WO2007079983A1 - Echangeur de chaleur a plaque empilees - Google Patents

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Carlos Rodrigo
Maria Luisa Miedes
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Valeo Termico SA
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
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Definitions

  • the present invention relates to a stacked plate heat exchanger of the type comprising a body defining a "U" -shaped path for the circulation of gas with heat exchange with a cooling fluid.
  • the invention is particularly suitable for Exhaust Gas Recirculation Coolers (EGRC) and charge air coolers (CACs).
  • EGRC Exhaust Gas Recirculation Coolers
  • CACs charge air coolers
  • the "U” configuration of EGR type exchangers is often used for integration purposes. This configuration also increases the specific efficiency of the heat exchanger (volumetric efficiency), at the expense of increased pressure loss. This configuration also facilitates the integration of a bypass, the corresponding bypass valve being disposed in the gas inlet region.
  • the "U" shaped flow can be established in a horizontal or vertical direction. In the case of a horizontal direction, the gas enters the exchanger on the left side and leaves it on the right side (or vice versa). This can be done using a tank at the end of the plates, feeding the gas from the left to the right, or using a disruptor with a particular shape.
  • the plates are closed at their end end, the latter preferably having a rounded shape.
  • the disruptor does not reach the final end and thus leaves a space for the "U" return of the gas.
  • the disrupter may comprise independent channels, for example triangular channels, preventing the free flow of gas from the left to the right, or can be shifted (offset disruptor) and have a continuous channel in the center.
  • the gas enters the exchanger from the upper side and emerges from the lower side (or vice versa).
  • the object of the present invention is to overcome the aforementioned drawbacks by developing a U-shaped stacked plate heat exchanger having a vertical configuration and not requiring a gas reservoir to ensure the return of the gas.
  • the stacked plate heat exchanger, in particular for the exhaust gases of an engine, of the present invention is of the type comprising a body defining a "U" -shaped trajectory intended for the circulation of gases with exchange of heat. heat with a cooling fluid, the inlet and outlet of the gases to be cooled are adjacent and arranged one above the other, said body comprising two parallel and independent upper and lower stages, provided with a plurality stacked plates.
  • the heat exchanger is characterized in that the plates are closed by their final end and incorporate in proximity to said final end a through orifice defining the gas return path of the upper plate stage to the lower plate stage , or vice versa, said orifice being closed by an upper plate and a lower plate.
  • each plate advantageously incorporates a disturbing element of the gas flow.
  • each upper and lower plate stage incorporates a disturbing element of different type.
  • each upper and lower plate stage incorporates a different type of cooling fluid circuit.
  • the transverse surface of the orifice is approximately equal to the transverse surface of the gas inlet, so as to avoid a significant increase in the pressure drop.
  • the exchanger further comprises a gas reservoir coupled to the gas inlet and outlet region of the exchanger.
  • the gas reservoir preferably has a substantially orthogonal configuration incorporating an upper orifice allowing the entry of gases in a direction substantially perpendicular to the plates, and a front orifice allowing the exit of gases in a direction substantially parallel to the plates.
  • the heat exchanger incorporates a bypass valve allowing the opening or closing of the gas passage to the exchanger.
  • bypass valve is also integrated into the actual gas tank of the exchanger.
  • the bypass valve is a butterfly valve.
  • the bypass valve preferably comprises a plate hinged about an axis located in the center of the inlet and outlet regions of the upper and lower plate stages, so that when the valve is open, the plate occupies a position parallel to the plates thus allowing the entry and exit of the gases, and, when the valve is closed, the plate occupies an inclined position for closing the inlet and outlet ports of the gas tank.
  • FIGS. 1 is a longitudinal sectional view of the "U" heat exchanger in the vertical direction
  • Figure 2 is a perspective view of the exchanger of Figure 1, the upper plate being omitted to show the gas return port
  • FIG. 3 is a perspective view of the heat exchanger comprising two different cooling circuits, according to another embodiment of the invention.
  • the stacked plate heat exchanger 1 in particular for the exhaust gases of an engine, comprises a body 2 defining a "U" -shaped trajectory intended for the circulation of gas with heat exchange with a cooling fluid, the inlet 3 and the outlet 4 of the gases to be cooled are adjacent and arranged one above the other, said body 2 comprising two upper stages 2a and lower 2b parallel and independent, provided with a plurality of stacked plates 5.
  • the plates 5 are closed by their final end 6 and incorporate near said end 6 a through hole 7 defining the gas return path of the upper plate stage 2a to the lower plate stage 2b, said orifice 7 being closed by an upper plate 8 and a lower plate 9.
  • the upper plate 8 has been omitted from FIG. 2 so as to show the appropriate configuration of the orifice 7 which must allow the return of the gas from the upper plate stage 2a to the lower plate stage 2b while minimizing the gas pressure drop.
  • Each plate 5 further incorporates a disturbing element (not shown for the sake of clarity) of the gas flow. The disturbing elements do not reach the final end 6 of the plates 5 so as to allow the return of the gas through the orifice 7.
  • the exchanger 1 is coupled in the region of FIG.
  • the gas tank 10 comprises an upper orifice 3 allowing the gases to enter in a direction substantially perpendicular to the plates 5. and a front orifice 4 allowing the gas to exit in a direction substantially parallel to the plates 5.
  • the inlet 3 may be parallel to the plates 5 and the outlet 4 may be perpendicular thereto; alternatively, the inlet 3 and outlet 4 may both be parallel or both perpendicular to the plates 5.
  • the exchanger 1 also comprises a bypass valve 11 integrated in the gas tank 10 proper and allowing the opening and closing of the gas passage to the exchanger 1.
  • the bypass valve is of the butterfly type, and comprises a plate 11 hinged about an axis situated at the center of the inlet and outlet regions. output of the upper plate stages 2a and lower 2b respective.
  • the plate 11 occupies a position parallel to the plates 5 thus allowing the entry and exit of gases; and when the valve is closed, the plate 11 occupies an inclined position making it possible to plug the inlet and outlet ports 4 of the gas tank 10 thus putting in communication the inlet 3 and the outlet 4 to perform the function by - Proper pass through which the gas passes directly into the exhaust pipe without being cooled by the exchanger.
  • the exchanger operates as follows: With the valve 11 open, the gas enters the heat exchanger 1 in the direction of the upper plate stage 2a through the respective disturbing elements and reaches the final end
  • the arrows shown in FIG. 1 indicate the direction of the flow of gas through the exchanger 1.
  • the design of the plates 5 provided with the orifice 7 makes it possible to avoid having to use a traditional gas reservoir, which often constitutes a complex and relatively expensive piece of work in exchangers with a large number of plates.
  • the design of the plates 5 is also very versatile, insofar as the same plate 5 can be used in exchangers with different numbers of plates, only the connecting parts to the inlet and outlet region of the exchanger in front of then be modified.
  • This type of plate 5 allows a very simple manufacturing of asymmetrical "U" -shaped exchangers since only the connecting pieces to the inlet and outlet region of the exchanger must be modified.
  • the configuration of these connecting pieces conditions the number of plates used by the gas to enter the exchanger and out.
  • the number of plates used for the gas inlet may be greater than the number of plates used for its outlet, this number depending conveniently on the increase in density of the gas through the exchanger as it cools. .
  • the configuration of the exchanger 1 of the invention is very versatile, since it can contain two different disturbing elements, one for the plates where the gas is hot, another, more dense, for the plates where the gas is more cold and has a higher density. This therefore increases the efficiency of the exchanger without increasing the volume.
  • the exchanger can incorporate two different cooling circuits. As illustrated in FIG. 3, the exchanger comprises, for each respective cooling circuit, corresponding inlet ducts 12a, 13a and outlet ducts 12b, 13b.
  • the high temperature cooling circuit can cool the plates where the gas is hot, while the low temperature cooling circuit can cool the plates where the gas is cold. This therefore increases the efficiency of the exchanger without increasing the volume.

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Abstract

L'échangeur de chaleur à plaques empilées selon l'invention comprend un corps (2) définissant une trajectoire en forme de U, destiné à la circulation des gaz avec échange de chaleur avec un fluide de refroidissement, dont l'entrée (3) et la sortie (4) des gaz à refroidir sont adjacentes et disposées l'une au- dessus de l'autre, ledit corps (2) comprenant deux étages supérieur (2a) et inférieur (2b) parallèles et indépendants, pourvus d'une pluralité de plaques empilées (5) . Il est caractérisé en ce que les plaques (5) sont fermées par leur extrémité finale (6) et incorporent à proximité de ladite extrémité finale (6) un orifice passant (7) définissant la trajectoire de retour du gaz de l'étage de plaques supérieur (2a) à l'étage de plaques inférieur (2b) , ou vice-versa, ledit orifice (7) étant fermé par une plaque supérieure (8) et une plaque inférieure (9) . L'échangeur de chaleur ainsi obtenu ne nécessite pas de réservoir de gaz pour assurer le retour du gaz.

Description

ECHANGEUR DE CHALEUR A PLAQUES EMPILEES
La présente invention concerne un échangeur de chaleur à plaques empilées, du type comprenant un corps définissant une trajectoire en forme de « U », destiné à la circulation de gaz avec échange de chaleur avec un fluide de refroidissement.
L' invention convient tout particulièrement aux échangeurs à recirculation de gaz d'échappement d'un moteur (Exhaust Gas Recirculation Coolers ou EGRC) et aux refroidisseurs d'air de suralimentation ou intercoolers (Charge Air Coolers ou CAC) .
ARRIERE-PLAN DE L' INVENTION
La configuration en « U » des échangeurs du type EGR est souvent utilisée à des fins d'intégration. Cette configuration accroît en outre le rendement spécifique de l' échangeur de chaleur (efficacité volumétrique) , aux dépens toutefois d'une perte de pression accrue. Cette configuration facilite également l'intégration d'un by-pass, la vanne by-pass correspondante étant disposée dans la région d'entrée du gaz. Dans un échangeur à plaques empilées, le flux en forme de « U » peut être établi dans une direction horizontale ou verticale. Dans le cas d'une direction horizontale, le gaz pénètre dans l' échangeur par le côté gauche et en ressort par le côté droit (ou vice- versa). Ceci peut être réalisé à l'aide d'un réservoir situé à l'extrémité finale des plaques, acheminant le gaz de la gauche vers la droite, ou à l'aide d'un perturbateur présentant une forme particulière. Dans ce cas, les plaques sont fermées à leur l'extrémité finale, celle-ci présentant de préférence une forme arrondie. Le perturbateur n'atteint pas l'extrémité finale et laisse ainsi un espace pour le retour en « U » du gaz. Le perturbateur peut comprendre des canaux indépendants, par exemple des canaux de forme triangulaire, empêchant l'écoulement libre du gaz de la gauche vers la droite, ou peut être décalé (perturbateur offset) et comporter un canal continu au centre .
Dans le cas d'une direction verticale, le gaz pénètre dans l'échangeur par le côté supérieur et en ressort par le côte inférieur (ou vice-versa) .
Un flux vertical en « U » ne peut toutefois être obtenu qu'à l'aide d'un réservoir acheminant le gaz des plaques supérieures aux plaques inférieures, ou vice- versa.
DESCRIPTION DE L'INVENTION
L'objectif de la présente invention consiste à remédier aux inconvénients susmentionnés en développant un échangeur de chaleur à plaques empilées en forme de « U » présentant une configuration verticale et ne nécessitant pas de réservoir de gaz pour assurer le retour du gaz. L'échangeur de chaleur à plaques empilées, notamment pour les gaz d'échappement d'un moteur, de la présente invention est du type comprenant un corps définissant une trajectoire en forme de « U », destiné à la circulation des gaz avec échange de chaleur avec un fluide de refroidissement, dont l'entrée et la sortie des gaz à refroidir sont adjacentes et disposées l'une au-dessus de l'autre, ledit corps comprenant deux étages supérieur et inférieur parallèles et indépendants, pourvus d'une pluralité de plaques empilées. L'échangeur de chaleur est caractérisé en ce que les plaques sont fermées par leur extrémité finale et incorporent à proximité de ladite extrémité finale un orifice passant définissant la trajectoire de retour du gaz de l'étage de plaques supérieur à l'étage de plaques inférieur, ou vice-versa, ledit orifice étant fermé par une plaque supérieure et une plaque inférieure .
L'on obtient ainsi un échangeur de chaleur à plaques empilées en forme de « U » présentant une configuration verticale, ne nécessitant pas de • réservoir de gaz pour assurer le retour du gaz, ce qui permet d'en réduire le coût et le volume total.
Chaque plaque incorpore avantageusement un élément perturbateur du flux de gaz. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque étage de plaques supérieur et inférieur incorpore un élément perturbateur de type différent.
Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, chaque étage de plaques supérieur et inférieur incorpore un circuit de fluide de refroidissement de type différent.
Avantageusement, la surface transversale de l'orifice est à peu près égale à la surface transversale de l'entrée de gaz, de façon à éviter une augmentation sensible de la chute de pression.
L'échangeur comprend en outre un réservoir de gaz couplé à la région d'entrée et de sortie des gaz de l' échangeur . Le réservoir de gaz présente de préférence une configuration sensiblement orthogonale incorporant un orifice supérieur permettant l'entrée des gaz selon une direction sensiblement perpendiculaire aux plaques, et un orifice frontal permettant la sortie des gaz selon une direction sensiblement parallèle aux plaques.
Avantageusement, l'échangeur de chaleur incorpore une vanne by-pass permettant l'ouverture ou la fermeture du passage des gaz vers l'échangeur.
Avantageusement, la vanne by-pass est aussi intégrée au réservoir de gaz proprement dit de l'échangeur.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la vanne by-pass est une vanne papillon.
Dans ce cas, la vanne by-pass comprend de préférence une plaque articulée autour d'un axe situé au centre des régions d'entrée et de sortie des étages de plaques supérieur et inférieur, de telle sorte que, lorsque la vanne est ouverte, la plaque occupe une position parallèle aux plaques en permettant ainsi l'entrée et la sortie des gaz, et, lorsque la vanne est fermée, la plaque occupe une position inclinée permettant de boucher les orifices d'entrée et de sortie du réservoir de gaz.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
Dans le but de faciliter la description de ce qui précède, il est joint des dessins représentant, de façon schématique et uniquement à titre d'exemple non limitatif, un cas pratique de réalisation de l'échangeur de chaleur à plaques empilées de l'invention, dessins dans lesquels : la figure 1 est une vue 'en coupe longitudinale de l'échangeur de chaleur en « U » suivant la direction verticale ; la figure 2 est une vue en perspective de l'échangeur de la figure 1, la plaque supérieure étant omise pour montrer l'orifice de retour de gaz ; et la figure 3 est une vue en perspective de l'échangeur de chaleur comportant deux circuits de refroidissement différents, selon un autre mode de réalisation de l'invention.
DESCRIPTION D'UN MODE DE REALISATION PREFERE
Comme le montrent les figures 1 et 2, l'échangeur de chaleur 1 à plaques empilées, notamment pour les gaz d'échappement d'un moteur, comprend un corps 2 définissant une trajectoire en forme de « U », destiné à la circulation des gaz avec échange de chaleur avec un fluide de refroidissement, dont l'entrée 3 et la sortie 4 des gaz à refroidir sont adjacentes et disposées l'une au-dessus de l'autre, ledit corps 2 comprenant deux étages supérieur 2a et inférieur 2b parallèles et indépendants, pourvus d'une pluralité de plaques empilées 5.
Les plaques 5 sont fermées par leur extrémité finale 6 et incorporent à proximité de ladite extrémité 6 un orifice passant 7 définissant la trajectoire de retour du gaz de l'étage de plaques supérieur 2a à l'étage de plaques inférieur 2b, ledit orifice 7 étant fermé par une plaque supérieure 8 et une plaque inférieure 9.
La plaque supérieure 8 a été omise de la figure 2 de façon à montrer la configuration appropriée de l'orifice 7 qui doit permettre le retour du gaz de l'étage de plaques supérieur 2a à l'étage de plaques inférieur 2b tout en minimisant la chute de pression du gaz. Chaque plaque 5 incorpore en outre un élément perturbateur (non illustré par souci de clarté) du flux de gaz. Les éléments perturbateurs n'atteignent pas l'extrémité finale 6 des plaques 5 de façon à permettre le retour du gaz à travers l'orifice 7. Comme l'illustre également la figure 1, l'échangeur 1 est couplé, dans la région d'entrée et de sortie des gaz, à un réservoir de gaz 10. Selon un mode de réalisation de l'invention, le réservoir de gaz 10 comprend un orifice supérieur 3 permettant l'entrée des gaz selon une direction sensiblement perpendiculaire aux plaques 5, et un orifice frontal 4 permettant la sortie des gaz selon une direction sensiblement parallèle aux plaques 5.
Il convient de souligner que d'autres modes de réalisation du réservoir de gaz sont également possibles. A titre d'exemple, et parmi d'autres configurations possibles, l'entrée 3 peut être parallèle aux plaques 5 et la sortie 4 peut être perpendiculaire à celles-ci ; en variante, l'entrée 3 et la sortie 4 peuvent être toutes deux parallèles ou toutes deux perpendiculaires aux plaques 5.
L' échangeur 1 comprend également une vanne by-pass 11 intégrée au réservoir de gaz 10 proprement dit et permettant l'ouverture et la fermeture du passage des gaz vers l'échangeur 1.
Selon un mode de réalisation de l'invention, et comme l'illustre la figure 1, la vanne by-pass est du type papillon, et comprend une plaque 11 articulée autour d'un axe situé au centre des régions d'entrée et de sortie des étages de plaques supérieur 2a et inférieur 2b respectifs. De cette manière, lorsque la vanne est ouverte, la plaque 11 occupe une position parallèle aux plaques 5 en permettant ainsi l'entrée et la sortie des gaz ; et lorsque la vanne est fermée, la plaque 11 occupe une position inclinée permettant de boucher les orifices d'entrée 3 et de sortie 4 du réservoir de gaz 10 en mettant ainsi en communication l'entrée 3 et la sortie 4 pour réaliser la fonction by- pass proprement dite grâce à laquelle les gaz passent directement dans la conduite d'échappement sans être refroidis par l'échangeur.
L'échangeur fonctionne de la manière suivante : La vanne 11 étant ouverte, le gaz pénètre dans l'échangeur de chaleur 1 en direction de l'étage de plaques supérieur 2a à travers les éléments perturbateurs respectifs et atteint l'extrémité finale
6 des plaques 5 en traversant l'orifice 7. Cet orifice
7 provoque le retour du flux de gaz qui se dirige alors vers l'étage de plaques inférieur 2b en traversant les éléments perturbateurs respectifs, avant de quitter l'échangeur 1 en direction de la conduite de recirculation de gaz.
Les flèches représentées à la figure 1 indiquent la direction du flux de gaz à travers l'échangeur 1. La conception des plaques 5 pourvues de l'orifice 7 permet d'éviter d'avoir à utiliser un réservoir de gaz traditionnel, lequel constitue souvent une pièce de fabrication complexe et relativement coûteuse dans des échangeurs dotés d'un grand nombre de plaques. La conception des plaques 5 est en outre très polyvalente, dans la mesure où une même plaque 5 peut être utilisée dans des échangeurs comportant différents nombres de plaques, seules les pièces de raccord à la région d'entrée et de sortie de l'échangeur devant alors être modifiées.
Ce type de plaques 5 permet une fabrication très simple des échangeurs en forme de « U » asymétriques puisque seules les pièces de raccord à la région d'entrée et de sortie de l'échangeur doivent être modifiées. La configuration de ces pièces de raccord conditionne le nombre de plaques utilisées par le gaz pour entrer dans l'échangeur et en sortir. Le nombre de plaques utilisées pour l'entrée du gaz peut être plus important que le nombre de plaques utilisées pour sa sortie, ce nombre dépendant commodément de l'augmentation de densité du gaz à travers l'échangeur au fur et à mesure de son refroidissement.
La configuration de l'échangeur 1 de l'invention est très polyvalente, puisque celui-ci peut contenir deux éléments perturbateurs différents, un pour les plaques où le gaz est chaud, un autre, plus dense, pour les plaques où le gaz est plus froid et possède une densité supérieure. Ceci permet donc d'accroître l'efficacité de l'échangeur sans en augmenter le volume.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'échangeur peut incorporer deux circuits de refroidissement différents. Comme l'illustre la figure 3, l'échangeur comprend, pour chaque circuit de refroidissement respectif, des conduits d'entrée 12a, 13a et de sortie 12b, 13b correspondants. Le circuit de refroidissement à haute température peut refroidir les plaques où le gaz est chaud, tandis que le circuit de refroidissement à basse température peut refroidir les plaques où le gaz est froid. Ceci permet donc d'accroître l'efficacité de l'échangeur sans en augmenter le volume.
Toutes ces possibilités peuvent être aisément combinées pour améliorer ainsi davantage l'efficacité d'un échangeur ou pour concevoir un échangeur de taille réduite offrant une efficacité équivalente.

Claims

REVENDICATIONS
1. Echangeur de chaleur (1) à plaques empilées, notamment pour les gaz d'échappement d'un moteur, comprenant un corps (2) définissant une trajectoire en forme de « U », destiné à la circulation des gaz avec échange de chaleur avec un fluide de refroidissement, dont l'entrée (3) et la sortie (4) des gaz à refroidir sont adjacentes et disposées l'une au-dessus de l'autre, ledit corps (2) comprenant deux étages supérieur (2a) et inférieur (2b) parallèles et indépendants, pourvus d'une pluralité de plaques empilées (5), caractérisé en ce que les plaques (5) sont fermées par leur extrémité finale (6) et incorporent à proximité de ladite extrémité finale (6) un orifice passant (7) définissant la trajectoire de retour du gaz de l'étage de plaques supérieur (2a) à l'étage de plaques inférieur (2b), ou vice-versa, ledit orifice (7) étant fermé par une plaque supérieure (8) et une plaque inférieure (9).
2. Echangeur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque plaque (5) incorpore un élément perturbateur du flux de gaz.
3. Echangeur (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque étage de plaques supérieur (2a) et inférieur (2b) incorpore un élément perturbateur de type différent.
4. Echangeur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque étage de plaques supérieur (2a) et inférieur (2b) incorpore un circuit de fluide de refroidissement de type différent.
5. Echangeur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface transversale de l'orifice (7) est à peu près égale à la surface transversale de l'entrée (3) de gaz.
6. Echangeur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un réservoir de gaz (10) couplé à la région d'entrée et de sortie des gaz de l'échangeur (1).
7. Echangeur (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que le réservoir de gaz (10) présente une configuration sensiblement orthogonale incorporant un orifice supérieur (3) permettant l'entrée des gaz selon une direction sensiblement perpendiculaire aux plaques (5), et un orifice frontal (4) permettant la sortie des gaz selon une direction sensiblement parallèle aux plaques (5).
8. Echangeur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il incorpore une vanne by-pass (11) permettant l'ouverture ou la fermeture du passage des gaz vers l'échangeur (1).
9. Echangeur (1) selon la revendication 8, caractérisé en ce que la vanne by-pass (11) est intégrée au réservoir de gaz (10) proprement dit de l'échangeur (1).
10. Echangeur (1) selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la vanne by-pass (11) est une vanne papillon.
11. Echangeur (1) selon la revendication 10, caractérisé en ce que la vanne by-pass (11) comprend une plaque (11) articulée autour d'un axe situé au centre des régions d'entrée et de sortie des étages de plaques supérieur (2a) et inférieur (2b) respectifs, de telle sorte que, lorsque la vanne est ouverte, la plaque (11) occupe une position parallèle aux plaques (5) en permettant ainsi l'entrée et la sortie des gaz, et, lorsque la vanne est fermée, la plaque (11) occupe une position inclinée permettant de boucher les orifices d'entrée (3) et de sortie (4) du réservoir de- gaz (10) .
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