FR3020869A1 - Echangeur de chaleur, ligne d'echappement comportant un tel echangeur, procede de fabrication et procede d'exploitation de chaleur correspondants - Google Patents

Abstract

L'échangeur de chaleur (1) en spirale comprend un second passage (17) agencé de telle sorte que le second fluide caloporteur circule à partir de l'entrée (29) d'abord dans au moins un premier tronçon circonférentiel (33) disposé à proximité de la première extrémité axiale (25), puis dans une pluralité de seconds tronçons circonférentiels (35) décalés vers la seconde extrémité axiale (27) par rapport au premier tronçon circonférentiel (33), le second fluide progressant axialement à contre-courant du premier fluide vers la première extrémité axiale (25) en passant d'un second tronçon circonférentiel (35) au suivant.

Description

Echangeur de chaleur, ligne d'échappement comportant un tel échangeur, procédé de fabrication et procédé d'exploitation de chaleur correspondants L'invention concerne en générale les échangeurs en spirale, notamment les échangeurs de chaleur en spirale destinés à être intercalés dans une ligne d'échappement de véhicule. Plus précisément, l'invention concerne selon un premier aspect un échangeur de chaleur en spirale, du type comprenant une plaque inférieure et une plaque supérieure superposées l'une à l'autre et roulées en spirale autour d'un axe d'enroulement, des premières grandes faces respectives des plaques inférieure et supérieure délimitant entre elles un premier passage de circulation d'un premier fluide, des secondes grandes faces respectives des plaques inférieure et supérieure opposées aux premières grandes faces délimitant entre elles un second passage de circulation d'un second fluide, le premier passage étant agencé pour que le premier fluide circule axialement depuis une première extrémité axiale de l'échangeur de chaleur jusqu'à une seconde extrémité axiale de l'échangeur de chaleur opposée à la première ; le second passage étant agencé pour que le second fluide circule à partir d'une entrée jusqu'à une sortie, le second passage comprenant une pluralité de tronçons sensiblement circonférentiels raccordés fluidiquement entre eux et répartis axialement le long de l'échangeur. Un tel échangeur de chaleur est connu de FR 2 982 662. Il est décrit comme étant intercalé dans une ligne d'échappement. Les gaz d'échappement constituent le premier fluide, et circulent axialement depuis la première extrémité de l'échangeur de chaleur jusqu'à la seconde extrémité.

L'échangeur de chaleur fonctionne en évaporateur. Le second fluide, à l'entrée du second passage, est à l'état liquide. Il est évaporé dans l'échangeur de chaleur, par la chaleur cédée par les gaz d'échappement. A la sortie du second passage, le second fluide est à l'état de vapeur surchauffée. Dans FR 2 982 662, l'entrée du second passage est située à proximité de la seconde extrémité axiale et la sortie à proximité de la première extrémité axiale. Le second fluide progresse, à partir de la sortie, axialement à contre courant des gaz d'échappement en passant d'un tronçon circonférentiel au suivant. La température des gaz d'échappement arrivant à la première extrémité axiale de l'échangeur de chaleur varie considérablement, en fonction du régime moteur. On a constaté qu'il était difficile de gérer la température du second fluide à la sortie du second passage, quand les gaz d'échappement arrivent à des températures élevées.

Typiquement, une augmentation de la température des gaz d'échappement est gérée en augmentant le débit du second fluide à l'intérieur de l'échangeur de chaleur. Toutefois, on observe qu'un emballement de la température du second fluide peut se produire très rapidement, alors que l'effet d'une augmentation du débit de second fluide est beaucoup plus lent. De plus, une telle augmentation de débit, quand elle est n'est pas bien maîtrisée, peut conduire à noyer l'évaporateur, de telle sorte que le titre de la vapeur à la sortie de l'échangeur de chaleur devient inférieur à 1. Dans ce contexte, l'invention vise à proposer un échangeur de chaleur en spirale dans lequel la température du second fluide en sortie du second passage soit plus facile à maîtriser. A cette fin, l'invention porte sur un échangeur de chaleur en spirale du type précité, caractérisé en ce que le second passage est agencé de telle sorte que le second fluide circule à partir de l'entrée d'abord dans au moins un premier tronçon circonférentiel disposé à proximité de la première extrémité axiale, puis dans une pluralité de seconds tronçons circonférentiels décalés vers la seconde extrémité axiale par rapport au premier tronçon circonférentiel, le second fluide progressant axialement à contre courant du premier fluide vers la première extrémité axiale en passant d'un second tronçon circonférentiel au suivant. Ainsi, le second fluide à l'entrée de l'échangeur de chaleur circule d'abord au contact du premier fluide entrant dans l'échangeur de chaleur. Le premier fluide présente à ce point une température élevée, qui va être abaissée considérablement du fait de la chaleur cédée au second fluide circulant dans le premier tronçon circonférentiel. Le second fluide, dans les seconds tronçons circonférentiels, est en contact thermique avec le premier fluide, celui-ci étant à une température modérée du fait de la chaleur déjà cédée au niveau du premier tronçon circonférentiel. Du fait que le second fluide progresse axialement à contre-courant du premier fluide vers la première extrémité axiale en passant d'un second tronçon circonférentiel au suivant, la montée en température du second fluide est rapide au démarrage de l'échangeur de chaleur. Elle est notamment beaucoup plus rapide que si le second fluide progressait à co-courant du premier fluide en passant d'un second tronçon circonférentiel au suivant. En revanche, on évite les phénomènes d'emballement de la température du second fluide à la sortie du second passage, en cas d'augmentation brutale de la température du premier fluide à l'entrée de l'échangeur de chaleur.

En effet, le fait que le premier fluide circule initialement au contact du premier tronçon circonférentiel, où se trouve le second fluide le plus froid, fait que l'augmentation brutale de température du premier fluide est considérablement atténuée quand le premier fluide arrive au contact des zones du second passage où le second fluide est le plus chaud. Ces zones sont par exemple constituées par les seconds tronçons circonférentiels les plus proches de la première extrémité.

En l'absence du premier tronçon circonférentiel, le premier fluide, entrant dans l'échangeur de chaleur à sa température maximale, échangerait directement avec les derniers seconds tronçons, circonférentiels contenant le second fluide le plus chaud. Une augmentation brutale de la température du premier fluide aurait en conséquence un impact direct sur la température du second fluide sortant du second passage.

Ainsi, dans l'invention, on obtient une production de second fluide très robuste, au sens où il est plus facile de maintenir la température du second fluide à la sortie de l'échangeur de chaleur dans une fourchette de température étroite, même quand le débit et/ou la température du premier fluide varient considérablement à l'entrée de l'échangeur de chaleur.

Il est à noter que l'effet d'une augmentation du débit de second fluide, par exemple pour compenser une augmentation brutale de la température de premier fluide à l'entrée de l'échangeur de chaleur, est très rapide. En effet, cette augmentation de débit se fait sentir immédiatement dans le premier tronçon circonférentiel, qui est exposé au premier fluide entrant dans l'échangeur de chaleur.

L'échangeur de chaleur de l'invention permet donc réduire rapidement la température du premier fluide entrant dans l'échangeur de chaleur, tout en gardant un gradient de température suffisant entre le premier fluide et le second fluide du fait que le second fluide progresse à contre courant d'un second tronçon circonférentiel à un autre. L'échangeur de chaleur peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - le second fluide circule à partir de l'entrée d'abord dans une pluralité de premiers tronçons circonférentiels disposés à proximité de la première extrémité axiale, le second fluide progressant axialement à co-courant du premier fluide vers la seconde extrémité axiale en passant d'un premier tronçon circonférentiel au suivant ; - l'entrée et la sortie sont situées à proximité de la première extrémité axiale ; - l'entrée débouche directement dans le tronçon circonférentiel le plus proche de la première extrémité axiale ; - la spirale comporte une pluralité de spires, le second passage comportant une pluralité de troisièmes tronçons circonférentiels raccordés fluidiquement entre eux et placés en aval des seconds tronçons circonférentiels, les troisièmes tronçons circonférentiels étant disposés dans la spire radialement la plus extérieure de la spirale ; - le second fluide progresse axialement à co-courant du premier fluide vers la seconde extrémité axiale en passant d'un troisième tronçon circonférentiel au suivant ; et - les plaques supérieure et/ou inférieure comportent des zones en creux définissant au moins les tronçons circonférentiels du second passage. Selon un second aspect, l'invention porte sur une ligne d'échappement de véhicule, comprenant un échangeur de chaleur ayant les caractéristiques ci-dessus, le premier passage étant raccordé fluidiquement à un conduit de circulation des gaz d'échappement, le second passage étant raccordé fluidiquement à un circuit de récupération de chaleur, de préférence à un cycle Rankine. Selon un troisième aspect, l'invention porte sur un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur ayant les caractéristiques ci-dessous : - mettre en forme les plaques supérieure et inférieure de manière à obtenir des zones en creux ; - superposer les plaques inférieure et supérieure de manière à ce que les zones en creux définissent au moins les tronçons circonférentiels du second passage ; - souder ou braser les plaques supérieure et inférieure l'une à l'autre de manière à séparer les tronçons circonférentiels du second passage les uns des autres de manière étanche ; - rouler les plaques supérieure et inférieure en spirale. Selon un quatrième aspect, l'invention porte sur un procédé d'exploitation d'un échangeur de chaleur ayant les caractéristiques ci-dessous : - faire circuler le premier fluide dans le premier passage de la première extrémité axiale vers la seconde extrémité axiale de l'échangeur de chaleur ; - faire circuler le second fluide dans le second passage, le premier fluide étant à l'état liquide à l'entrée du second passage, le second fluide étant vaporisé dans l'échangeur de chaleur et sortant par la sortie à l'état de vapeur. 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 échangeur de chaleur selon l'invention ; - la figure 2 est une vue axiale de l'échangeur de chaleur de la figure 1, avec son tube interne et son enveloppe externe ; - la figure 3 est une vue en perspective des plaques inférieure et supérieure de l'échangeur de chaleur de l'invention, avant assemblage ; - la figure 4 est une vue de dessus des plaques supérieure et inférieure de l'échangeur de chaleur, à l'état déroulé ; - la figure 5 est une vue similaire à celle de la figure 4, pour une première variante de réalisation de l'invention ; - la figure 6 est une vue similaire à celle de la figure 4, pour une second variante de réalisation de l'invention ; et - la figure 7 est une vue partielle d'une ligne d'échappement incorporant l'échangeur de chaleur de la figure 1. L'échangeur de chaleur représenté sur la figure 1 est un évaporateur, destiné à être inséré dans une ligne d'échappement de véhicule. Toutefois, cet échangeur de chaleur pourrait ne pas être un évaporateur, et être un simple échangeur de chaleur entre deux fluides, les fluides ne changeant pas d'état.

Le véhicule est typiquement un véhicule automobile, par exemple une voiture ou un camion. En variante, l'échangeur de chaleur peut être utilisé dans toute sorte d'installation industrielle, dans des installations de conditionnement d'air ou pour tout autre application adaptée.

Comme le montrent les figures 1 à 3, l'échangeur de chaleur en spirale 1 comprend une plaque inférieure 3 et une plaque supérieure 5 superposées l'une à l'autre et roulées en spirale autour d'un axe d'enroulement X, des premières grandes faces respectives 7, 9 des plaques inférieure et supérieure délimitant entre elles un premier passage 11 de circulation d'un premier fluide, des secondes grandes faces respectives 13, 15 des plaques inférieures et supérieures opposées aux premières grandes faces 7, 9 délimitant entre elles un second passage de circulation 17 d'un second fluide. Les plaques inférieure et supérieure 3, 5 sont représentées sur la figure 3. Elles présentent typiquement une forme rectangulaire, à l'état développé. Elles sont chacune délimitées par deux bords latéraux 19, parallèles l'un à l'autre, un bord transversal externe 21 et un bord transversal interne 23. Les bords transversaux interne et externe 21, 23 sont parallèles l'un à l'autre et sont également parallèles à l'axe d'enroulement. A l'état enroulé, le bord transversal externe 21 est situé radialement à l'extérieur de l'échangeur de chaleur, et le bord transversal 23 est situé radialement à l'intérieur de l'échangeur. Les bords 19 sont enroulés en spirale autour de l'axe d'enroulement.

Dans l'exemple représenté, les bords 19, 21, 23 sont droits. En variante, les plaques ne sont pas rectangulaires et ont toutes autres formes adaptées, les bords n'étant pas nécessairement droits. La plaque inférieure 3 et la plaque supérieure 5 sont superposées de telle sorte que, à l'état développé, les secondes grandes faces 13, 15 soient en vis-à-vis. Les plaques inférieure et supérieure 3 et 5, une fois enroulées, forment plusieurs spires autour de l'axe d'enroulement X. Les plaques supérieure et inférieure 3 et 5 d'une même spire définissent entre elles un tour du second passage 17. Au contraire, le premier passage 11 est défini entre la plaque inférieure 3 de ladite spire et la plaque supérieure 5 de la spire radialement inférieure. Le premier passage 11 est agencé pour que le premier fluide circule axialement depuis une première extrémité axiale 25 de l'échangeur de chaleur jusqu'à une seconde extrémité axiale 27 de l'échangeur de chaleur opposée à la première. Les première et seconde extrémités axiales 25, 27 de l'échangeur sont définies par les bords latéraux 19 des plaques. Dans l'exemple représenté, le premier passage 11 est ouvert aux deux extrémités axiales 25, 27. Plus précisément, le bord latéral 19 de la plaque inférieure 3, au niveau d'une spire donnée, est écarté du bord latéral 19 de la plaque supérieure 5 située à la spire immédiatement inférieure.

La situation est la même à la seconde extrémité axiale. Le bord 19 d'une spire donnée de la plaque inférieure 3 est écarté du bord 19 de la plaque supérieure 5 située à la spire immédiatement inférieure. Les bords 19 des plaques 3 et 5 définissent donc au niveau de la première extrémité 25 un interstice en spirale constituant l'entrée du premier fluide. Les bords 19 des plaques inférieure et supérieure 3 et 5 définissent également au niveau de la seconde extrémité 27 un interstice en spirale constituant la sortie du premier fluide. Le premier fluide traverse l'échangeur 1 suivant une circulation essentiellement axiale, depuis ladite entrée jusqu'à ladite sortie. En variante, la circulation du premier fluide n'est pas rigoureusement axiale mais peut être à la fois axiale et circonférentielle. Selon une autre variante, le premier passage peut comporter des tronçons axiaux et/ou inclinés par rapport à l'axe d'enroulement, et des tronçons circonférentiels. Le second passage est agencé pour que le second fluide circule à partir d'une entrée 29 de second fluide jusqu'à une sortie 31 de second fluide, le second passage 17 comprenant une pluralité de tronçons sensiblement circonférentiels 33, 35 raccordés fluidiquement entre eux et répartie axialement le long de l'échangeur.

Les tronçons circonférentiels 33, 35 sont raccordés les uns aux autres par des tronçons de liaison 37, 38. Comme visible sur les figures 1 et 2, à l'état développé, les tronçons circonférentiels 33, 35 s'étendent sensiblement parallèlement aux bords latéraux 19.

A l'état enroulé, les tronçons circonférentiels 33, 35 s'étendent en spirale autour de l'axe d'enroulement X. Ils sont sensiblement parallèles entre eux. En variante, les tronçons circonférentiels ne sont pas rigoureusement circonférentiels. Tout ou partie de ces tronçons peuvent, à l'état développé, être inclinés par rapport aux bords latéraux 19. Les tronçons 33, 35 peuvent encore comporter de courtes portions parallèles à l'axe d'enroulement. Dans l'exemple représenté sur les figures, les plaques supérieure et/ou inférieure 3, 5 comportent des zones en creux 39 (figure 3) définissant au moins les tronçons circonférentiels 33, 35 du second passage. Typiquement, les zones en creux 39 définissent également les tronçons de liaison 37, 38.

Les zones en creux 39 sont concaves vers les secondes grandes faces respectives 13, 15, et convexes vers les premières grandes faces 7, 9. Typiquement, ces zones en creux sont obtenues par emboutissage ou par tout autre procédé permettant de mettre en forme les plaques inférieure et supérieure. Les zones en creux 39 des deux plaques se superposent l'une à l'autre de manière à définir le parcours du second passage. Les zones en creux 39 des plaques inférieure et supérieure 3, 5 sont par exemple symétriques l'une de l'autre par rapport au plan de contact entre les deux plaques. En variante, elles ne sont pas exactement symétriques, comme décrit par exemple dans FR 2 982 662. Les plaques inférieure et supérieure 3, 5 sont soudées l'une à l'autre le long de lignes de soudure étanches 41, 43, représentées sur la figure 4. La ligne 41 est une ligne de soudure périphérique, solidarisant l'un à l'autre les bords périphériques respectifs des plaques inférieure et supérieure 3, 5. Les lignes de soudure 43 séparent les différents tronçons du second passage les uns des autres, de manière à ce que les tronçons circonférentiels ne communiquent les uns avec les autres que par le biais des tronçons de liaison 37, 38. Plus précisément, chaque tronçon 33, 35, 37, 38 est encadré par deux lignes de soudure continues. Les plaques inférieure et supérieure 3, 5 sont en contact l'une avec l'autre par toutes les surfaces qui ne font pas parties des zones en creux 39. En variante, seule l'une des plaques inférieure et supérieure comporte une zone en creux 39 définissant les tronçons circonférentiels et/ou de liaison du second passage.

Selon une autre variante, les plaques supérieure et/ou inférieure ne comportent pas de zones en creux, les tronçons circonférentiels et/ou de liaison du second passage étant défini par des baguettes placées entre les secondes grandes faces des plaques inférieure et supérieure et soudées de manière étanche à cette grande face.

Il est à noter que l'écartement entre les premières grandes faces des plaques inférieure et supérieure est maintenu par tout moyen approprié, de manière à garantir une section de passage suffisante pour le premier fluide. Par exemple, des entretoises ou des ailettes sont rapportées entre les premières grandes faces. Les tronçons circonférentiels 33, 35 sont typiquement régulièrement répartis axialement le long de l'échangeur. En variante, l'écartement axial entre les tronçons circonférentiels n'est pas constant. Ceci peut être intéressant notamment quand l'échangeur de chaleur est un évaporateur, les tronçons circonférentiels dans lequel circule la vapeur étant axialement plus larges et donc plus écartés les uns des autres que ceux où circule le liquide.

Le second passage 17 est agencé de telle sorte que le second fluide circule à partir de l'entrée 29 d'abord dans au moins un premier tronçon circonférentiel 33 disposé à proximité de la première extrémité axiale 25 de l'échangeur de chaleur, puis dans une pluralité de seconds tronçons circonférentiels 35 décalés vers la seconde extrémité axiale 27 par rapport au premier tronçon circonférentiel, le second fluide progressant axialement à contre-courant du premier fluide vers la première extrémité axiale en passant d'un second tronçon circonférentiel 35 au suivant. Progresser axialement à contre-courant du premier fluide signifie ici que les tronçons de liaison 37, 38 sont agencés pour que le second fluide, après avoir parcouru un second tronçon circonférentiel 35 donné, passe dans un autre second tronçon circonférentiel 35 plus proche de la première extrémité. Le second fluide a ainsi un parcours à la fois circonférentiel en spirale autour de l'axe d'enroulement X, et axial depuis la seconde extrémité 27 vers la première extrémité 25 de l'échangeur de chaleur. Selon l'exemple de réalisation représenté sur les figures 1 à 4, l'échangeur de chaleur comporte un unique premier tronçon circonférentiel 33, situé à la première extrémité axiale 25. Comme visible sur la figure 4, chaque tronçon circonférentiel 33, 35 présente une extrémité externe 45 et une extrémité interne 47. L'extrémité externe 45 est située relativement plus proche du bord transversal externe 21, et l'extrémité radialement interne 47 est située relativement plus proche du bord transversal interne 23. Ainsi, après enroulement, l'extrémité 45 est située vers l'extérieur de l'échangeur de chaleur et l'extrémité 47 vers l'intérieur de l'échangeur de chaleur.

L'entrée de second fluide 29 débouche directement dans l'extrémité externe 45 du premier tronçon circonférentiel 33. Le second passage comporte une pluralité de seconds tronçons circonférentiels 35 s'étendant depuis la seconde extrémité axiale 27 de l'échangeur de chaleur jusqu'au premier tronçon circonférentiel 33. La sortie 31 débouche directement dans l'extrémité externe 45 du second tronçon circonférentiel 35 situé immédiatement à côté du premier tronçon circonférentiel 33. Le second passage comporte un tronçon de liaison 38 qui s'étend le long du bord transversal interne 23. Ce passage de liaison 38 raccorde l'extrémité interne 47 du premier tronçon circonférentiel 33 à l'extrémité interne 47 du second tronçon circonférentiel 35 qui est situé le plus proche de la seconde extrémité 27. Par ailleurs, comme visible sur la figure 4, le second fluide circule le long des seconds tronçons circonférentiellement 35 alternativement de l'intérieur vers l'extérieur puis de l'extérieur vers l'intérieur.

Pour aménager une telle circulation, chaque second tronçon circonférentiel 35 est raccordé via un tronçon de liaison 37 par l'une de ses extrémités interne ou externe au second tronçon circonférentiel 35 précédent, et, via un autre tronçon de liaison 37 par l'autre de ses extrémités interne ou externe au tronçon circonférentiel 35 suivant. Ainsi, les tronçons circonférentiels 35 sont raccordés alternativement de deux manières différentes. Certains sont raccordés par leurs extrémités internes 47 à l'extrémité interne du tronçon circonférentiel précédent, et par leurs extrémités externes 45 à l'extrémité externe 45 du tronçon suivant. D'autres, à l'inverse, sont raccordés par leurs extrémités externes à l'extrémité externe du tronçon 35 précédent, et par leurs extrémités internes à l'extrémité interne du tronçon 35 suivant. Les termes précédent et suivant sont entendus ici suivant le sens de circulation du second fluide. Une première variante de réalisation de l'invention va maintenant être décrite, en référence à la figure 5. Seuls les points par lesquels la première variante de réalisation diffère de celle des figures 1 à 4 seront détaillés ci-dessous. Les éléments identiques ou assurant la même fonction seront désignés par les mêmes références. Selon la première variante, le second passage 17 comporte une pluralité de premiers tronçons circonférentiels 33. Sur la figure 5, le second passage 17 comporte trois premiers tronçons circonférentiels 33. Alternativement, le second passage comporte un autre nombre de premiers tronçons circonférentiels. Ce nombre est généralement impair, mais pourrait être pair.

Les premiers tronçons circonférentiels 33 sont disposés axialement les uns à côté des autres, l'un des premiers tronçons 33 étant disposés à la première extrémité axiale 25. Ainsi, tous les seconds tronçons circonférentiels 35 sont décalés vers la seconde extrémité 27 par rapport au premier tronçon 33.

Le second fluide circule dans les premiers tronçons circonférentiels 33 alternativement depuis l'extérieur vers l'intérieur et depuis l'intérieur vers l'extérieur. L'entrée 29 débouche directement dans l'extrémité externe 45 du premier tronçon circonférentiel situé le plus proche de l'extrémité 25 de l'échangeur. L'extrémité interne 47 de ce premier tronçon circonférentiel est raccordée à l'extrémité interne 47 du tronçon circonférentiel suivant, par un tronçon de liaison 37. L'extrémité externe 45 de ce premier tronçon circonférentiel est raccordée par un autre tronçon de liaison 37 à l'extrémité externe 45 du tronçon suivant, et ainsi de suite. L'extrémité interne du dernier premier tronçon circonférentiel 33 est raccordée par le conduit de liaison 38 au second tronçon circonférentiel situé le plus près de la seconde extrémité 27.

La sortie de second fluide 31 débouche directement dans l'extrémité externe 45 du second tronçon circonférentiel situé à côté des premiers tronçons circonférentiels 33. Un tel agencement offre l'avantage de permettre de baisser considérablement la température du premier fluide à l'entrée de l'échangeur. Il est adapté au fonctionnement avec un premier fluide particulièrement chaud.

Il est à noter que le second fluide progresse axialement à co-courant du premier fluide vers la seconde extrémité axiale en passant d'un premier tronçon circonférentiel au suivant. Une seconde variante de réalisation va maintenant être décrite, en référence à la figure 6. Seuls les points par lesquels cette seconde variante se différencie de celle des figures 1 à 4 seront détaillés ci-dessous. Les éléments identiques ou assurant la même fonction seront désignés par les mêmes références. Dans la variante de réalisation de la figure 6, le second passage comporte, en plus du ou des premiers tronçons circonférentiels et en plus du ou des seconds tronçons circonférentiels, une pluralité de troisièmes tronçons circonférentiels 49 raccordés fluidiquement entre eux et placés en aval des seconds tronçons circonférentiels 37. Les troisièmes tronçons circonférentiels 49 sont disposés dans la spire radialement la plus extérieure de la spirale. Comme visible sur la figure 6, les troisièmes tronçons circonférentiels 49 sont eux aussi décalés axialement vers la seconde extrémité axiale 27 par rapport au premier tronçon circonférentiel 33.

Typiquement, ils s'étendent seulement le long de la dernière spire, mais pas le long des autres spires. En variante, ils s'étendent non seulement sur la dernière spire mais se prolongent circonférentiellement sur une ou plusieurs spires inférieures. Les troisièmes tronçons circonférentiels 49 s'étendent axialement sur la même portion de l'échangeur que les seconds tronçons circonférentiels 35. En revanche, les troisièmes tronçons circonférentielles sont disposés dans la ou les spires radialement les plus extérieures, alors que les seconds tronçons circonférentiels sont disposés dans les spires les plus intérieures. Sur la figure 6, on voit que les troisièmes tronçons circonférentiels 49 sont disposés le long du bord transversal externe 21. Les seconds tronçons circonférentiels 35 sont situés entre le bord transversal interne 23 et les troisièmes tronçons circonférentiels 49. Les troisièmes tronçons circonférentiels 49 sont parallèles les uns aux autres et s'étendent depuis l'extrémité axiale 27 jusqu'au premier tronçon circonférentiel 33.

Le second passage 17 est agencé de telle sorte que le second fluide circule dans les troisièmes tronçons circonférentiels 49 alternativement circonférentiellement de l'intérieure vers l'extérieure et circonférentiellement de l'extérieure vers l'intérieure. Les tronçons 49 sont ainsi alternativement raccordés de deux manières différentes. Certains tronçons sont raccordés par leurs extrémités circonférentielles internes 47 respectives au tronçon 49 suivant, et par leurs extrémités circonférentielles externes 45 respectives au tronçon précédent. D'autres, inversement, sont raccordés par leurs extrémités circonférentielles internes 47 respectives au tronçon 49 précédent et par leurs extrémités circonférentielles externes 45 respectives au tronçon 49 suivant. La sortie 31 communique directement avec l'extrémité externe 45 du troisième tronçon circonférentiel 49 situé le plus proche de l'extrémité axiale 27 de l'échangeur. L'extrémité interne 47 du troisième tronçon circonférentiel 49 le plus proche de la première extrémité axiale 25 communique avec l'extrémité externe 45 du second tronçon circonférentiel 35 situé le plus proche de la première extrémité axiale 25. Ainsi, le second fluide progresse axialement à co-courant du premier fluide vers la seconde extrémité axiale 27 en passant d'un troisième tronçon circonférentiel 49 au suivant. Un tel agencement contribue à éviter une surchauffe du second fluide. En effet, les troisièmes tronçons circonférentiels 49 contiennent la partie la plus chaude du second fluide. Notamment, quand l'échangeur de chaleur fonctionne en évaporateur, les troisièmes spires 49 contiennent la vapeur surchauffée. Du fait que ces troisièmes tronçons sont logés dans la spire la plus extérieure, elles sont mieux refroidies que les tronçons circonférentiels disposés dans les spires radialement plus à l'intérieur. L'échangeur de chaleur 1 est par exemple utilisé dans une ligne d'échappement, comme illustré sur la figure 7. Le premier passage de circulation 11 est raccordé fluidiquement à un conduit de circulation des gaz d'échappement. Le second passage 17 est intercalé dans un circuit de récupération de chaleur dans lequel circule un fluide caloporteur. L'échangeur de chaleur 1 fonctionne en évaporateur. Plus précisément, un divergent 51 raccorde la première extrémité axiale 25 de l'échangeur de chaleur à un conduit 53 d'amenée de gaz d'échappement. Ce conduit 53 est raccordé à un collecteur (non représenté), qui capte les gaz d'échappement sortant des chambres de combustion du moteur. Un convergent 55 raccorde la seconde extrémité axiale 27 de l'échangeur de chaleur à un conduit 57 d'évacuation des gaz d'échappement. Le conduit 57 est raccordé à une canule de relargage des gaz d'échappement dans l'atmosphère (non représentée) avec interposition d'un ou plusieurs organes de purification des gaz d'échappement. Le divergent 51 délimite intérieurement un volume qui communique avec le premier passage 11 et distribue les gaz d'échappement dans ce premier passage. Le convergent 55 capte les gaz d'échappement sortant du premier passage. Le circuit 59 de récupération de chaleur est typiquement un cycle Rankine. Ce circuit 59 comporte un organe de circulation tel qu'une pompe 61, qui force le second fluide vers l'entrée 29. Il comporte également un organe d'expansion 63, par exemple une turbine, dans lequel la vapeur sortant de l'échangeur de chaleur 1 par la sortie 31 est détendue jusqu'à une basse pression. Le circuit 59 comporte encore un condenseur 65, intercalé entre la sortie de l'organe d'expansion 63 et l'aspiration de la pompe 61.

Le procédé d'exploitation de l'échangeur de chaleur va maintenant être détaillé, quand celui-ci fonctionne en évaporateur. Ce procédé comprend entre autre les étapes suivantes : - faire circuler le premier fluide dans le premier passage 11, depuis la première extrémité axiale 25 vers la seconde extrémité axiale 27 de l'échangeur de chaleur 1 ; - faire circuler le second fluide dans le second passage 17, le premier fluide étant à l'état de liquide à l'entrée 29 du second passage, le second fluide étant vaporisé dans l'échangeur de chaleur et sortant par la sortie 31 à l'état de vapeur, notamment à l'état de vapeur surchauffée. Le premier fluide est d'abord en contact avec le ou les premiers tronçons circonférentiels 33 du second passage, de telle sorte que sa température est abaissée dès l'entrée du premier fluide dans l'échangeur de chaleur.

Puis, le premier fluide est mis en contact thermique avec le second fluide, ce second fluide progressant axialement à contre-courant du premier fluide quand il passe d'un second passage circonférentiel 35 au suivant. Le second fluide est vaporisé dans les seconds tronçons circonférentiels 35, et se présente notamment dans le ou les seconds tronçons circonférentiels 35 les plus proches des premiers tronçons circonférentiels 33 sous la forme d'une vapeur surchauffée. Le procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon l'invention va maintenant être détaillé. Le procédé comporte les étapes suivantes : - mettre en forme les plaques supérieure et/ou inférieure 3, 5 de manière à obtenir les zones en creux 39 ; - superposer les plaques inférieure et supérieure 3, 5 de manière à ce que les zones en creux 39 définissent au moins les tronçons circonférentiels 33, 35,49 du second passage 17 ; - souder ou braser les plaques supérieure et inférieure 3, 5 l'une à l'autre de manière à séparer les tronçons circonférentiels 33, 35, 49du second passage les uns des autres de manière étanche ; - rouler les plaques inférieure et supérieure 3, 5 en spirale. L'étape de mise en forme est réalisée par emboutissage ou par tout autre procédé adapté. Comme indiqué précédemment, dans une variante de réalisation, seule l'une des plaques supérieure et inférieure est mise en forme. En variante, les deux plaques sont mises en forme. Typiquement, les zones en creux définissent non seulement les tronçons circonférentiels 33, 35, 49 du second passage, mais également les tronçons de liaison 37, 38. A l'étape de soudage ou de brasage, les plaques supérieure et inférieure 3, 5 sont solidarisées l'une à l'autre le long des lignes 41 et 43 représentées sur la figure 4. La ligne 41 est une ligne circonférentielle, le long de laquelle les bords périphériques des deux plaques sont soudés ou brasés de manière étanche l'un à l'autre. Les lignes 43 permettent de séparer les tronçons circonférentiels et les tronçons de liaison les uns des autres, de telle sorte que chaque tronçon est jouxté par deux lignes de brasage ou de soudage 41, 43. Il est à noter que les plaques sont typiquement roulées autour d'un tube central 67, comme illustré sur la figure 2.

Par ailleurs, le procédé comprend typiquement une étape au cours de laquelle, après enroulement, la spirale est insérée à l'intérieure d'une enveloppe externe 69, représentée sur la figure 2. Seules l'entrée 29 et la sortie 31 font saillies radialement hors de l'enveloppe externe 69. Cette enveloppe externe ne couvre que la surface radialement externe de la spirale. Le premier fluide est par exemple les gaz d'échappement d'un véhicule automobile. En variante, le premier fluide peut être tout autre fluide, liquide ou gazeux. Le second fluide est par exemple de l'eau, ou tout autre fluide caloporteur tel que un mélange eau/éthanol, un fluide réfrigérant du type R134 ou R245FA, ou tout autre type de fluide organique compatible avec un cycle Rankine ou avec tout autre cycle. Plusieurs types d'agencement ont été décrits ci-dessus pour le second passage.

Toutefois, il est possible d'aménager le second passage de multiples façons, en fonction des besoins, notamment en variant le nombre de premiers tronçons circonférentiels et le nombre de seconds tronçons circonférentiels. Ces aménagements ne peuvent être obtenus dans un échangeur en spirale que du fait que les plaques supérieure et inférieure sont soudées ou brasées l'une à l'autre avant enroulement. L'opération de soudage ou brasage permet en effet de définir le parcours du second fluide. Il n'est pas possible de réaliser cette opération de soudage ou brasage après enroulement.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1.- Echangeur de chaleur (1) en spirale, comprenant une plaque inférieure (3) et une plaque supérieure (7) superposées l'une à l'autre et roulées en spirale autour d'un axe d'enroulement (X), des premières grandes faces respectives (7, 9) des plaques inférieure et supérieure (3, 5) délimitant entre elles un premier passage de circulation (11) d'un premier fluide, des secondes grandes faces respectives (13, 15) des plaques inférieure et supérieure (3, 5) opposées aux premières grandes faces (7, 9) délimitant entre elles un second passage (17) de circulation d'un second fluide, le premier passage (11) étant agencé pour que le premier fluide circule axialement depuis une première extrémité axiale (25) de l'échangeur de chaleur jusqu'à une seconde extrémité axiale (27) de l'échangeur de chaleur opposée à la première ; le second passage (17) étant agencé pour que le second fluide circule à partir d'une entrée (29) jusqu'à une sortie (31), le second passage (17) comprenant une pluralité de tronçons sensiblement circonférentiels (33, 3549) raccordés fluidiquement entre eux et répartis axialement le long de l'échangeur de chaleur, caractérisé en ce que le second passage (17) est agencé de telle sorte que le second fluide circule à partir de l'entrée (29) d'abord dans au moins un premier tronçon circonférentiel (33) disposé à proximité de la première extrémité axiale (25), puis dans une pluralité de seconds tronçons circonférentiels (35) décalés vers la seconde extrémité axiale (27) par rapport au premier tronçon circonférentiel (33), le second fluide progressant axialement à contre-courant du premier fluide vers la première extrémité axiale (25) en passant d'un second tronçon circonférentiel (35) au suivant.
2. 2.- Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second fluide circule à partir de l'entrée (29) d'abord dans une pluralité de premiers tronçons circonférentiels (33) disposés à proximité de la première extrémité axiale (25), le second fluide progressant axialement à co-courant du premier fluide vers la seconde extrémité axiale (27) en passant d'un premier tronçon circonférentiel (33) au suivant.
3. 3.- Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'entrée (29) et la sortie (31) sont situées à proximité de la première extrémité axiale (25).
4. 4.- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'entrée (29) débouche directement dans le tronçon circonférentiel (33) le plus proche de la première extrémité axiale (25).
5. 5.- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la spirale comporte une pluralité de spires, le second passage (17) comportant une pluralité de troisièmes tronçons circonférentiels (49) raccordésfluidiquement entre eux et placés en aval des seconds tronçons circonférentiels (35), les troisièmes tronçons circonférentiels (49) étant disposés dans la spire radialement la plus extérieure de la spirale.
6. 6.- Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le second fluide progresse axialement à co-courant du premier fluide vers la seconde extrémité axiale (27) en passant d'un troisième tronçon circonférentiel (49) au suivant.
7. 7.- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plaques supérieure et/ou inférieure (3,5) comportent des zones en creux (39) définissant au moins les tronçons circonférentiels (33, 35, 49) du second passage (17).
8. 8.- Ligne d'échappement de véhicule, comprenant un échangeur de chaleur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, le premier passage (11) étant raccordé fluidiquement à un conduit (53) de circulation des gaz d'échappement, le second passage (17) étant raccordé fluidiquement à un circuit (59) de récupération de chaleur, de préférence à un cycle Rankine.
9. 9.- Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, le procédé comprenant les étapes suivantes : - mettre en forme les plaques supérieure et inférieure (3, 5) de manière à obtenir des zones en creux (39); - superposer les plaques inférieure et supérieure (3, 5) de manière à ce que les zones en creux (39) définissent au moins les tronçons circonférentiels (33, 35, 49) du second passage (17); - souder ou braser les plaques supérieure et inférieure (3, 5) l'une à l'autre de manière à séparer les tronçons circonférentiels (33, 35, 49) du second passage les uns des autres de manière étanche ; - rouler les plaques supérieure et inférieure (3, 5) en spirale.
10. 10.- Procédé d'exploitation d'un échangeur de chaleur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, le procédé comprenant les étapes suivantes : - faire circuler le premier fluide dans le premier passage (11) de la première extrémité axiale (25) vers la seconde extrémité axiale (27) de l'échangeur de chaleur (1); - faire circuler le second fluide dans le second passage (17), le premier fluide étant à l'état liquide à l'entrée (29) du second passage (17), le second fluide étant vaporisé dans l'échangeur de chaleur (1) et sortant par la sortie (31) à l'état de vapeur.35