FR3110632A1 - Dispositif d’échange de chaleur pour une ligne d’échappement - Google Patents

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Faurecia Systemes dEchappement SAS
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Abstract

Dispositif d’échange de chaleur pour une ligne d’échappement Le dispositif d’échange de chaleur comporte - un échangeur de chaleur, - un boîtier logeant l’échangeur, comprenant une ouverture d’entrée (22) et une ouverture de sortie de liquide caloporteur, une entrée et une sortie de gaz, et une première paroi latérale dans laquelle est ménagée l’ouverture d’entrée de liquide caloporteur (22), - un organe (34) d’alimentation en liquide caloporteur, comportant une entrée (36) et une sortie (38) de forme générale allongée, l’organe d’alimentation (34) délimitant un conduit (40). Le conduit (40) de l’organe d’alimentation (34) comporte une partie amont (40A) comprenant l’entrée (36), une partie intermédiaire (40B), et une partie aval (40C) s’étendant entre la partie intermédiaire (40B) et la sortie (38), telles que : la partie intermédiaire (40B) s’étend parallèlement à ladite première paroi latérale (14), et la partie aval (40C) débouche vers la sortie (38) dans une direction (A) formant un angle (α) avec ladite première paroi latérale (14), l’angle (α) étant compris entre 0 et 90°. Figure pour l'abrégé : Figure 5

Description

Dispositif d’échange de chaleur pour une ligne d’échappement
La présente invention concerne un dispositif d’échange de chaleur pour une ligne d’échappement, notamment pour un moteur thermique, par exemple dans un véhicule.
Le dispositif d’échange de chaleur est par exemple destiné à équiper un système de recirculation des gaz d’échappement. Un tel dispositif d’échange de chaleur est généralement exposé à de sévères conditions d’opération
En particulier, l’échangeur de chaleur est soumis, au moins dans certaines zones, à de très fortes températures, qui peuvent amener le liquide caloporteur parcourant cet échangeur à bouillir par endroit.
L’invention a notamment pour but de remédier à cet inconvénient, en réduisant les risques d’ébullition du liquide caloporteur.
A cet effet, l’invention a pour objet un dispositif d’échange de chaleur, notamment pour une ligne d’échappement de moteur thermique, comportant :
- un échangeur de chaleur, destiné à échanger de la chaleur entre un liquide caloporteur et un gaz d’échappement,
- un boîtier logeant l’échangeur de chaleur, comprenant une ouverture d’entrée de liquide caloporteur, une ouverture de sortie de liquide caloporteur, une entrée de gaz et une sortie de gaz, le boîtier comportant une première paroi latérale dans laquelle est ménagée l’ouverture d’entrée de liquide caloporteur,
- un organe d’alimentation en liquide caloporteur, comportant une entrée destinée à être connectée à une conduite d’arrivée de liquide caloporteur, et une sortie de forme générale allongée connectée à ladite ouverture d’entrée de liquide, l’organe d’alimentation délimitant un conduit s’étendant entre l’entrée et la sortie de cet organe d’alimentation,
caractérisé en ce que le conduit de l’organe d’alimentation comporte une partie amont comprenant l’entrée, une partie intermédiaire, et une partie aval s’étendant entre la partie intermédiaire et la sortie, telles que :
- la partie intermédiaire s’étend sensiblement parallèlement à ladite première paroi latérale,
- la partie aval débouche vers la sortie dans une direction débouchante formant un angle avec ladite première paroi latérale, l’angle étant compris entre 0 et 90°.
Le dispositif selon l’invention permet d’optimiser le flux de liquide caloporteur, réduisant ainsi les risques d’ébullition.
Plus particulièrement, l’organe d’alimentation permet d’améliorer la séparation du flux dans l’échangeur, et de conserver la vitesse du flux de liquide en entrée de l’échangeur.
Un dispositif d’échange de chaleur selon l’invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou selon toutes combinaisons techniquement envisageables :
- L’angle entre la direction débouchante et la première paroi latérale est compris entre 30 et 85°.
- L’angle entre la direction débouchante et la première paroi latérale est sensiblement égal à 70°.
- La sortie présente une hauteur inférieure à celle de l’entrée, et une largeur supérieure à celle de l’entrée.
- La partie aval du conduit de l’organe d’alimentation présente une première bifurcation s’éloignant de la première paroi latérale, suivie par une seconde bifurcation en direction de la première paroi latérale.
- Le conduit est délimité d’une part par l’organe d’alimentation et d’autre part par la première paroi latérale.
- La partie aval du conduit est délimité d’une part par un bossage convexe ménagé sur la première paroi latérale, et d’autre part par un embossement concave ménagé dans l’organe d’alimentation.
- Le conduit présente une largeur sensiblement constante dans la partie amont, et dans la partie intermédiaire, et une largeur s’agrandissant progressivement dans la partie aval.
- Le conduit présente une hauteur sensiblement constante dans la partie intermédiaire et dans la partie aval, et une hauteur se réduisant progressivement dans la partie amont.
L’invention concerne également une ligne d’échappement de moteur thermique, caractérisée en ce qu’elle comporte un dispositif d’échange de chaleur tel que défini précédemment.
Différents aspects et avantages de l’invention seront mis en lumière à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux figures annexées, parmi lesquelles :
- La figure 1 est une vue en perspective d’un dispositif d’échange de chaleur selon un exemple de mode de réalisation de l’invention ;
- La figure 2 est une vue en perspective d’un échangeur de chaleur du dispositif de la figure 1 ;
- La figure 3 est une vue en perspective d’une paroi latérale d’un boîtier du dispositif d’échange de chaleur de la figure 1 ;
- La figure 4 est une vue de dessus d’un organe d’alimentation équipant le dispositif d’échange de chaleur de la figure 1 ;
- La figure 5 est une vue en coupe longitudinale de l’organe d’alimentation de la figure 3, assemblé avec la paroi latérale de la Figure 3.
On a représenté, sur la figure 1, un dispositif d’échange de chaleur 10. Le dispositif d’échange de chaleur 10 est notamment destiné à équiper une ligne d’échappement de moteur thermique, et par exemple dans un système de recirculation de gaz d’échappement.
La ligne d’échappement est par exemple celle d’un véhicule, notamment un véhicule automobile.
Le dispositif d’échange de chaleur 10 comporte un échangeur de chaleur 11 de type classique, destiné à échanger de la chaleur entre un liquide caloporteur et un gaz d’échappement.
L’échangeur de chaleur 11, représenté sur la figure 2, comporte par exemple une pluralité de tubes P, à l’intérieur desquels circule le flux de gaz d’échappement, et autour desquels circule le liquide caloporteur. Les tubes P sont de préférence agencés en parallèle.
L’échangeur de chaleur 11 est logé dans un boîtier 12 représenté sur la figure 1.
Le boitier 12 s’étend dans une direction longitudinale X.
Le boîtier 12 comporte une première paroi latérale plane 14, et au moins une autre paroi latérale 16 définissant un espace avec la première paroi latérale 14. Les première 14 et autres 16 parois latérales définissent par exemple une forme générale sensiblement parallélépipédique, de préférence aux coins arrondis. Le boîtier 12 est par exemple formé d’au moins deux coques solidarisées entre elles. L’une des coques 17, représentée sur la figure 3, comporte la première paroi latérale 14.
L’échangeur de chaleur est agencé dans cet espace.
Le boîtier 12 présente par ailleurs des première 18 et seconde 20 parties d’extrémité, refermant des extrémités du boîtier 12 dans une direction longitudinale.
Le boîtier 12 comprenant une ouverture 22 d’entrée de liquide caloporteur, une ouverture 24 de sortie de liquide caloporteur, une ouverture 26 de sortie de gaz et une ouverture 28 d’entrée de gaz.
L’ouverture 22 d’entrée de liquide caloporteur est ménagée dans la première paroi latérale plane 14. Cette ouverture d’entrée de liquide 22 est connectée à une conduite 23 d’arrivée de liquide, comme cela sera décrit ultérieurement plus en détail. L’ouverture d’entrée de liquide 22 est par ailleurs reliée fluidiquement à l’extérieur des tubes P de l’échangeur de chaleur 11.
L’ouverture de sortie 24 de liquide caloporteur est ménagé dans l’une des autres parois latérales 16, par exemple celle opposée à la première paroi latérale 14. Cette ouverture de sortie de liquide 24 est connectée à une conduite 25 d’évacuation de liquide. L’ouverture de sortie de liquide 24 est par ailleurs reliée fluidiquement à l’extérieur des tubes P de l’échangeur de chaleur 11. Ainsi, le liquide caloporteur circule entre l’ouverture d’entrée de liquide 22 et l’ouverture de sortie de liquide 24 en passant entre les tubes P.
Les conduites d’arrivée 23 et d’évacuation 25 de liquide sont intégrée dans un circuit de circulation de liquide, par exemple une pompe à eau.
La sortie de gaz 26 est ménagée dans l’une des parties d’extrémité 18, et connectée à une conduite d’évacuation de gaz 30. L’entrée de gaz 28 est ménagée dans l’autre partie d’extrémité 20, et connectée à une conduite d’arrivée de gaz 32.
Les conduites d’arrivée 32 et d’évacuation 30 de gaz sont intégrées dans la ligne d’échappement, et plus particulièrement dans une ligne de recirculation de gaz d’échappement.
Le gaz circule ainsi dans le boîtier 12à l’intérieur des tubes P de l’échangeur de chaleur 11 autour desquels circule le liquide caloporteur, de manière à céder des calories à ce liquide caloporteur de manière connue en soi.
Conformément à l’invention, le dispositif d’échange de chaleur 10 comporte, à proximité de l’ouverture d’entrée 22 de liquide caloporteur, un organe 34 d’alimentation en liquide caloporteur.
L’organe d’alimentation 34, représenté plus en détail sur les figures 4 et 5, comporte une entrée 36 de forme sensiblement circulaire, destinée à être connectée à la conduite d’arrivée de liquide 23.
L’organe d’alimentation 34 comporte par ailleurs une sortie 38 de forme générale allongée connectée à ladite ouverture d’entrée de liquide 22 du boîtier 12. Cette forme générale allongée permet de faire circuler simultanément du liquide caloporteur autour de tous les tubes P en parallèle.
Par « forme allongée », on entend que la sortie 38 présente une largeur L2 supérieure à celle L1 de l’entrée 36, cette largeur étant considérée dans une direction transversale Y perpendiculairement à la direction longitudinale et parallèle à la première paroi 14.
Par ailleurs, la sortie 38 présente une hauteur H2 inférieure à celle H1 de l’entrée 36, de sorte que la vitesse du flux de liquide reste constante entre l’entrée 36 et la sortie 38. La hauteur d’un orifice est considérée, dans un plan défini par cet orifice, selon une direction perpendiculaire à la direction transversale Y et dans le plan de la section de passage.
Dans l’exemple décrit, la section de l’entrée 36 est circulaire, si bien que L1 = H1 et l’aire de cette section est S1= .
Par ailleurs, dans l’exemple décrit, la section de la sortie 38 est sensiblement rectangulaire, si bien que l’aire de cette section est S2 = H2xL2
Afin de conserver la même vitesse de circulation du liquide caloporteur en sortie qu’en entrée, les aires des sections S1 et S2 sont de préférence égales, si bien que :
.
Avantageusement, la sortie 38 de l’organe d’alimentation 34 présente une forme rectangulaire, ou quasi-rectangulaire (notamment rectangulaire à coins arrondis), ou en variante une forme oblongue.
L’organe d’alimentation 34 délimite un conduit 40 s’étendant entre l’entrée 36 et la sortie 38 de cet organe d’alimentation 34.
Le conduit 40 de l’organe d’alimentation 34 comporte une partie amont 40A comprenant l’entrée 36, une partie intermédiaire 40B, et une partie aval 40C, s’étendant entre la partie intermédiaire 40B et la sortie 38.
La partie intermédiaire 40B s’étend sensiblement parallèlement à ladite première paroi latérale 14, donc parallèlement à la direction longitudinale X.
La partie aval 40C débouche vers la sortie 38 dans une direction débouchante A formant un angle α avec ladite première paroi latérale 14, l’angle α étant compris entre 0 et 90°.
L’angle α est par exemple compris entre 30 et 85°, et de préférence sensiblement égal à 70°.
Avantageusement, la partie aval 40C du conduit 40 de l’organe d’alimentation 34 présente, comme cela est représenté sur la figure 5, une première bifurcation s’éloignant de ladite première paroi latérale 14, suivi par une seconde bifurcation en direction de ladite première paroi latérale 14. Cette seconde bifurcation permet au conduit 40 de s’aligner sur la direction débouchante A.
Conformément au mode de réalisation décrit, le conduit 40 de l’organe d’alimentation 34 est délimité d’une part par l’organe d’alimentation 34 et d’autre part par ladite première paroi latérale 14. Ainsi, la première paroi latérale 14 comporte une surface 42 (visible sur la figure 3) conformée pour former en partie le conduit 40.
Le fait que le conduit 40 soit en partie délimité par la première paroi latérale 14 permet de faciliter la réalisation et réduire le coût de l’organe d’alimentation 34 en comparaison d’un organe d’alimentation qui délimiterait intégralement le conduit. Par exemple, l’organe d’alimentation 34 est conformé par estampage.
On notera que l’organe d’alimentation 34 est solidarisé avec la première paroi latérale 14 par tout moyen envisageable, par exemple par brasage, soudage ou serrage.
La surface 42 comporte une première partie 42A délimitant la partie intermédiaire 40B du conduit 40, et une seconde partie 42B délimitant la partie aval 40C du conduit 40.
La première partie 42A est sensiblement plane, et parallèle à une surface 44 correspondante de l’organe d’alimentation 34, pour que la partie intermédiaire 40B s’étende parallèlement à cette première partie 42A.
On notera que l’organe d’alimentation 34 comporte également, dans la partie intermédiaire 40B, des rebords latéraux 46 refermant latéralement le conduit 40. Dans cette partie intermédiaire 40B, les rebords latéraux 46 sont sensiblement parallèles entre eux. Ainsi, la largeur du conduit 40 reste sensiblement constante dans la partie intermédiaire 40B.
La partie aval 40C du conduit 40 de l’organe d’alimentation 34 est délimitée d’une part par la seconde partie 42B de la surface 42, qui forme un bossage convexe ménagé sur la paroi latérale, et d’autre part par un embossement concave 48 ménagé dans l’organe d’alimentation 34 en regard de la seconde partie 42B.
L’organe d’alimentation 34 comporte par ailleurs, dans la partie aval 40C, des parois latérales 50 prolongeant chacune l’un respectif des rebords latéraux 46. Les parois latérales 50 divergent l’une par rapport à l’autre, depuis la partie intermédiaire 40B jusqu’à la sortie 38. Ainsi, la partie aval 40C est plus large à la sortie 38 qu’à sa jonction avec la partie intermédiaire 40B.
Il est à noter que l’écartement entre le bossage convexe 42B et l’embossement concave 48 (c’est-à-dire la hauteur du conduit 40) reste sensiblement constant dans toute la partie aval 40C, et par exemple inférieur ou égal à l’écartement entre la première partie 42A et la surface 44 dans la partie intermédiaire 40B.
En revanche, la hauteur du conduit 40 se réduit progressivement dans la partie amont 40A, depuis une hauteur correspondant à la hauteur H1 de l’entrée 36, jusqu’à une hauteur correspondant à l’écartement entre la première partie 42A et la surface 44 dans la partie intermédiaire 40B.
Pour récapituler, la hauteur du conduit 40 diminue dans la partie amont 40A, avec une largeur constante, la hauteur et la largeur du conduit 40 restent constantes dans la partie intermédiaire 40B, et la largeur du conduit 40 augmente dans la partie aval 40C, avec une hauteur constante. Ces modifications dimensionnelles ont principalement lieu le long de la direction longitudinale, si bien que l’organe d’alimentation 34 est relativement compact, en comparaison avec des organes d’alimentation de l’état de la technique qui s’étendent selon un axe vertical perpendiculaire aux directions longitudinale et transversale.
La réduction de la hauteur, conjointe à l’augmentation de la largeur, permet de conserver une vitesse sensiblement constante du flux de liquide caloporteur.
On notera que l’invention n’est pas limitée au mode de réalisation précédemment décrit, et pourrait présenter diverses variantes.

Claims (10)

  1. Dispositif (10) d’échange de chaleur, notamment pour une ligne d’échappement de moteur thermique, comportant :
    - un échangeur de chaleur (11), destiné à échanger de la chaleur entre un liquide caloporteur et un gaz d’échappement,
    - un boîtier (12) logeant l’échangeur de chaleur (11), comprenant une ouverture d’entrée (22) de liquide caloporteur, une ouverture de sortie (24) de liquide caloporteur, une entrée de gaz (28) et une sortie de gaz (26), le boîtier (12) comportant une première paroi latérale (14) dans laquelle est ménagée l’ouverture d’entrée de liquide caloporteur (22),
    - un organe (34) d’alimentation en liquide caloporteur, comportant une entrée (36) destinée à être connectée à une conduite (23) d’arrivée de liquide caloporteur, et une sortie (38) de forme générale allongée connectée à ladite ouverture d’entrée (22) de liquide, l’organe d’alimentation (34) délimitant un conduit (40) s’étendant entre l’entrée (36) et la sortie (38) de cet organe d’alimentation (34),
    caractérisé en ce que le conduit (40) de l’organe d’alimentation (34) comporte une partie amont (40A) comprenant l’entrée (36), une partie intermédiaire (40B), et une partie aval (40C) s’étendant entre la partie intermédiaire (40B) et la sortie (38), telles que :
    - la partie intermédiaire (40B) s’étend sensiblement parallèlement à ladite première paroi latérale (14),
    - la partie aval (40C) débouche vers la sortie (38) dans une direction débouchante (A) formant un angle (α) avec ladite première paroi latérale (14), l’angle (α) étant compris entre 0 et 90°.
  2. Dispositif d’échange de chaleur (10) selon la revendication 1, dans lequel l’angle (α) entre la direction débouchante (A) et la première paroi latérale (14) est compris entre 30 et 85°.
  3. Dispositif d’échange de chaleur (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’angle (α) entre la direction débouchante (A) et la première paroi latérale (14) est sensiblement égal à 70°.
  4. Dispositif d’échange de chaleur (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la sortie (38) présente une hauteur inférieure à celle de l’entrée (36), et une largeur supérieure à celle de l’entrée (36).
  5. Dispositif d’échange de chaleur (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la partie aval (40C) du conduit (40) de l’organe d’alimentation présente une première bifurcation s’éloignant de la première paroi latérale (14), suivie par une seconde bifurcation en direction de la première paroi latérale (14).
  6. Dispositif d’échange de chaleur (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le conduit (40) est délimité d’une part par l’organe d’alimentation (34) et d’autre part par la première paroi latérale (14).
  7. Dispositif d’échange de chaleur (10) selon la revendication 6, dans lequel la partie aval (40C) du conduit (40) est délimité d’une part par un bossage convexe (42B) ménagé sur la première paroi latérale (14), et d’autre part par un embossement concave (48) ménagé dans l’organe d’alimentation (34).
  8. Dispositif d’échange de chaleur (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le conduit (40) présente une largeur sensiblement constante dans la partie amont (40A), et dans la partie intermédiaire (40B), et une largeur s’agrandissant progressivement dans la partie aval (40C).
  9. Dispositif d’échange de chaleur (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le conduit (40) présente une hauteur sensiblement constante dans la partie intermédiaire (40B) et dans la partie aval (40C), et une hauteur se réduisant progressivement dans la partie amont (40A).
  10. Ligne d’échappement de moteur thermique, caractérisée en ce qu’elle comporte un dispositif d’échange de chaleur (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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