe 17. Cet ajustement précis permet d'assurer que le siège soit bien en contact avec la paroi latérale de chaque demi-coquille dans ladite direction transversale. L'axe 17 est monté sur la demi-coquille 27.

Comme visible sur la figure 3, la vanne 3 comporte encore un cadre 31, placé à l'intérieur du corps de vanne 7 et solidaire des demi-coquilles 25 et 27. Le cadre 31 définit une portée d'étanchéité pour le clapet 15 dans sa position d'obturation. Il définit la section de coupure. Il est plaqué sur toute sa périphérie contre la paroi interne du corps de vanne, et délimite intérieurement un orifice de passage pour les gaz d'échappement qui est obturé par le clapet dans sa position d'obturation. Comme visible sur les figures 3 et 5, le corps de vanne présente une lumière amont 33 ménagée dans une zone 35 d'entrée des gaz d'échappement dans l'échangeur de chaleur 5. Le corps de vanne une autre lumière aval 36 dans une zone 37 de sortie des gaz d'échappement hors de l'échangeur de chaleur. La zone d'entrée 35 est située, le long du chemin de passage 13, entre l'entrée 9 et la section de coupure définie par le cadre 31. La zone 35 est sensiblement plane. La zone de sortie 37 est située, le long du chemin de passage 13, entre la section de coupure et la sortie 11. La zone 37 est sensiblement plane.

Les zones 35 et 37 sont ménagées dans une même paroi latérale 39 du corps de vanne 7. Elles sont situées sensiblement dans un même plan. L'axe 17 est situé à proximité immédiate de la paroi 39. Plus précisément, la paroi latérale 39 présente, entre les zones d'entrée et de sortie 35, 37 une zone 41 faisant saillie vers l'extérieur du corps de vanne par rapport aux zones 35 et 37. La zone 41 a une forme sensiblement semi-cylindrique. L'axe 17 est situé immédiatement à proximité de la zone en saillie 41, de telle sorte qu'il s'étend sensiblement dans le plan des zones d'entrée 35 et de sortie 37. Les lumières amont et aval 33 et 36 ont chacune une forme générale rectangulaire. Elles sont chacune délimitée par un bord saillant 71 faisant saillie vers l'extérieur du corps de vanne 7. Le bord saillant 71 entoure complètement la lumière correspondante. Il fait saillie par rapport à la paroi 39. L'échangeur de chaleur 5 comporte une pluralité de tubes d'échange de chaleur 43 (figure 2) et une enveloppe externe 44, les tubes 43 étant placés dans l'enveloppe 44. Chaque tube 43 comprend une extrémité amont 45 communiquant avec le chemin de passage 13 à travers la zone d'entrée 35 du corps de vanne. Il comprend également une extrémité aval 47 communiquant avec le chemin de passage 13 à travers la zone de sortie 37. Il comprend en outre au moins un tronçon arqué 49 entre les extrémités amont et aval 45 et 47. On notera que les extrémités amont 45 des tubes 43 sont agencées dans un même premier plan, disposé en regard de la zone d'entrée 35, et les extrémités aval 47 des tubes 43 sont agencées dans un même second plan, disposé en regard de la zone de sortie 37. Dans l'exemple représenté, lesdits premier et second plans sont coplanaires. Conformément à une variante non représentée, lesdits premier et second plans sont distincts et parallèles entre eux. Conformément à une autre variante, lesdits premier et second plans sont inclinés l'un par rapport à l'autre. Dans tous les cas, lesdits premier et second plans sont décalés vers l'extérieur du corps de vanne 7 par rapport à la paroi latérale 39. A cet effet, et de manière à améliorer le comportement thermomécanique, le dispositif de l'invention comprend une pièce de raccordement amont 73, à laquelle les extrémités amont 45 des tubes 43 sont fixées, ladite pièce de raccordement amont 73 étant rapportée sur la zone d'entrée 35 du corps de vanne. Cette pièce de raccordement amont 73 permet notamment de diminuer les risques d'ébullition, et de réduire les fuites parasites dans un mode bipasse liées à l'échauffement du fluide caloporteur circulant dans l'enveloppe externe 44 par la proximité du flux de gaz d'échappement circulant dans les tubes 43, comme cela sera décrit ultérieurement. Le dispositif comporte également une pièce de raccordement aval 75, à laquelle les extrémités aval 47 des tubes d'échange de chaleur sont fixées, ladite pièce de raccordement aval 75 étant rapportée sur la zone de sortie 37 du corps de vanne.

Comme visible sur la figure 6 notamment, les pièces de raccordement amont et aval 73, 75 comprennent chacune une plaque 77, 79 présentant des orifices 81, 83, les extrémités amont et aval 45, 47 des tubes d'échanges de chaleur étant raccordées de manière étanche chacune à un orifice 81, 83 respectivement des pièces de raccordement amont et aval. Les plaques 77, 79 sont sensiblement planes, et s'étendent dans le premier ou second plan tel que défini précédemment, dans lequel sont situées les extrémités amont ou aval 45, 47. Dans l'exemple représenté, les plaques 77, 79 sont sensiblement rectangulaires. L'extrémité amont 45 de chaque tube est engagée dans un des orifices 81 de la pièce amont 73 et est rigidement fixée, de manière étanche, à la plaque 77. Elle est par exemple soudée par laser ou brasée au bord périphérique de l'orifice 81. De même, l'extrémité aval 47 est engagée dans un des orifices 83 de la pièce aval 75, et est rigidement fixée, de manière étanche, à la plaque 79. L'extrémité 47 est par exemple soudée par laser ou brasée au bord périphérique de l'orifice 83. Dans l'exemple représenté, les extrémités des tubes sont évasées pour faciliter la fixation aux plaques des pièces amont et aval.

Les pièces de raccordement amont et aval 73, 75 comprennent également chacune une jupe périphérique 85, 87 en saillie par rapport à la plaque 77, 79, et rigidement fixée respectivement à la zone d'entrée 35 et à la zone de sortie 37. Les jupes périphériques 85, 87 sont réalisée en emboutissant les pièces de raccordement amont 73 et aval 75, ou sont en variante rapportées sur ces pièces de raccordement. Les bords de chaque jupe peuvent présenter diverses formes, par exemple en soufflet, en pente, ou droite. Les jupes périphériques 85, 87 entourent complètement les plaques 77, 79 respectivement. Elles se dressent à partir des plaques 77, 79 vers le corps de vanne 7.

Elles sont par exemple sensiblement perpendiculaires aux plaques 77, 79. Ainsi, les jupes périphériques 85, 87 permettent d'assurer un décalage de la plaque 77, 79 vers l'extérieur du corps de vanne 7 par rapport à la paroi latérale 39. La jupe périphérique 85, 87 est engagée à l'intérieur du bord saillant 71 respectivement de la lumière amont 33 et de la lumière aval 36. Elle est directement fixée au bord saillant 71, de manière étanche. Par exemple, elle est soudée par laser, soudée par soudage TAG (acronyme anglais pour « Tungsten lnert Gas »), soudée par soudage MAG (acronyme anglais pour « Metal Active Gas »), ou brasée sur le bord saillant. En variante, la jupe périphérique 85, 87 est engagée à l'extérieur du bord saillant 71. Conformément à une variante non représentée, la jupe périphérique 85, 87 est engagée et fixée, par exemple par soudage ou brasage, dans l'enveloppe 44, cette enveloppe 44 étant rapportée et fixée de manière étanche, par exemple par soudage ou brasage, sur le bord saillant 71. Dans ce cas, l'enveloppe 44 porte au moins une plaque présentant des orifices 81, 83, les extrémités amont ou aval 45, 47 des tubes d'échanges de chaleur 43 étant raccordées chacune à un orifice 81, 83, de sorte que ladite plaque 77, 79 s'étende dans ledit plan dans lequel sont situées les extrémités amont ou aval 45, 47 des tubes 43. Conformément à une autre variante, la jupe périphérique 85, 87 est venue de matière avec la demi-coquille 27, et réalisée par déformation de cette demi-coquille 27, par exemple par emboutissage. Dans ce cas, une plaque est solidarisée à la jupe périphérique de manière décalée vers l'extérieur du corps de vanne 7 par rapport à la paroi latérale 39, ladite plaque présentant des orifices 81, 83, les extrémités amont ou aval 45, 47 des tubes d'échanges de chaleur 43 étant raccordées chacune à un orifice 81, 83, de sorte que ladite plaque 77, 79 s'étende dans ledit plan dans lequel sont situées les extrémités amont ou aval 45, 47 des tubes 43.

On peut également envisager tout type de moyens de fixation de la demi-coquille 27, et des tubes 43 permettant de réaliser un décalage entre les plans dans lesquels sont situés les extrémités amont ou aval des tubes 43 et le flux de gaz principal passant dans le chemin de passage 13. Du fait de leur agencement précité, les plaques 77 et 79 des pièces de raccordement amont et aval 73, 75 sont décalées vers l'extérieur du corps de vanne 7 en regard des zones d'entrée 35 et de sortie 37. Elles sont sensiblement parallèles à la paroi 39. Elles sont situées en regard des lumières amont et aval 33 et 36, et présentent sensiblement la même taille et la même forme que ces lumières. Les pièces de raccordement 73, 75 sont réalisées dans un matériau présentant une bonne tenue en température, une bonne résistance à la corrosion, et une bonne soudabilité, par exemple en austenitic ou ferritic. En variante, pour des températures moins élevées, les pièces de raccordement 73, 75 pourraient être réalisées en aluminium. Elles présentent chacune une épaisseur comprise entre 0.5 et 3 mm, de préférence entre 1 et 2 mm. De manière à rendre le dispositif 1 plus compact, et à rapprocher au maximum les orifices d'entrée 33 des orifices de sortie 36, les tronçons arqués 49 couvrent chacun un secteur angulaire compris entre 90° et 225°, de préférence compris entre 135° et 180°. Dans l'exemple représenté, les tubes 43 sont des tubes en U. Les extrémités 45 et 47 d'un même tube sont rectilignes et parallèles l'une à l'autre. Elles sont respectivement sensiblement perpendiculaires aux plaques 77 et 79.

Le tronçon arqué 49 est constitué par la partie centrale du tube et s'étend sur un secteur angulaire de 180°. Les tubes sont par exemple agencés en plusieurs nappes superposées les unes aux autres. Chaque nappe comporte par exemple quatre tubes en U, parallèles les uns aux autres. Les quatre tubes présentent des tronçons arqués en demi-cercle, de rayons respectifs croissants. Le tube de rayon le plus petit est situé entre les deux extrémités du tube immédiatement plus grand, et ainsi de suite. Chaque nappe est donc sensiblement plane. De préférence, les extrémités amont 45 des tubes d'échange de chaleur forment avec la direction générale d'écoulement des gaz d'échappement le long de la zone d'entrée un angle compris entre 45° et 135°, encore de préférence entre 60° et 120°, et valant typiquement 90°. De même, l'extrémité aval 47 de chaque tube forme avec la direction générale d'écoulement des gaz d'échappement le long de la zone de sortie un angle compris entre 45° et 135°, de préférence compris entre 60° et 120°, et valant typiquement 90°.

Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1, l'enveloppe 44 présente une entrée 51 pour un fluide caloporteur, une sortie 53 pour le fluide caloporteur, et une ouverture non-référencée tournée vers le corps de vanne. Le fluide caloporteur peut être par exemple le liquide de refroidissement du moteur thermique, de l'eau, de l'air, ou tout autre fluide. L'ouverture est délimitée par un bord périphérique qui est raccordé de manière étanche au corps de vanne 7 de manière à entourer les zones amont et aval 35, 37. Le bord périphérique est par exemple accolé à la paroi latérale et brasé à cette paroi. La position de dégagement du clapet est illustrée sur la figure 3. Dans cette position, le clapet 15 s'étend contre la zone aval 37. Il interdit la circulation des gaz d'échappement dans les tubes d'échange de chaleur 43. Pour ce faire, il obture les extrémités aval des tubes d'échange de chaleur. En variante, le clapet pourrait obturer les extrémités amont des tubes d'échange de chaleur. Le montage du dispositif de récupération de chaleur va maintenant être décrit. Les tubes 43 sont d'abord montés sur les pièces amont et aval 73 et 75. Leurs extrémités sont soudées aux plaques 77 et 79, par exemple par soudage laser ou par brasage. Les pièces amont et aval 73, 75 sont ensuite soudées sur la demi-coquille 27, autour des lumières amont et aval 33, 36. L'enveloppe 44 est ensuite montée sur l'extérieur de la demi-coquille 27, et par exemple brasée à celle-ci. Le clapet 15, l'axe 17 et les paliers de guidage de l'axe sont ensuite montés sur la demi-coquille 27, et leur position est ajustée de telle sorte qu'une étanchéité satisfaisante soit obtenue en position de dégagement. Puis, les paliers de guidage sont rigidement fixés à la demi-coquille 27, ce qui garantit une fermeture étanche des tubes d'échange de chaleur en position de dégagement du clapet. Le cadre 31 est ensuite monté à l'intérieur de la demi-coquille 27, comme visible sur la figure 3. Sa position est ajustée de manière à obtenir une bonne étanchéité entre le cadre 31 et le clapet 15 en position d'obturation du clapet. Le cadre 31 est ensuite rigidement fixé à la demi-coquille 27. Enfin, la demi-coquille 25 est rapportée sur la demi-coquille 27 et est par exemple soudée sur celle-ci. Le fonctionnement du dispositif de récupération de chaleur est le suivant. Quand le clapet est en position de dégagement, les gaz d'échappement circulent directement de l'entrée 9 à la sortie 11 le long du chemin de passage 13. Les gaz d'échappement ne circulent pas dans les tubes d'échange de chaleur, puisque le clapet 15 obture les extrémités de ces tubes. Au contraire, quand le clapet 15 est basculé dans sa position d'obturation, le chemin de passage 13 est complètement obturé. En revanche, les deux extrémités des tubes d'échange de chaleur sont libres, de telle sorte que les gaz d'échappement parcourent les tubes d'échange de chaleur 43 et contournent le clapet 15.

Les gaz d'échappement cèdent une partie de leur énergie calorifique au fluide caloporteur circulant à l'intérieur de l'enveloppe 44 au contact des tubes 43. Une variante de réalisation de l'invention va maintenant être décrite. Seuls les points par lesquels cette variante de réalisation diffère du dispositif décrit ci-dessus seront détaillés. Les éléments identiques ou assurant la même fonction seront désignés par les mêmes références. Dans cette variante de réalisation, l'enveloppe 44 de l'échangeur de chaleur 5 a une forme générale en U, visible sur les figures 3 et 5. Elle s'enroule, comme les tubes en U, autour d'un axe sensiblement parallèle à l'axe de clapet 17. L'enveloppe 44 présente des ouvertures amont et aval 89, 91 tournées vers le corps de vanne 7. Ces ouvertures 89, 91 sont situées aux deux extrémités du U. Les tubes d'échange de chaleur 13 s'étendent dans l'enveloppe 44. Les parties d'extrémité 45, 47 d'un même tube sont situées dans les deux branches opposées 93, 95 du U et traversent les ouvertures amont et aval 89, 91. Le tronçon arqué du tube s'étend dans la partie centrale 97, cintrée, du U.

Les ouvertures amont et aval 89, 91 sont délimitées par des bords périphériques respectifs 99 raccordés de manière étanche au corps de vanne 7 autour des zones d'entrée et de sortie 35, 37. Ces bords sont soudés ou brasés. Le dispositif présente ainsi un vide central 101 entre les deux branches du U. Ce vide est délimité à sa périphérie par la paroi latérale 39 du corps de vanne et par l'enveloppe 44 de l'échangeur. Il est ouvert de deux côté opposés, parallèlement à l'axe de clapet 19. Le vide central est situé au niveau de l'axe 17 du clapet, c'est-à-dire au droit de la zone 41 de la paroi latérale. On notera qu'un tel échangeur, dont l'enveloppe 44 épouse le ceintrage des tubes et dans lequel un vide central 101 est réalisé, présente notamment les avantages suivants : - il permet une uniformisation des vitesses autour des tubes, donc une limitation des pertes de charge et des risques d'ébullition localisées (en ne présentant notamment pas de zone de faible vitesse) ; - il permet une flexibilité entre l'entrée et la sortie, permettant d'absorber une partie des dilatations thermiques et de réduire les contraintes dans la liaison entre l'échangeur et la demi-coquille 27. Le dispositif de récupération de chaleur décrit ci-dessus présente de multiples avantages. Du fait que le corps de vanne présente une zone d'entrée située le long du chemin de passage entre l'entrée et la section de coupure, et une zone de sortie située le long du chemin de passage entre la section de coupure et la sortie, le dispositif comprenant en outre une pluralité de tubes d'échange de chaleur prévus pour la circulation des gaz d'échappement, chaque tube ayant une extrémité amont directement raccordée à la zone d'entrée et communiquant avec le chemin de passage, une extrémité aval directement raccordée à la zone de sortie et communiquant avec le chemin de passage, le dispositif est particulièrement compact. L'écartement séparant les extrémités amont et aval de chaque tube est réduit. Il est ainsi possible de rapprocher l'entrée et la sortie de gaz d'échappement et de rendre le corps de vanne particulièrement compact lui aussi. Par ailleurs, lorsque les gaz d'échappement s'écoulent directement le long du chemin de passage allant de l'entrée à la sortie de gaz d'échappement, sans passer par les tubes d'échange de chaleur, le corps de vanne est significativement plus chaud que l'échangeur (généralement, il y a jusqu'à 800°C de différence), et que les tubes d'échange de chaleur. Il se produit ainsi une dilatation différentielle entre la vanne et l'échangeur de chaleur. Du fait que la distance entre les extrémités amont et les extrémités aval des tubes d'échange de chaleur est réduite, cette dilatation différentielle est modérée.

De plus, la présence des pièces de raccordement amont et aval limite la fatigue des liaisons des extrémités des tubes d'échange de chaleur. La paroi latérale du corps de vanne est exposée à des températures très élevées d'un côté, du fait de la circulation des gaz d'échappement, et à des températures modérées de l'autre, du fait du contact avec le fluide de refroidissement. Ceci crée des contraintes thermomécaniques très élevées dans la paroi latérale. Si les extrémités des tubes d'échange de chaleur sont soudées directement sur la paroi latérale, et non sur des pièces de raccordement, ces contraintes se propagent dans les soudures. A terme, elles peuvent conduire à la création de fissures et de fuites. La présence des pièces de raccordement permet de réduire le niveau de contrainte au niveau des liaisons des tubes. Ces tubes sont montés sur les pièces de liaison et non sur la paroi latérale. Les contraintes sont absorbées d'abord par déformation des pièces de raccordement elles-mêmes. Elles ne se propagent que faiblement jusqu'aux liaisons des tubes. Le fait que les pièces de raccordement amont et/ou aval comprennent une jupe en saillie par rapport à la plaque, et rigidement fixé à la zone d'entrée et/ou à la zone de sortie, permet de réaliser une zone tampon décalée permettant d'absorber les dilatations thermiques, et ainsi de limiter les contraintes dans les liaisons des tubes de manière particulièrement efficace. La déformation intervient d'abord au niveau de la jupe, qui s'ouvre ou se resserre en fonction de la dilatation thermique de la paroi latérale.

Le fait que les zones d'entrée et/ou de sortie comprennent une lumière délimitée par un bord saillant faisant saillie vers l'extérieur du corps de vanne, la jupe de la pièce de raccordement amont et/ou aval étant rigidement fixée audit bord saillant, contribue également au même résultat : la déformation intervient d'abord au niveau de la jupe ou au niveau du bord saillant, avant d'intervenir au niveau de la liaison tube-plaque. Le fait que la plaque soit déportée à l'extérieur du corps de vanne permet de déplacer les liaisons tubes-plaque dans un plan éloigné du plan où intervient principalement les dilatations thermiques, c'est-à-dire le plan de la paroi latérale. Cette déportation permet aussi de loger la plaque sur laquelle sont fixés les tubes dans l'échangeur de chaleur, de telle sorte que cette plaque est maintenue à une température modérée, très inférieure à la température de la paroi latérale. Le fait que la plaque soit de petite taille, et soit maintenue à température modérée, contribue à limiter les contraintes thermomécaniques dans cette plaque et dans les liaisons tubes-plaque. En limitant ainsi la température, on conserve des caractéristiques optimales pour la matière au niveau des zones de fixation des tubes. En outre, cette limitation de la température à l'interface de la plaque tube permet : - de réduire l'échauffement du fluide caloporteur par le flux gazeux en mode bipasse, lorsqu'on ne souhaite pas chauffer le fluide caloporteur, et - de réduire les risques d'ébullition à la surface de la plaque. Quand la plaque est déportée à une distance du corps de vanne supérieure à 3 mm, par exemple comprise entre 3 et 30 mm, de préférence entre 5 et 10 mm, l'atténuation des contraintes est particulièrement efficace. Cette déportation est suffisamment limitée pour que la plaque puisse être logée dans l'enveloppe de l'échangeur de chaleur sans augmenter excessivement le volume de celui-ci. Le fait que l'enveloppe de l'échangeur de chaleur ait une forme générale en U, avec un vide central entre les deux branches du U au niveau de l'axe du clapet, permet de limiter les contraintes dans le mécanisme d'entraînement du clapet. Du fait que le clapet interdit la circulation des gaz d'échappement dans les tubes d'échange de chaleur en position de dégagement, il n'y a aucune circulation de gaz d'échappement dans l'échangeur quand le dispositif est en mode « bipasse», c'est-à-dire quand les gaz d'échappement circulent directement de l'entrée vers la sortie du corps de vanne. Ceci contribue à limiter l'échauffement du fluide caloporteur en mode bipasse. Le fait que les tubes d'échange de chaleur aient une forme en U confère au gaz d'échappement un écoulement qui permet de meilleurs échanges de chaleur avec le fluide caloporteur que si les tubes étaient droits. Le fait de placer l'axe de rotation du clapet à proximité de la paroi latérale du corps de vanne à laquelle sont fixées les extrémités des tubes permet d'agencer le clapet de manière à ce que celui-ci puisse pivoter entre la position d'obturation du chemin de passage des gaz d'échappement et la position d'obturation d'une extrémité des tubes. Le dispositif est ainsi simple de conception, comporte peu de composants, et est léger et compact. Le dispositif de récupération de chaleur peut présenter de multiples variantes.

Le dispositif pourrait ne comporter qu'une seule pièce de raccordement, côté amont ou côté aval. Les tubes, de l'autre côté, seraient rapportés directement sur le corps de vanne. La pièce de raccordement n'a pas nécessairement une forme de coupelle, avec une plaque plane et une jupe périphérique. Elle pourrait avoir toute autre forme adaptée pour limiter la propagation des contraintes de la paroi latérale aux liaisons des extrémités des tubes de chaleur. Elle pourrait avoir une forme de cloche convexe vers l'échangeur de chaleur, etc Le corps de vanne pourrait présenter plusieurs entrées de gaz d'échappement et/ou plusieurs sorties de gaz d'échappement.

Le clapet, dans sa position de dégagement, pourrait ne pas obturer les extrémités des tubes d'échange de chaleur. Par exemple, le clapet pourrait être un clapet du type papillon. Dans ce cas, il peut se produire un faible écoulement résiduel de gaz d'échappement dans les tubes d'échange de chaleur quand le clapet est en position de dégagement du chemin de passage des gaz d'échappement à l'intérieur du corps de vanne. Les tubes d'échange de chaleur ne sont pas nécessairement en U mais peuvent présenter toutes sortes de formes. Ils peuvent chacun comporter plusieurs tronçons arqués, raccordant des tronçons droits entre eux. Les extrémités amont et aval des tubes ne sont pas nécessairement parallèles l'une à l'autre. Les extrémités des tubes ne sont pas non plus nécessairement perpendiculaires à la paroi latérale du corps de vanne portant les orifices mais pourraient être inclinées par rapport à cette paroi. Le corps de vanne n'est pas nécessairement constitué de deux demi-coquilles, mais pourrait être formé d'une pièce ou formé de plusieurs tronçons tubulaires raccordés les uns aux autres, sous réserve de pouvoir monter le clapet de vanne à l'intérieur du corps de vanne.

Les tubes d'échange de chaleur ne sont pas nécessairement de section circulaire, mais peuvent être avantageusement de section ovale présentant une forme appelée « race track ». Cette forme permet d'augmenter la surface de contact entre les gaz et l'eau pour une même section de passage offerte aux gaz à l'intérieur du tube. Finalement, l'utilisation de tels tubes, par rapport à l'utilisation de tubes à section circulaire, permet de diminuer leur nombre à puissance thermique d'échange égale. Cela permet donc de diminuer le nombre de connections sur la demi-coquille 27. Diminuer ce nombre de connections permet de réduire le prix de la partie échangeur. Le gain sur la connection des tubes compense largement la différence de prix entre les deux technologies de tubes. Ainsi, il est plus intéressant d'utiliser des tubes plus chers mais plus performants, en moindre nombre, pour réduire le travail de soudage des tubes.5

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1.- Dispositif de récupération de chaleur pour ligne d'échappement, le dispositif (1) comprenant : - un corps de vanne (7) présentant au moins une entrée (9) de gaz d'échappement et au moins une sortie (11) de gaz d'échappement, le corps de vanne (7) définissant intérieurement un chemin direct (13) de passage pour les gaz d'échappement depuis l'entrée (9) jusqu'à la sortie (11) ; - un clapet (15) disposé dans le corps de vanne (7), mobile par rapport au corps de vanne (7) au moins entre une position d'obturation dans laquelle le clapet (15) obture une section de coupure du chemin de passage (13) et interdit ainsi la circulation des gaz d'échappement depuis l'entrée (9) vers la sortie (11) le long du chemin de passage (13), et une position de dégagement dans laquelle le clapet (15) dégage ladite section de coupure du chemin de passage (13) et autorise ainsi la circulation des gaz d'échappement depuis l'entrée (9) vers la sortie (11) le long du chemin de passage (13); caractérisé en ce que : - le corps de vanne (7) présente une paroi latérale (39) dans laquelle sont ménagées une zone d'entrée (35), située le long du chemin de passage (13) entre l'entrée (9) et la section de coupure, et une zone de sortie (37), située le long du chemin de passage entre la section de coupure et la sortie (11), - le dispositif (1) comprend une pluralité de tubes (43) d'échange de chaleur prévus pour la circulation des gaz d'échappement, chaque tube (43) ayant une extrémité amont (45) communiquant avec le chemin de passage (13) par la zone d'entrée (35) et une extrémité aval (47) communiquant avec le chemin de passage (13) par la zone de sortie (37) ; - en regard de la zone d'entrée (35), respectivement de sortie (37), les extrémités amont (45), respectivement aval (47), des tubes (43) sont situées dans un plan décalé vers l'extérieur du corps de vanne (7) par rapport à la paroi latérale (39).

   2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une pièce de raccordement (73, 75), à laquelle les extrémités amont ou aval (45, 47) des tubes (43) sont fixées, ladite pièce de raccordement (73, 75) étant rapportée en regard de la zone d'entrée (35) ou de la zone de sortie (37) du corps de vanne (7), et de préférence deux pièces de raccordement (73, 75), les extrémités amont (45) des tubes d'échange de chaleur (43) étant fixées à l'une des pièces de raccordement (73) et les extrémités aval (47) des tubes d'échange de chaleur (43) étant fixées à l'autre des pièces de raccordement (75), les pièces de raccordement (73, 75) étant rapportées en regard des zones d'entrée et de sortie (35, 37) du corps de vanne (7).

   3.- Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque pièce de raccordement (73, 75) comprend une plaque (77, 79) présentant des orifices (81, 83), les extrémités amont ou aval (45, 47) des tubes d'échanges de chaleur (43) étant raccordées chacune à un orifice (81, 83), de sorte que ladite plaque (77, 79) s'étende dans ledit plan dans lequel sont situées les extrémités amont ou aval (45, 47) des tubes (43).

   4.- Dispositif la revendications 3, caractérisé en ce que la plaque (77, 79) est déportée à l'extérieur du corps de vanne (7).

   5.- Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que chaque pièce de raccordement (73, 75) comprend une jupe périphérique (85, 87) en saillie par rapport à la plaque (77, 79), et rigidement fixée à la paroi latérale (39) dans la zone d'entrée (35) ou la zone de sortie (37), ladite jupe périphérique (85, 87) définissant un décalage, vers l'extérieur du corps de vanne (7), de la plaque (77, 79) par rapport à la paroi latérale (39).

   6.- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les zones d'entrée et/ou de sortie (35, 37) comprennent une lumière (33, 36) délimitée par un bord saillant (71) faisant saillie vers l'extérieur du corps de vanne (7), la jupe périphérique (85, 87) de la pièce de raccordement (73, 75) étant rigidement fixée audit bord saillant (71).

   7.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la jupe périphérique (85, 87) est engagée à l'intérieur du bord saillant (71) et directement fixée au bord saillant (71).

   8.- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le corps de vanne (7) comporte, dans la zone d'entrée (35) et/ou de sortie (37), une jupe périphérique venue de matière avec la paroi latérale (39), faisant saillie depuis cette paroi latérale (39) vers l'extérieur du corps de vanne (7).

   9.- Dispositif selon la revendication 8, comprenant une plaque solidarisée à la jupe périphérique de manière décalée vers l'extérieur du corps de vanne (7) par rapport à la paroi latérale (39), ladite plaque présentant des orifices (81, 83), les extrémités amont ou aval (45, 47) des tubes d'échanges de chaleur (43) étant raccordées chacune à un orifice (81, 83), de sorte que ladite plaque (77, 79) s'étende dans ledit plan dans lequel sont situées les extrémités amont ou aval (45, 47) des tubes (43).

   10.- Dispositif selon la revendication 1, comportant une enveloppe externe (44), s'étendant entre les zones d'entrée (35) et de sortie (37), les tubes (43) étant agencés dans l'enveloppe (44), et l'enveloppe (44) portant au moins une plaque présentant des orifices (81, 83), les extrémités amont ou aval (45, 47) des tubes d'échanges de chaleur (43) étant raccordées chacune à un orifice (81, 83), de sorte que ladite plaque (77, 79) s'étende dans ledit plan dans lequel sont situées les extrémités amont ou aval (45, 47) des tubes (43).

   11.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le plan dans lequel sont situées les extrémités amont ou aval (45, 47) des tubes (43) est décalé par rapport à la paroi latérale (39) d'une distance supérieure ou égale à 3 mm.5