FR3020868A1 - Echangeur de chaleur en spirale et procede de fabrication correspondant - Google Patents

Abstract

L'échangeur de chaleur (2) comprend : - une tôle inférieure (4); - une tôle supérieure (6); - une feuille (8) définissant des ailettes ; la tôle inférieure (4), la tôle supérieure (6) et la feuille (8) formant une structure à trois couches enroulée en spirale, la tôle inférieure (4) et la tôle supérieure (6) définissant entre elles un premier passage (18) de circulation d'un premier fluide.. L'échangeur de chaleur (2) comprend un ensemble (10) d'entretoises, disposées dans le premier passage (18), ces entretoises étant des baguettes indépendantes des tôles inférieure et supérieure (4, 6).

Description

Echangeur de chaleur en spirale et procédé de fabrication correspondant L'invention concerne en générale les échangeurs de chaleur. Plus précisément, l'invention concerne selon un premier aspect un échangeur de chaleur comprenant : - une tôle inférieure ; - une tôle supérieure ; - une feuille définissant des ailettes ; la tôle inférieure, la tôle supérieure et la feuille étant superposées et formant une structure à trois couches enroulée en spirale autour d'un axe central et définissant un enroulement, des premières grandes faces en vis-à-vis de la tôle inférieure et de la tôle supérieure définissant entre elle un premier passage de circulation d'un premier fluide, des secondes grandes faces en vis-à-vis de la tôle inférieure et de la tôle supérieure définissant entre elles un second passage de circulation d'un second fluide dans lequel est disposé la feuille. Un échangeur de chaleur de ce type est connu de WO 2005/017435. Les tôles inférieure et supérieure de cet échangeur de chaleur sont embouties, de manière à constituer les entrée et sortie de fluides, et à maintenir un écartement constant entre les deux tôles.

La réalisation d'un échangeur de chaleur de ce type est complexe. Dans ce contexte, l'invention vise à proposer un échangeur de chaleur qui soit de fabrication plus simple. A cette fin, l'invention porte sur un échangeur de chaleur du type précité, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur comprend un ensemble d'entretoises, disposé dans le premier passage, ces entretoises étant des baguettes indépendantes des tôles inférieure et supérieure. Ainsi, il est possible d'utiliser pour la réalisation de l'échangeur de chaleur des tôles planes, non embouties. Les entretoises garantissent l'écartement entre la tôle inférieure et la tôle supérieure, et permettent donc de contrôler la section libre du premier passage.

L'échangeur de chaleur peut également comporter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considéré individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - l'ensemble d'entretoises comprend une entretoise périphérique, interposée entre des bords périphériques respectifs des tôles inférieure et supérieure et assurant une étanchéité entre lesdits bords périphériques ; - le premier passage présente des extrémités circonférentielles extérieure et intérieure situées respectivement radialement plus à l'extérieur et radialement plus à l'intérieur de l'échangeur de chaleur, l'ensemble d'entretoises comprenant au moins une entretoise centrale s'étendant circonférentiellement sur la plus grande partie de la longueur du premier passage et divisant le premier passage en une branche aller et une branche retour parallèles l'une à l'autre et communiquant l'une avec l'autre au niveau de l'extrémité intérieure, de préférence seulement au niveau de l'extrémité intérieure ; - l'échangeur comprend une entrée de premier fluide communiquant avec la branche aller au niveau de l'extrémité circonférentielle extérieure et une sortie de premier fluide communiquant avec la branche retour au niveau de l'extrémité circonférentielle extérieure ; - l'échangeur comprend une enveloppe externe cylindrique dans laquelle est inséré l'enroulement ; - les tôles inférieure et supérieure forment un nombre de tour déterminé autour de l'axe central, la feuille formant un tour de plus que les tôles inférieure et supérieure, ledit tour de plus étant interposé entre la tôle supérieure et l'enveloppe externe ; - l'échangeur comprend un tube interne autour duquel est enroulé la structure à trois couches, le tube interne étant une tôle roulée avec superposition de deux bords axiaux de ladite tôle roulée, et/ou l'enveloppe externe étant une tôle roulée avec superposition de deux bords axiaux de ladite tôle roulée ; et - la feuille définissant les ailettes est en une tôle pliée en créneaux, lesdits créneaux constituant les ailettes. Selon un second aspect, l'invention porte sur un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur ayant les caractéristiques ci-dessous : - formation de la structure à trois couches en superposant la tôle inférieure, la tôle supérieure et la feuille, avec interposition de l'ensemble d'entretoises dans le premier passage entre les tôles inférieure et supérieure ; - enroulement de la structure à trois couches en spirale autour de l'axe central. Le procédé peut également comporter une ou plusieurs des caractéristiques ci- dessous, considéré individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - il comprend une étape de mise sous pression du premier passage pour plaquer la tôle supérieure contre la feuille, effectuée après l'étape d'enroulement ; - il comprend une étape de fixation d'un tube d'entrée de premier fluide et d'un tube de sortie de premier fluide sur la tôle supérieure, effectuée avant l'étape de formation et l'étape d'enroulement ; et - il comprend une étape d'insertion de l'enroulement dans une enveloppe cylindrique. Selon encore un autre aspect, l'invention porte sur une ligne d'échappement comportant un échangeur de chaleur ayant les caractéristiques ci-dessus, le second passage de circulation étant raccordé fluidiquement à un conduit de circulation des gaz d'échappement, et le premier passage étant intercalé dans un circuit de récupération de chaleur dans lequel circule un fluide caloporteur. 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, éclatée, de certains éléments de l'échangeur de chaleur de l'invention, avant enroulement ; - la figure 2 est une vue latérale des tôles et de la feuille définissant les ailettes, après enroulement ; - la figure 3 est une vue latérale de l'échangeur complet ; - la figure 4 est une vue schématique de dessus de l'échangeur de chaleur de la figure 3 ; - la figure 5 est un diagramme d'étape du procédé de fabrication de l'invention ; - la figure 6 est une vue agrandie d'une partie de la figure 2, montrant la déformation des tôles après mise sous pression du premier passage ; et - la figure 7 est une représentation schématique simplifiée d'une ligne d'échappement comportant l'échangeur de l'invention. L'évaporateur de chaleur représentée sur les figures est typiquement destiné à être implanté dans une ligne d'échappement de véhicule. Le véhicule est par exemple un véhicule automobile, typiquement une voiture ou un camion. Cet échangeur de chaleur est par exemple un évaporateur pour un circuit de type Rankine. Les gaz d'échappement circulent d'un premier côté de l'évaporateur. Un fluide caloporteur circule d'un second côté de l'échangeur de chaleur, les gaz d'échappement cédant une partie de leur énergie calorifique au fluide caloporteur en traversant l'évaporateur. Le fluide caloporteur peut être de tout type : eau, mélange eau éthanol, fluide réfrigérant du type R134 ou R245FA, ou tout autre type de fluide organique compatible avec un cycle Rankine. Ce fluide pénètre sous forme liquide dans l'échangeur de chaleur, et est évaporé par mise en contact thermique avec les gaz d'échappement. En variante, l'échangeur de chaleur n'est pas un évaporateur mais un simple échangeur de chaleur entre deux fluides. Chacun de ces fluides peut être sous forme gazeuse ou liquide.

L'échangeur de chaleur peut être utilisé non seulement sur une ligne d'échappement, mais en tout autre point d'un véhicule automobile, ou même dans toute sorte d'installation industrielle. Comme visible sur la figure 1, l'échangeur de chaleur 2 comprend : - une tôle inférieure 4 ; - une tôle supérieure 6 ; - une feuille 8 définissant des ailettes ; et - un ensemble 10 d'entretoises interposées entre la tôle inférieure 4 et la tôle supérieure 6.

Comme visible notamment sur les figures 2 et 3, la tôle inférieure 4, la tôle supérieure 6 et la feuille 8 sont superposées et forment une structure à trois couches enroulée en spirale autour d'un axe central X, formant ainsi un enroulement 12. Les premières grandes faces 14, 16 en vis-à-vis de la tôle inférieure 4 et de la tôle supérieure 6 définissent entre elles un premier passage 18 de circulation d'un premier fluide. Des secondes grandes faces 20, 22 en vis-à-vis de la tôle inférieure 4 et de la tôle supérieure 6 définissent entre elles un second passage 24 de circulation d'un second fluide, dans lequel est disposée la feuille 8. Les première et seconde grandes faces 14, 20 de la tôle inférieure sont opposées l'une à l'autre. Les première et seconde grandes faces 16, 22 de la tôle supérieure sont opposées l'une à l'autre. La tôle inférieure est par exemple en acier inoxydable comme le 316L. En variante, elle est en 1.4301 (acier austénitique) ou en 444 (acier ferritique). Elle présente une épaisseur comprise entre 0,1 et 0.4 mm, de préférence comprise entre 0,15 et 0.3 mm, et valant par exemple 0,2 mm. La tôle supérieure 6 est typiquement réalisée dans le même matériau et présente la même épaisseur que la tôle inférieure 4. Dans l'exemple représenté, les tôles inférieure 4 et supérieure 6 présentent chacune, à l'état développé, une forme rectangulaire. Elles sont délimitées chacune par deux grands côtés respectivement 26, 28, et par deux petits côtés respectivement 30, 32. En variante, les tôles inférieure et supérieure 4, 6 n'ont pas une forme rectangulaire mais toute autre forme adaptée. La structure à trois couches est enroulée de telle sorte que les petits côtés 30, 32 soient parallèles à l'axe central X, et que les grands côtés 26, 28 soient enroulés circonférentiellement autour de l'axe X.

Comme visible sur les figures, les entretoises sont disposées dans le premier passage 18 et permettent de maintenir un écartement prédéterminé entre les premières grandes faces 14, 16 des tôles inférieure et supérieure. Ces entretoises sont indépendantes des tôles inférieure et supérieure 4, 6. On entend par là que les entretoises sont des pièces distinctes des tôles inférieure et supérieure 4, 6. Elles ne sont pas venues de matière avec les tôles inférieure et supérieure 4, 6. Elles ne sont pas constituées par des reliefs ménagés dans les tôles inférieure et supérieure 4, 6, par exemple par emboutissage de ces tôles. Les entretoises sont des pièces rapportées entre les tôles inférieure et supérieure 4, 6.

Comme visible sur la figure 1, les entretoises sont des baguettes. Plus précisément, les entretoises sont des baguettes métalliques de section aplatie. On entend ici par baguette un profilé de forme allongée, de préférence de section pleine. Cette section est de faibles dimensions au regard de la longueur du profilé. Cette section est de préférence rectangulaire, mais peut-être aussi légèrement ovale ou avoir tout autre forme adaptée. Par exemple, chaque entretoise 10 présente une section sensiblement rectangulaire, de largeur comprise entre 1 et 20 mm, de préférence comprise entre 5 et 15 mm, et valant par exemple 10 mm. Chaque entretoise 10 présente une section d'épaisseur comprise entre 0,1 et 1 mm, de préférence comprise entre 0,3 et 0,7 mm et valant encore de préférence environ 0,5 mm. Les entretoises 10 sont typiquement dans le même matériau que les tôles inférieure et supérieure 4, 6. En variante, elles sont dans un matériau différent. Le fait d'utiliser des baguettes comme entretoises permet de garantir l'épaisseur du premier passage 18, sans augmenter de manière importante le coefficient de transfert thermique du premier fluide vers les tôles inférieure et supérieure 4 et 6. Les baguettes ne gênent pas l'enroulement de la structure à trois couches car elles ont une section réduite et donc une rigidité modérée. L'ensemble 10 d'entretoises comprend une entretoise périphérique 34, interposée entre les bords périphériques respectifs des tôles inférieure et supérieure 4, 6 et assurant une étanchéité entre lesdits bords périphériques. Par exemple, la tôle inférieure 4 et la tôle supérieure 6 sont soudées de manière étanche à l'entretoise périphérique 34. Dans l'exemple représenté, l'entretoise périphérique 34 comporte deux baguettes longitudinales 36 s'étendant le long des grands bords 26, 28 des tôles inférieure et supérieure, et deux baguettes transversales 38 s'étendant le long des petits bords 30, 32 des tôles inférieure et supérieure.

L'entretoise périphérique 34 constitue un cadre à contour fermé, délimitant un espace central vide. Dans l'exemple représenté, les baguettes 36, 38 sont rigidement fixées les unes aux autres, par exemple par soudage. Au sein de l'enroulement, les baguettes 38 sont parallèles à l'axe X, et les baguettes 36 sont enroulées circonférentiellement autour de l'axe X. L'ensemble 10 d'entretoises comporte encore au moins une entretoise centrale 40 s'étendant circonférentiellement sur la plus grande partie de la longueur du premier passage 18, et divisant le premier passage 18 en au moins une branche aller 42 et une branche retour 44 parallèles l'une à l'autre.

Plus précisément, le premier passage 18 présente des extrémités circonférentielles extérieure et intérieure 46, 47 situées respectivement radialement plus à l'extérieur et radialement plus à l'intérieur de l'échangeur de chaleur (voir figure 3). Au niveau de l'extrémité circonférentielle extérieure, l'entretoise centrale 40 s'étend jusqu'à l'entretoise périphérique 34 et isole ainsi la branche aller 42 et la branche retour 44 l'une de l'autre. Ceci est visible notamment sur la figure 1, qui est une vue développée des entretoises. En revanche au niveau de l'extrémité circonférentielle intérieure du premier passage, l'entretoise centrale 40 ne s'étend pas jusqu'à l'entretoise périphérique 34. Ainsi, la branche aller 42 et la branche retour 44 communiquent au niveau de l'extrémité circonférentielle intérieure 47 par une ouverture 48. Dans l'exemple représenté, l'ouverture 48 est délimitée entre une extrémité 49 de l'entretoise centrale 40 et l'entretoise périphérique. Ainsi, on aménage une circulation en U pour le premier fluide au sein du premier passage 18. De préférence, la section de passage offerte au premier fluide dans la branche aller 42 est égale à la section de passage dans la branche retour 44 et est égale à la section de passage au niveau de l'ouverture 48. Selon une variante de réalisation non représentée, l'ensemble 10 comporte deux entretoises centrales parallèles l'une à l'autre, et placées tête bêche. Une première entretoise centrale est disposée comme illustré sur la figure 1, de manière à s'étendre jusqu'à l'entretoise périphérique au niveau de l'extrémité circonférentielle extérieure 46. Elle ménage une ouverture au niveau de l'extrémité circonférentielle intérieure 47 du premier passage. Une autre entretoise centrale s'étend jusqu'à l'entretoise périphérique 34 à l'extrémité circonférentielle intérieure 47 du premier passage, mais ménage une ouverture au niveau de l'extrémité circonférentielle extérieure 46. On crée ainsi à l'intérieur du premier passage une circulation en chicanes pour le premier fluide.

Comme visible sur la figure 1, l'ensemble 10 comporte encore au moins une entretoise intermédiaire 50. La ou les entretoises intermédiaires 50 sont de préférence régulièrement réparties dans l'espace délimité intérieurement par l'entretoise périphérique 34. Elles permettent de garantir l'écartement entre la tôle inférieure 4 et la tôle inférieure 6, dans les zones de ces tôles qui ne sont pas situées à proximité de l'entretoise centrale ou de l'entretoise périphérique. Elles permettent également de rendre l'échangeur de chaleur plus rigide. Dans l'exemple représenté, l'ensemble 10 comporte une seule entretoise intermédiaire 50, ayant une forme de U. L'entretoise 50 comporte une première baguette 52 s'étendant au centre de la branche aller 42, sur la plus grande partie de la longueur circonférentielle de la branche 42. Elle comporte encore une seconde baguette 54, s'étendant sensiblement le long et au milieu de la branche retour 44, sur la plus grande partie de la longueur circonférentielle de cette branche 44. L'entretoise intermédiaire 50 comporte encore une baguette arquée 56 qui traverse l'ouverture 48. La baguette arquée 56 s'étend d'une extrémité circonférentiellement interne 58 de la première baguette 52 jusqu'à l'extrémité circonférentiellement interne 60 de la seconde baguette 54. De légères interruptions séparent les baguettes 52, 54 et la baguette arquée 56 L'entretoise intermédiaire ne contribue pas à l'obtention d'une circulation en U ou en S, car elle ne s'étend pas jusqu'à l'entretoise périphérique 34.

Par ailleurs, comme visible notamment sur la figure 1, l'échangeur de chaleur comprend une entrée 62 de premier fluide communiquant avec la branche aller 42 au niveau de l'extrémité circonférentielle extérieure 46 du premier passage, et une sortie 64 de premier fluide communiquant avec la branche retour 44 au niveau de l'extrémité circonférentielle extérieure 46.

Pour ce faire, la tôle supérieure 6 comporte des orifices d'entrée et de sortie 66, 68 débouchant respectivement dans les branches 42 et 44. L'échangeur 2 comporte par ailleurs des tubes d'entrée et de sortie 70, 72 soudés de manière étanche sur la tôle supérieure 6 et placés en coïncidence avec les orifices 66 et 68. Les orifices 66 et 68 sont situés à proximité d'un des bords 32 de la tôle supérieure.

La feuille 8 est typiquement une tôle pliée de manière à définir une pluralité de créneaux 74 constituant les ailettes, parallèles les uns aux autres. Comme visible sur la figure 1, la feuille 8 présente sensiblement la même largeur, prise selon l'axe X, que les tôles inférieure et supérieure 4 et 6. Les créneaux 74 s'étendent tous parallèlement à l'axe X.

Comme visible sur la figure 2, chaque créneau 74 présente une section sensiblement en U, considérée perpendiculairement à l'axe X. Chaque créneau 74 présente ainsi un sommet plat 76, prolongé par deux flancs 78. Deux créneaux 74 voisins sont raccordés l'un à l'autre par un fond sensiblement plat 80. Le fond 80 raccorde l'un à l'autre les flancs 78 en vis-à-vis des deux créneaux voisins. Le sommet 76 et le fond 80 sont d'orientation sensiblement circonférentielle, et les flancs 78 d'orientation sensiblement radiale par rapport à l'axe X. La feuille 8, avant enroulement, est placée sous la tôle inférieure, de telle sorte que les sommets 76 des créneaux soient plaqués contre la tôle inférieure 4. Ainsi, après enroulement, les fonds 80 de la feuille sont plaqués contre la tôle supérieure 6. Plus précisément, pour chaque tour de la structure à trois couches, les sommets 76 des créneaux sont plaqués contre la tôle inférieure 4 du même tour, et les fonds 80 sont plaqués contre la tôle supérieure 6 du tour précédent, c'est-à-dire du tour radialement immédiatement plus à l'intérieur. Comme visible sur la figure 3, la feuille 8 présente circonférentiellement une longueur supérieure à celle des tôles inférieure et supérieure 4 et 6. Elle effectue un tour supplémentaire. La feuille 8 est typiquement en acier inoxydable de type austénitique type 316L. En variante, elle est en aluminium ou en 1.4301 (acier austénitique) ou en 444 (acier ferritique). Elle est réalisée à partir d'une tôle de 0,2 mm d'épaisseur. Les créneaux ont par exemple une hauteur comprise entre 2.5 et 10 mm, et valant par exemple 3,7 mm.

Les créneaux sont disposés circonférentiellement avec un pas régulier, par exemple un pas compris entre 1,5 et 5 mm, et valant typiquement 3,2 mm. Comme visible sur la figure 3, l'échangeur de chaleur 2 comporte un tube interne 82 autour duquel est effectué l'enroulement de la structure à trois couches. Le tube interne 82 est sensiblement coaxial à l'axe X.

Dans un exemple de réalisation, le tube interne 82 est une tôle roulée, avec un léger recouvrement des deux bords 84, 86 de ladite tôle. Les bords 84 et 86 délimitent la feuille parallèlement à l'axe X et sont rigidement fixés l'un à l'autre. Avantageusement, une cale 88 est interposée radialement entre les bords 84 et 86. On crée ainsi le long du bord 86 une marche d'une hauteur correspondant sensiblement à l'épaisseur cumulée de la feuille 8, des tôles 4, 6 et l'ensemble d'entretoises 10. La tôle supérieure 6 présente une surlongueur 90 qui s'étend circonférentiellement légèrement au-delà de la feuille 8, sur par exemple 10 millimètres (mm). Cette surlongueur 90 est rigidement fixée au tube central 82, et plus précisément au bord 86. La feuille 8, la tôle inférieure 4 et l'entretoise 34 sont en butée contre le bord 86 et contre la cale 88.

Au niveau du premier tour de la structure à trois couches, c'est-à-dire du tour situé radialement le plus à l'intérieur, les fonds 80 sont en appui contre le tube interne 82. Le tube central 82 présente un diamètre moyen qui vaut par exemple 40 mm. Comme le montre également la figure 3, l'échangeur 2 comporte une enveloppe externe cylindrique 92 dans laquelle est enserré l'enroulement 12. L'enveloppe externe 92 est coaxiale à l'axe X. Dans l'exemple de réalisation de la figure 3, cette enveloppe est réalisée à partir d'une tôle roulée autour de l'axe X. Elle présente ainsi deux bords parallèles à l'axe X 94, 96, qui se recouvrent et qui sont rigidement fixés l'un à l'autre. Dans l'exemple représenté, le bord 94 est plié vers l'intérieur de l'échangeur. Le bord 96 est plié vers l'extérieur. Le bord 94 est placé au- dessus du bord 96, c'est-à-dire radialement vers l'extérieur par rapport au bord 96. On constitue ainsi le long du bord 96 une marche dont la hauteur correspond à trois fois l'épaisseur de la tôle. Cette marche est de hauteur sensiblement correspondant à l'épaisseur cumulée de la feuille 8, des tôles supérieure et inférieure 4 et 6 et des entretoises. Il est à noter que, le long du dernier tour de la feuille 8, c'est-à-dire du tour situé radialement le plus à l'extérieur de l'enroulement, les sommets plats 76 sont en appui contre la surface interne de l'enveloppe 92. L'agencement représenté sur la figure 3 présente l'avantage qu'il est possible d'enrouler en spirale la structure à trois couches, avec une pression sensiblement uniforme en tout point de l'enroulement. En l'absence de marche au niveau du tube interne et de l'enveloppe externe, les deux extrémités circonférentielles de la structure à trois couches subiraient une compression plus importante et une déformation. Cette déformation pourrait entraîner l'apparition de points chauds lors de l'utilisation de l'échangeur de chaleur. La déformation pourrait endommager irréversiblement les tôles, ce qui créerait des fuites. Comme visible sur la figure 4, l'enveloppe externe 92 comporte avantageusement deux parties cylindriques 98, 100. Les parties 98, 100 sont en contact l'une contre l'autre par leurs tranches respectives, le plan de contact étant sensiblement perpendiculaire à l'axe X. Les parties cylindriques 98 et 100 sont soudées l'une à l'autre de manière étanche. Chacune des deux parties cylindriques 98, 100 est délimitée vers l'autre partie cylindrique par un bord circonférentiel dans lequel est ménagée une échancrure, respectivement 102, 104. Les tubes d'entrée et de sortie 70, 72 sortent de l'enveloppe externe 92 respectivement par l'échancrure 102 et par l'échancrure 104. L'espace séparant les tubes 70, 72 des bords des échancrures 102, 104 est obturé et rendu étanche par tout moyen approprié.

Le procédé de fabrication de l'échangeur de chaleur va maintenant être détaillé, en référence aux figures 5 et 6. Le procédé comporte au moins les étapes suivantes : - de préférence souder les tubes d'entrée et de sortie 70, 72 sur la tôle supérieure 6 (étape 110) ; - superposer la tôle inférieure 4, l'ensemble d'entretoises 10 et la tôle supérieure 6 (étape 112) ; - de préférence souder les tôles inférieure 4 et supérieure 6 aux entretoises (étape 114); - superposer la feuille 8 aux tôles inférieure et supérieure 4 et 6 (étape 116) ; - enrouler la structure à trois couches en spirale autour de l'axe central X (étape 118) ; - placer de préférence l'enroulement dans l'enveloppe externe cylindrique 92 (étape 120) ; - mettre sous pression le premier passage pour plaquer la tôle supérieure contre la feuille 8 (étape 122); - obturer de préférence le tube central (étape 124). Typiquement, les orifices 66 et 68 sont déjà réalisés dans la tôle supérieure, avant le démarrage de l'étape 110.

A l'étape 114, les tôles inférieure et supérieure 4 et 6 sont soudées chacune sur toutes les entretoises. La soudure permet de réaliser une étanchéité entre les tôles inférieure et supérieure 4 et 6 et l'entretoise périphérique 34. L'entretoise centrale 40 est d'abord bloquée en position sur la tôle 4 par des points de soudure. Puis, une fois que la tôle 6 est posée, les tôles 4 et 6 et l'entretoise centrale 40 sont soudées ensemble de manière étanche. L'entretoise 50 est soudé de la même façon, sauf qu'il n'est pas nécessaire de la souder continument sur toute sa longueur. Il est possible de se procurer la feuille 8 avec les ailettes déjà formées. En variante, le procédé comporte une étape consistant à former les ailettes, notamment les créneaux 74, à partir d'une feuille plane.

Au cours de l'étape 116, la feuille 8 est plaquée contre la tôle inférieure 4, et est rigidement fixée à celle-ci. Plus précisément, une extrémité 126 de la feuille 8, destinée à être placée radialement le plus à l'intérieur de l'échangeur, est fixée par quelques points de soudure sur une extrémité de la tôle inférieure 4 située à l'opposé des entrée et sortie 62, 64. L'extrémité 126 de la feuille 8 est légèrement décalée vers les entrée et sortie 62 et 64 de manière à créer la surlongueur 90, le long de laquelle la tôle inférieure 4 n'est pas recouverte par la feuille 8.

En variante, la feuille 8 n'est pas rigidement fixée à la tôle 4. Pour réaliser l'étape d'enroulement 118, on se procure d'abord le tube interne 82 et on fixe la surlongueur 90 au tube interne 82. La structure à trois couches est ensuite enroulée circonférentiellement autour du tube interne.

A l'étape 120, les deux parties cylindriques 98, 100 de l'enveloppe externe sont placées autour de l'enroulement. Elles sont mises en place en faisant glisser axialement chacune des parties autour de l'enroulement 12. Les parties 98, 100 sont orientées angulairement autour de l'axe X de manière à ce que les tubes 70, 72 s'engagent dans les encoches 102, 104.

En variante, l'enveloppe externe 92 est roulée autour de l'enroulement 12 et les bords 94, 96 sont ensuite soudés l'un à l'autre. Dans ce cas, l'enveloppe 92 n'est pas constituée de deux parties 98, 100 mais est d'une pièce. Lors de l'étape d'enroulement 118, il se produit une déformation des tôles inférieure et supérieure 4 et 6.

L'écartement radial entre les secondes grandes faces 20, 22 est maintenu au cours de l'enroulement, du fait de la rigidité de la feuille 8. La section libre du second passage 24 est ainsi conservée. La tôle inférieure 4 est en appui sur la feuille 8, notamment sur les créneaux 74, et adopte donc une forme régulière en spirale. Ceci n'est en revanche pas vrai pour la tôle supérieure 6. Certaines zones de la tôle supérieure 6 sont en appui sur les entretoises, et vont adopter une forme en spirale. En revanche, les zones de la tôle supérieure 6 qui ne sont pas en appui sur une entretoise vont venir en appui sur la tôle inférieure 4. Ceci est dû notamment au fait que les tôles sont fines. L'étape 122 de mise en surpression du premier passage permet la mise en place définitive de la tôle supérieure 4, contre les ailettes du tour suivant. Pour ce faire, le premier passage est maintenu à une pression interne relativement élevée, de plusieurs dizaines de bars. Par exemple, pour des tôles inférieure et supérieure de 0,2 mm d'épaisseur, la pression est de l'ordre de 35 bars. Cette pression a pour effet de décoller la tôle supérieure 6 de la tôle inférieure 4 et de plaquer la tôle supérieure 6 contre les ailettes situées immédiatement au-dessus. Ceci a pour effet également de solliciter la tôle inférieure fortement contre les ailettes du même tour. Comme visible sur la figure 6, certaines zones 128 de la tôle supérieure 6 viennent alors en contact avec les fonds 80 raccordant les créneaux 74 entre eux.

D'autres zones 130 de la tôle supérieure 6 sont situées au droit des créneaux 74, entre les ailes 78. Les zones 130 vont adopter une forme concave, pénétrant légèrement dans le volume interne des créneaux 74. Une déformation similaire est observée au niveau de la tôle inférieure 4. Certaines zones 132 sont sollicitées lors de la mise en pression contre les sommets 76 des créneaux. D'autres zones 134, situées entre deux sommets 76 vont adopter une forme concave, et pénétrer légèrement dans l'espace libre séparant deux créneaux 74. En d'autres termes, il y a déformation des tôles inférieure et supérieure 4 et 6 de telle sorte que la tôle supérieure épouse la base des créneaux, et que la tôle inférieure épouse le sommet des créneaux. Ces déformations permettent de bloquer les ailettes en position, et d'empêcher tout glissement des ailettes par rapport aux tôles inférieure et supérieure. A l'étape 124, le tube central 82 est obturé intérieurement. Ceci permet de forcer le second fluide à circuler axialement entre les ailettes, dans le second passage.

L'échangeur de chaleur 2 est par exemple utilisé dans une ligne d'échappement, comme illustré sur la figure 7. Le second passage de circulation est raccordé fluidiquement à un conduit de circulation des gaz d'échappement. Le premier passage est intercalé dans un circuit de récupération de chaleur dans lequel circule un fluide caloporteur. L'échangeur de chaleur 2 fonctionne en évaporateur.

Un divergent 136 raccorde l'enveloppe externe 92 à un conduit 138 d'amenée de gaz d'échappement. Ce conduit 138 est raccordé à un collecteur non représenté, qui capte les gaz d'échappement sortant des chambres de combustion du moteur. Un convergent 140 raccorde l'enveloppe externe 92 à un conduit 142 d'évacuation des gaz d'échappement. Le conduit 142 est raccordé à une canule de relarguage des gaz d'échappement dans l'atmosphère (non représentée), avec interposition d'un ou plusieurs organes de purification des gaz d'échappement. L'échangeur de chaleur 2 est délimité radialement vers l'extérieur par l'enveloppe externe, et est délimité axialement par deux grandes faces 144, 146, sensiblement perpendiculaires à l'axe X. Le second passage 24 est ouvert au niveau des deux grandes faces 144, 146. Le divergent 136 couvre la face 144, et distribue les gaz d'échappement arrivant du conduit 138 sur toute la grande face 144. Inversement, le convergent 140 couvre la grande face 146 et capte les gaz d'échappement sortant du second passage 24. Les gaz d'échappement circulent axialement à travers l'échangeur de chaleur, dans les différents canaux créés par les ailettes. Les gaz d'échappement cèdent une première partie de leur énergie thermique au premier fluide à travers la tôle inférieure et la tôle supérieure, et une seconde partie aux ailettes définies par la feuille 8. Les ailettes transfèrent cette seconde partie aux tôles inférieure et supérieure 4 et 6 par conduction. L'échangeur 2 est par ailleurs raccordé à un circuit 148 de récupération de chaleur. Ce circuit comporte un organe de circulation, tel qu'une pompe 150, qui force le premier fluide vers l'entrée 62. Il comporte également un organe d'expansion 151, par exemple une turbine, dans lequel la vapeur sortant de l'échangeur de chaleur 2 par la sortie 64 est détendue jusqu'à une basse pression. Le circuit 148 comporte encore un condenseur 152, intercalé entre la sortie de l'organe d'expansion 151 et l'aspiration de la pompe 150.

Le premier fluide injecté dans l'échangeur de chaleur par l'entrée 62 parcourt la branche aller 42 circonférentiellement depuis l'extrémité circonférentielle extérieure 46 jusqu'à l'extrémité circonférentielle intérieure 47, traverse l'ouverture 48 et parcourt la branche retour 44 en sens inverse, circonférentiellement depuis l'extrémité circonférentielle intérieure 47 jusqu'à l'extrémité circonférentielle extérieure 46. Il quitte l'échangeur de chaleur par la sortie 64. Du fait de la présence des ailettes dans le second passage 24, le coefficient d'échange entre les gaz d'échappement et les tôles inférieure et supérieure est considérablement augmenté. En l'absence d'ailette, il est de l'ordre de 150 Watts/m2 Kelvin. En revanche, du côté du premier fluide, ce coefficient d'échange est de l'ordre de 1000 Watts/m2 Kelvin quand le fluide est à l'état liquide, 10 000 à 15 000 Watts/m2 Kelvin pendant l'évaporation du premier fluide, et d'environ 400 Watts/ m2 Kelvin pour de la vapeur surchauffée à 35 bars (cas d'un mélange eau, éthanol 70 -30%). La présence d'ailettes permet de rapprocher le coefficient d'échange côté gaz d'échappement du coefficient d'échange côté fluide. Ainsi, l'efficacité de l'échangeur de chaleur est beaucoup plus grande, notamment lorsque celui-ci fonctionne en évaporateur. Par ailleurs, la fabrication de cet échangeur de chaleur est facilitée. Notamment, les tôles inférieure et supérieure ne sont pas embouties. L'assemblage des différents éléments de l'échangeur de chaleur est simple, notamment du fait que les ailettes ne sont pas brasées sur la plaque inférieure 4 ou la plaque supérieure 6.

Enfin, l'échangeur comprend essentiellement des tôles minces, et est donc particulièrement léger. Il présente une faible inertie thermique. En variante, les ailettes sont brasées aux tôles inférieure et supérieure 4 et 6. Pour ce faire, on place par tout moyen approprié des bandes de métal d'apport entre les sommets 76 des créneaux et la tôle inférieure, et entres les fonds 80 et la tôle supérieure.

Après l'étape 122 de mise en pression, on place l'échangeur de chaleur dans un four, le premier passage étant maintenu en surpression par un gaz inerte (par exemple le l'azote, ou tout autre gaz inerte). Ce gaz est sous une pression suffisante pour plaquer les tôles 4 et 6 sur les ailettes durant l'opérations de brasage. La brasure utilisée est à base de nickel avec une température de fusion de 1100°C environ.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS1.- Echangeur de chaleur (2) comprenant : - une tôle inférieure (4); - une tôle supérieure (6); - une feuille (8) définissant des ailettes ; la tôle inférieure (4), la tôle supérieure (6) et la feuille (8) étant superposées et formant une structure à trois couches enroulée en spirale autour d'un axe central (X) et définissant un enroulement (12), des premières grandes faces (14, 16) en vis-à-vis de la tôle inférieure (4) et de la tôle supérieure (6) définissant entre elles un premier passage (18) de circulation d'un premier fluide, des secondes grandes faces (20, 22) en vis-à-à-vis de la tôle inférieure (4) et de la tôle supérieure (6) définissant entre elles un second passage (24) de circulation d'un second fluide dans lequel est disposée la feuille (8); caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (2) comprend un ensemble (10) d'entretoises, disposées dans le premier passage (18), ces entretoises étant des baguettes indépendantes des tôles inférieure et supérieure (4, 6).
2. 2.- Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble (10) d'entretoises comprend une entretoise périphérique (34), interposée entre des bords périphériques (34) respectifs des tôles inférieure (4) et supérieure (6) et assurant une étanchéité entre lesdits bords périphériques.
3. 3.- Echangeur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier passage (18) présente des extrémités circonférentielles extérieure et intérieure (46, 48) situées respectivement radialement plus à l'extérieur et radialement plus à l'intérieur de l'échangeur de chaleur (2), l'ensemble (10) d'entretoises comprenant au moins une entretoise centrale (40) s'étendant circonférentiellement sur la plus grande partie de la longueur du premier passage (18) et divisant le premier passage (18) en une branche aller (42) et une branche retour (44) parallèles l'une à l'autre et communiquant l'une avec l'autre au niveau de l'extrémité intérieure (48), de préférence seulement au niveau de l'extrémité intérieure (48).
4. 4.- Echangeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'échangeur comprend une entrée (62) de premier fluide communiquant avec la branche aller (42) au niveau de l'extrémité circonférentielle extérieure (46) et une sortie (64) de premier fluide communiquant avec la branche retour (44) au niveau de l'extrémité circonférentielle extérieure (46).
5. 5.- Echangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur (2) comprend une enveloppe externe (92) cylindrique dans laquelle est inséré l'enroulement (12).
6. 6.- Echangeur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les tôles inférieure et supérieure (4, 6) forment un nombre de tour déterminé autour de l'axe central (X), la feuille (8) formant un tour de plus que les tôles inférieure et supérieure (4, 6), ledit tour de plus étant interposé entre la tôle supérieure (6) et l'enveloppe externe (92).
7. 7.- Echangeur selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l'échangeur (2) comprend un tube interne (82) autour duquel est enroulé la structure à trois couches, le tube interne (82) étant une tôle roulée avec superposition de deux bords axiaux (84, 86) de ladite tôle roulée, et/ou l'enveloppe externe (92) étant une tôle roulée avec superposition de deux bords axiaux (94, 96) de ladite tôle roulée.
8. 8.- Echangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la feuille (8) définissant les ailettes est en une tôle pliée en créneaux (74), lesdits créneaux constituant les ailettes.
9. 9.- Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, le procédé comportant les étapes suivantes : - formation de la structure à trois couches en superposant la tôle inférieure (4), la tôle supérieure (6) et la feuille (8), avec interposition de l'ensemble (10) d'entretoises dans le premier passage (18) entre les tôles inférieure et supérieure (4, 6); - enroulement de la structure à trois couches en spirale autour de l'axe central (X).
10. 10.- Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de mise sous pression du premier passage (18) pour plaquer la tôle supérieure (6) contre la feuille (8), effectuée après l'étape d'enroulement.
11. 11.- Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de fixation d'un tube d'entrée (70) de premier fluide et d'un tube de sortie (72) de premier fluide sur la tôle supérieure (6), effectuée avant l'étape de formation et l'étape d'enroulement.
12. 12.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'insertion de l'enroulement (12) dans une enveloppe cylindrique (92).