FR2995397A1 - Intercalaire d'echangeur de chaleur. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un intercalaire destiné à favoriser l'échange de chaleur entre un premier fluide et un second fluide, ledit intercalaire comprenant une plaque (2), pliée en accordéon, de circulation du premier fluide, ladite plaque étant destinée à rentrer en contact thermique avec des canaux de circulation du second fluide, ladite plaque comportant une multiplicité d'arêtes (9) aptes à dévier la circulation dudit premier fluide d'une direction d'écoulement (5), ledit intercalaire présentant une densité d'arêtes (9) croissante selon ladite direction d'écoulement. L'invention concerne aussi un faisceau d'échange de chaleur comprenant une pluralité de tels intercalaires, ainsi qu'un échangeur de chaleur pour circuit de refroidissement comprenant un tel faisceau d'échange de chaleur.

Description

Intercalaire d'échangeur de chaleur. L'invention concerne un intercalaire pour un échangeur de chaleur d'un véhicule automobile, un faisceau d'échange de chaleur comprenant un tel intercalaire et un échangeur de chaleur comprenant un tel faisceau. Elle concerne en particulier le domaine des échangeurs pour l'alimentation en air d'un moteur de véhicule automobile. Il est connu d'alimenter des moteurs turbocompressés par un système d'admission d'air ou par un système d'admission d'un mélange d'air et de gaz d'échappement collectés en sortie du moteur, appelés gaz d'échappement recirculés, l'air ou le mélange d'air et de gaz d'échappement recirculés ayant été préalablement comprimé. Dans la suite, on entendra par air de suralimentation du moteur, aussi bien l'air provenant d'un système d'admission d'air, que le mélange provenant d'un système d'admission d'un mélange d'air et de gaz d'échappement recirculés. Dans le but de refroidir l'air de suralimentation et sa densité, il est connu de l'art antérieur de refroidir ledit air de suralimentation au moyen d'un échangeur de chaleur, aussi appelé refroidisseur d'air de suralimentation (RAS). Il est en particulier connu des refroidisseurs d'air de suralimentation comprenant alternativement des circuits de circulations de l'air de suralimentation et des circuits de circulation d'un liquide de refroidissement. Pour augmenter l'échange thermique entre les deux fluides, il est connu d'ajouter des intercalaires, aussi appelés turbulateurs ou perturbateurs disposés dans le circuit d'air de suralimentation. Ils se présentent sous la forme d'une plaque rectangulaire pliée en accordéon de manière à former une pluralité d'ondulations s'étendant suivant un axe longitudinal. L'air de suralimentation entre d'un côté de l'intercalaire, et ressort de l'autre côté, en suivant sensiblement la direction des ondulations. Les sommets des ondulations sont en contact thermique avec le circuit du liquide de refroidissement. Le transfert de chaleur entre les deux fluides est favorisé grâce au supplément de surface d'échange thermique apporté par les intercalaires. Des modifications de la configuration des intercalaires permettent de renforcer encore l'échange thermique. Elles consistent à créer des perturbations provoquant un écoulement turbulent de l'air lors de la circulation du flux à travers l'intercalaire. Par exemple, il est possible d'avoir des intercalaires avec des persiennes sur les flancs des ondulations. Les persiennes sont des fentes opérées à travers le matériau ; elles sont munies de volets, adjacents à la fente et orientées transversalement à la direction incidente de l'air de suralimentation. On connait encore des intercalaires dont les ondulations sont divisées et décalées transversalement l'une à la suite de l'autre. Cependant, ces modifications ont le désavantage d'engendrer une perte de charge importante dans la circulation de l'air à travers les intercalaires. Par conséquent, bien que le transfert thermique augmente sensiblement, les performances de l'échangeur de chaleur sont perçues comme n'étant pas satisfaisantes. Le but de l'invention est d'améliorer la structure de l'intercalaire, en limitant la perte de charge, tout en conservant un transfert thermique important entre les fluides. L'invention a ainsi pour objet un intercalaire destiné à favoriser l'échange de chaleur entre un premier fluide et un second fluide, ledit intercalaire comprenant une plaque, pliée en accordéon, de circulation du premier fluide, ladite plaque étant destinée à rentrer en contact thermique avec des canaux de circulation du second fluide, ladite plaque comportant une multiplicité d'arêtes aptes à dévier la circulation dudit premier fluide d'une direction d'écoulement, ledit intercalaire présentant une densité d'arêtes croissante selon ladite direction d'écoulement. Autrement dit, l'intercalaire comprend, entre l'entrée et la sortie, un nombre progressivement plus important d'éléments engendrant des perturbations.

L'invention part de l'observation que le ratio entre la performance thermique et la perte de charge est dépendant de la vitesse de l'air et de sa température ; il est notamment plus élevé à basse vitesse. Il est donc plus utile d'avoir des perturbations lorsque la vitesse a déjà diminué, c'est-à-dire vers la sortie de l'intercalaire, plutôt qu'à l'entrée, où la vitesse est la plus élevée. On peut donc réduire la perte de charge en évitant d'engendrer des perturbations à l'entrée du flux d'air, tout en conservant un transfert thermique performant, en disposant des perturbations à la sortie du conduit. En effet, les perturbations favorisent l'échange thermique, en augmentant le coefficient de transfert thermique entre les fluides. En revanche, la présence de perturbations à l'entrée est peu utile car la perte de charge générée est peu efficace. A mesure que le fluide progresse dans l'intercalaire, sa vitesse baisse et le ratio entre la performance thermique et la perte de charge s'élève. Une présence plus importante de perturbations apporte un intérêt croissant à mesure que le fluide circule dans l'intercalaire. Ainsi, selon l'invention, pour une plus grande efficacité de l'échange de chaleur, la densité d'arêtes augmente progressivement. Selon un aspect de l'invention, ladite plaque comprend une pluralité d'ondulations destinées à guider ledit fluide selon la direction d'écoulement, chaque ondulation étant décalée, l'une par rapport à l'autre, selon une direction transversale à ladite direction d'écoulement, de façon à ce que lesdites arêtes soient formées par des bords d'extrémité opposés desdites ondulations. Autrement dit, le décalage entre les ondulations fait apparaître lesdites arêtes dans l'écoulement du fluide venant de l'ondulation précédente.

Par conséquent, le fluide, guidé par les ondulations, est perturbé par les arêtes disposées à la jonction de deux ondulations successives. Selon cet aspect de l'invention, pour obtenir une densité d'arêtes croissante selon la direction d'écoulement du premier fluide, la longueur desdites ondulations est décroissante.

Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément : - l'intercalaire est fabriqué d'une seule plaque, - l'intercalaire, comprend au moins deux zones, chaque zone comportant une densité d'arêtes constante, - la surface d'échange thermique de l'intercalaire est sensiblement la même pour chacune desdites zones, - lesdites ondulations de chacune desdites zones sont de même longueur, - la première zone, selon la direction d'écoulement, n'a qu'une seule ondulation, - les ondulations sont décalées d'une distance sensiblement égale à la moitié du pas de l'ondulation, - la longueur des ondulations les plus courtes est comprise entre 0.5 et 1,5 mm, - la plaque a une épaisseur comprise dans l'intervalle allant de 0.05 à 0.3 mm, - chaque zone a une longueur comprise dans l'intervalle allant de 10 à 50 mm, - les ondulations ont un pas compris dans l'intervalle allant de 0.5 à 10 mm, - les ondulations ont une hauteur comprise dans l'intervalle allant de 1 à 15 mm, - l'intercalaire est fabriqué par pressage, moulage ou emboutissage d'une plaque en métal. L'invention a aussi pour objet un faisceau d'échange de chaleur comprenant une pluralité d'intercalaires tels que décrits précédemment. Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément : - le faisceau d'échange de chaleur comprend deux lames formant une paire, ladite paire définissant un canal de circulation du premier fluide dans lequel est situé l'un desdits intercalaires, et deux lames de deux paires différentes définissant un canal de circulation du second fluide, - le faisceau d'échange de chaleur est configuré pour que le second fluide circule selon un flux perpendiculaire à la direction d'écoulement, - le canal de circulation du second fluide comprend plusieurs passes, permettant audit second fluide de changer de direction d'une passe à l'autre, le faisceau comprend autant de passes que de zones d'intercalaires, chaque passe du second fluide correspondant à une zone d'intercalaire. L'invention a encore pour objet un échangeur de chaleur comprenant un faisceau d'échange de chaleur tel que décrit précédemment. Il pourra s'agir, par exemple, d'un refroidisseur d'air de suralimentation, en particulier d'un refroidisseur d'air de suralimentation dans lequel l'air de suralimentation est refroidi à l'aide d'un liquide de refroidissement. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description suivante qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter, accompagnée des dessins joints parmi lesquels : la figure 1 illustre, en perspective, un exemple d'intercalaire selon l'invention, la figure 2 illustre de façon schématique, une vue en coupe transversale d'une ondulation de l'intercalaire de la figure 1, - la figure 3 illustre, en perspective, un échangeur de chaleur comprenant des intercalaires selon l'invention. Dans ce qui suit, des références numériques identiques seront utilisées pour désigner des éléments identiques ou analogues. Comme illustré à la figure 1, l'invention concerne un intercalaire 1 destiné à favoriser l'échange de chaleur entre un premier fluide et un second fluide. Il comprend une plaque 2 pliée en accordéon, de sorte que la surface d'échange thermique avec le premier fluide soit importante. Ledit premier fluide, circulant le long de l'intercalaire 1 selon une direction d'écoulement 5, est destiné à être mis en contact thermique avec des canaux de circulation, non représentés sur ce dessin, du second fluide. Le premier fluide est, par exemple un gaz, notamment de l'air de suralimentation d'un moteur turbocompressé d'un véhicule, qu'il faut refroidir à l'aide d'un deuxième fluide, caloporteur. Avantageusement, le deuxième fluide est un liquide, en particulier un liquide antigel, notamment un mélange d'eau et de glycol, issu d'une boucle de refroidissement basse température du véhicule.

L'air entre d'un côté, appelé entrée 7 de l'intercalaire, à une température élevée, pour être refroidi, au contact de la plaque 2, jusqu'à la sortie 8 de l'intercalaire, de l'autre côté. Ladite plaque 2 comporte une multiplicité d'arêtes 9, aptes à dévier la circulation dudit premier fluide, de la direction d'écoulement 5. Les arêtes 9 engendrent des perturbations de l'écoulement de l'air, qui favorisent le transfert thermique entre les deux fluides, via la surface 6 de la l'intercalaire 1. Selon l'invention, l'intercalaire 1 présente une densité d'arêtes 9 croissante selon la direction d'écoulement 5, afin d'éviter une perte de charge inutile à l'entrée 7 de l'intercalaire, tout en augmentant le coefficient d'échange thermique à la sortie 8. Pour cela, l'intercalaire comprend ici une pluralité d'ondulations 10 destinées à guider l'air selon la direction d'écoulement 5. Chaque ondulation 10 définit une série de canaux parallèles 30 dans lequel le premier fluide circule selon ladite direction d'écoulement. Chaque ondulation comporte une série de plis 11 parallèles, séparés par des sommets 32, destinés à venir en contact avec les conduits de circulation du second fluide. Les arêtes 9 sont formées par les bords dits transversaux 34, d'extrémité opposés desdites ondulations 10, perpendiculaires à une direction d'extension longitudinale desdits sommets 32.

Autrement dit, une ondulation 10 présente, sur ses bords transversaux 34, une multiplicité d'arêtes 9 perturbant la circulation de l'air.

Lesdites arêtes 9 correspondent en particulier à chaque extrémité opposée des plis 11, selon ladite direction d'extension longitudinale desdits sommets 32. Lesdits bords transversaux 34 peuvent avoir une forme sinusoïdale, en créneaux, triangulaire ou tout autre forme périodique, ou non.

La figure 2 représente une vue en coupe d'une ondulation 10, sur laquelle on voit une série de plis 11 et de sommets 32, ainsi que le pas p et la hauteur h de l'une des ondulations 10, respectivement égaux à une période de ladite ondulation 10 et à la distance entre deux sommets 32 voisins. Contrairement aux ondulations munies de persiennes, les plis 11 sont lisses dans ce mode de réalisation. Si l'on se reporte de nouveau à la figure 1, on constate que la plaque 2 formant l'intercalaire 1 est ici rectangulaire, de sorte que ladite direction d'écoulement 5 est parallèle à deux bords 15 de ladite plaque, que nous appellerons bords parallèles, et perpendiculairement aux deux autres, que nous appellerons bords d'entrée 16 et bord de sortie 17. Les ondulations 10 sont disposées l'une à la suite de l'autre, avec deux de leurs bords transversaux 34 en contact. Chaque ondulation 10 est décalée, l'une par rapport à l'autre, selon une direction transversale à la direction d'écoulement 5. Ce décalage sert à faire apparaître dans la circulation du fluide venant de l'ondulation précédente, les arêtes 9 du bord transversal 34 de l'ondulation suivante. Il ne modifie pas la largeur déployée de l'ondulation, c'est-à-dire la dimension déployée de l'intercalaire selon la direction perpendiculaire à ladite direction d'extension longitudinale desdits sommets 32.

Avantageusement, les profils des ondulations 10 sont identiques, deux à deux, les ondulations 10 étant décalées entre elles et les sommets 32 des ondulations 10 étant colinéaires. En outre, le pas p des ondulations est le même pour toutes les ondulations 10. De cette manière, le choix et l'ajustement de la densité est plus facile à réaliser.

La longueur 13 desdites ondulations 10 est décroissante selon la direction d'écoulement 5. On obtient, ainsi, une densité d'arêtes croissantes.

En effet, comme les ondulations 10 sont décalées l'une à la suite de l'autre, la densité d'arêtes augmente si la longueur 13 des ondulations 10 diminue. L'intercalaire pourra comprendre plusieurs zones 18, chacune ayant une densité d'arêtes constante. Ici, cela se traduit par des zones 18 dont les ondulations sont de dimensions identiques, notamment en longueur I. Ainsi, plus le nombre d'ondulations 10 est important dans une zone 18, plus la densité d'arêtes 9 est élevée. Etant donné que les perturbations sont moins utiles en début d'intercalaire, la première zone 19 n'est munie que d'une seule ondulation 10.

Autrement dit, la première zone 19 a une densité d'arêtes nulle. Sur l'exemple de la figure 1, l'intercalaire 1 a quatre zones 18 de densités différentes. Comme déjà dit, la première 19 n'a qu'une seule ondulation 10. La deuxième comprend dix ondulations de même longueur I, la troisième en a vingt, et la quatrième en a trente.

L'intercalaire 1 est fabriqué d'une seule plaque 2, c'est-à-dire que les zones 18 et ondulations 10 sont issues de matière les unes des autres. On évite ainsi l'utilisation de procédés d'assemblages de zones 18 qui auraient été réalisées séparément. En outre, dans une zone donnée, la surface 6 d'échange thermique est sensiblement la même pour les ondulations de ladite zone, quel que soit le nombre d'ondulations 10. Préférentiellement, le décalage 20, entre les ondulations 10, a une valeur sensiblement égale à la moitié du pas p de l'ondulation 10. Cette caractéristique permet de centrer les arêtes 9 au milieu du flux d'air sortant des plis 11 de l'ondulation précédente, afin que les perturbations soient plus importantes et plus efficaces. Les zones 18 ont ici une même longueur selon ladite direction d'extension longitudinale des sommets 32. Ainsi, la surface 6 d'échange thermique est sensiblement la même pour chacune desdites zones.

Dans l'exemple de la figure 1, l'intercalaire a une hauteur comprise dans l'intervalle allant de 1 à 15 mm, notamment environ 5 mm. Il comprend quatre zones 18 de longueur comprise dans l'intervalle allant de 10 à 50 mm, notamment environ 30 mm. La première zone 19 a une longueur d'ondulation d'environ 30 mm, tandis que la deuxième zone a des ondulations de longueur d'environ 3 mm, celle de la troisième faisant environ 1.5 mm et celle de la quatrième faisant environ 1 mm. Selon un autre mode de réalisation, non représenté, l'intercalaire 1 comprend une ondulation munie de persiennes formant lesdites arêtes. Plus précisément, les volets des persiennes ont des arêtes jouant le rôle de perturbateur. Les persiennes sont en nombre croissant entre l'entrée et la sortie de l'intercalaire, afin d'obtenir un effet similaire à celui du mode de réalisation précédent. Dans ce mode-ci, les plis des ondulations ne sont pas lisses, du fait de la présence des persiennes. Comme illustré à la figure 3, l'invention concerne également un faisceau 21 d'échange de chaleur comprenant une pluralité d'intercalaires 1.

Le premier fluide F1, entrant dans le faisceau, est divisé en plusieurs flux, chacun passant dans un intercalaire. De manière avantageuse, le faisceau 21 d'échange de chaleur comprend plusieurs lames 22, 23, formant une paire, ladite paire définissant un canal de circulation 25 du premier fluide F1. Les intercalaires 1 sont disposés dans chaque canal 25 et sont bordés par les lames 22, 23 de la paire. Ils sont fixés aux lames 22, 23 par les sommets des plis 11 des ondulations 10 et font office de pont thermique entre les deux fluides. Le second fluide F2 circule dans des canaux de circulation 28 formés par des lames 23, 26 de deux paires différentes. Ledit second fluide F2 pénètre dans le faisceau par une tubulure 36 et en ressort par une tubulure 38. Il circule entre les paires de plaques par l'intermédiaire d'emboutis, non visibles, formés dans lesdites plaques et reliant entre eux les canaux de circulation dudit second fluide. Le faisceau comprend, alternativement, des canaux de circulation 25 de l'air de suralimentation et des canaux de circulation 28 du liquide de 2 9953 9 7 10 refroidissement, les uns étant superposés aux autres. Le faisceau est ainsi formé d'un empilement de plaques et d'intercalaires. De façon préférentielle, le faisceau 21 d'échange de chaleur est configuré pour que le second fluide F2 circule dans les canaux formés entre 5 les plaques selon un flux perpendiculaire à la direction d'écoulement 5. Le canal de circulation 28 du second fluide comprend, notamment, un circuit en serpentin, non visible, formé de plusieurs passes aménagées entre les lames 23, 26. Chaque passe est défini comme un élément de conduit, traversant le faisceau 21 d'un bord transversal 40 à l'autre 42. Ainsi, les lames 10 comprennent, au niveau de chaque passe, une zone d'échange de chaleur entre le premier fluide et le deuxième fluide, lesdites lames étant configurées pour que le liquide change de sens de circulation entre chaque passe. Avantageusement, le faisceau aura autant de passes dans les lames, que de zones 18 d'intercalaires 1, de sorte que chaque passe du deuxième 15 fluide corresponde à une zone 18 d'intercalaire. Cet agencement apporte une meilleure répartition dans l'échange de chaleur. Les intercalaires 1 sont, de préférence, assemblés aux lames 22, 23, 26 par brasage de la matière, à base d'aluminium ou d'alliage d'aluminium, des composants constitutifs du faisceau.

20 L'invention concerne encore un échangeur de chaleur. Ledit échangeur comprend un faisceau 21 tel que représenté sur la figure 3. Il comprend en outre, par exemple, des boîtes d'entrée et/ou de sortie du premier fluide, non représentées.

Claims (15)

1. REVENDICATIONS1. Intercalaire destiné à favoriser l'échange de chaleur entre un premier fluide et un second fluide, ledit intercalaire comprenant une plaque (2), pliée en accordéon, de circulation du premier fluide, ladite plaque étant destinée à rentrer en contact thermique avec des canaux de circulation du second fluide, ladite plaque comportant une multiplicité d'arêtes (9) aptes à dévier la circulation dudit premier fluide d'une direction d'écoulement (5), ledit intercalaire présentant une densité d'arêtes (9) croissante selon ladite direction d'écoulement.
2. 2. Intercalaire, selon la revendication 1, dans lequel ladite plaque comprend une pluralité d'ondulations (10) destinées à guider ledit fluide selon la direction d'écoulement (5), chaque ondulation (10) étant décalée, l'une par rapport à l'autre, selon une direction transversale à ladite direction d'écoulement (5) de façon à ce que lesdites arêtes soient formées par des bords d'extrémité opposés desdites ondulations, la longueur desdites ondulations étant décroissante selon ladite direction d'écoulement.
3. 3. Intercalaire, selon la revendication 2, dans lequel les ondulations (10) sont décalées d'une distance sensiblement égale à la moitié du pas de l'ondulation.
4. 4. Intercalaire selon l'une, quelconque, des revendications 2 ou 3, formé d'une seule et même dite plaque (2).
5. 5. Intercalaire, selon l'une, quelconque, des revendications 2 à 4, comprenant au moins deux zones (18), chaque zone (18) comportant une densité d'arêtes (9) constante.30
6. 6. Intercalaire, selon la revendication 5, dans lequel les ondulations (10) de chacune des zones (18) sont de même longueur (13).
7. 7. Intercalaire, selon l'une des revendications 5 ou 6, dans lequel la première zone (19), selon la direction d'écoulement, n'a qu'une seule ondulation (10).
8. 8. Intercalaire selon la revendication 6, dans lequel la longueur (13) des ondulations (10) les plus courtes est comprise entre 0.5 et 1,5 mm.
9. 9. Intercalaire selon l'une des revendications 5 à 8, dans lequel chaque zone (18) a une longueur comprise dans l'intervalle allant de 10 à 50 mm.
10. 10. Faisceau d'échange de chaleur comprenant une pluralité d'intercalaires (1) selon l'une, quelconque, des revendications précédentes.
11. 11. Faisceau d'échange de chaleur selon la revendication 10, comprenant, en outre, deux lames (22, 23) formant une paire, ladite paire définissant un canal de circulation (25) du premier fluide dans lequel est situé l'un desdits intercalaires, et deux lames (23, 26) de deux paires différentes définissant un canal de circulation (28) du second fluide.
12. 12. Faisceau d'échange de chaleur selon la revendication 11, dans lequel ledit faisceau est configuré pour que le second fluide circule selon un flux perpendiculaire à la direction d'écoulement (5).
13. 13. Faisceau d'échange de chaleur selon l'une des revendications 11 ou 12, dans lequel le canal de circulation (28) du second fluide comprend plusieurs passes, permettant audit second fluide de changer de direction d'une passe à l'autre.
14. 14. Faisceau d'échange de chaleur selon la revendication 13, la revendication 10 étant prise dans son rattachement aux revendications 5 à 9 comprenant autant de passes que de zones d'intercalaires (18), chaque passe du second fluide correspondant à une zone d'intercalaire (18).
15. 15. Echangeur de chaleur comprenant un faisceau d'échange de chaleur (21) selon l'une, quelconque, des revendications 10 à 14.10