WO2023198872A1 - Echangeur de chaleur interne à plaques - Google Patents

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WO2023198872A1
WO2023198872A1 PCT/EP2023/059751 EP2023059751W WO2023198872A1 WO 2023198872 A1 WO2023198872 A1 WO 2023198872A1 EP 2023059751 W EP2023059751 W EP 2023059751W WO 2023198872 A1 WO2023198872 A1 WO 2023198872A1
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WO
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plates
heat exchanger
refrigerant fluid
circulation channels
circuit
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/059751
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English (en)
Inventor
Julien Tissot
Kamel Azzouz
Gael Durbecq
Julio GUERRA
Moussa Nacer-Bey
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Valeo Systemes Thermiques
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0031—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
    • F28D9/0043—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the plates having openings therein for circulation of at least one heat-exchange medium from one conduit to another
    • F28D9/005—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the plates having openings therein for circulation of at least one heat-exchange medium from one conduit to another the plates having openings therein for both heat-exchange media
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B40/00—Subcoolers, desuperheaters or superheaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/04—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element
    • F28F3/042—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element in the form of local deformations of the element
    • F28F3/046—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element in the form of local deformations of the element the deformations being linear, e.g. corrugations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0068—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for refrigerant cycles

Definitions

  • the invention relates to an internal heat exchanger within a refrigerant circuit of a motor vehicle.
  • the refrigerant circuits are used to regulate the temperature of an air flow directed towards a passenger compartment of a motor vehicle and/or to help cool various elements of the vehicle, such as for example electrical storage devices.
  • the refrigerant fluid circuit integrates heat exchangers as well as a compressor and a regulator which respectively ensure the rise and fall in pressure of the refrigerant fluid during its circulation within the circuit, so that we can distinguish a high pressure part and a low pressure part in this circuit.
  • the refrigerant entering the compressor must be exclusively in the gaseous state so as not to damage the compressor.
  • the use of an accumulation device making it possible to recover a persistent liquid fraction of the refrigerant fluid at the outlet of one of the heat exchangers arranged upstream of the compressor is known.
  • the refrigerant fluid directed to the compressor is exclusively in the gaseous state
  • an internal heat exchanger which is placed directly upstream of the compressor and intended to increase the evaporation power of the fluid refrigerant.
  • the internal heat exchanger is specific to the refrigerant fluid circuit and is only crossed by the refrigerant fluid, in one direction by the refrigerant fluid circulating in the high pressure part and in the other direction by the refrigerant fluid. circulating in the low pressure part of the circuit.
  • the internal heat exchangers are in the form of two concentric tubes corresponding respectively to one and the other of the low pressure and high pressure parts of the circuit, with a wall common to each of the two concentric tubes, and the heat exchange necessary to ensure the evaporation of the refrigerant fluid from the low pressure part of the circuit, prior to the entry of the refrigerant fluid into the compressor, takes place through the wall common to the two concentric tubes.
  • the invention therefore proposes to solve these problems by designing an internal plate heat exchanger making it possible to withstand the high pressure conditions of the refrigerant circuit while limiting the pressure loss of the refrigerant fluid in the low pressure circuit, guaranteeing thus optimal evaporation power of the refrigerant fluid at low pressure.
  • the particular structure of the internal heat exchanger in the form of plates makes it possible in particular to guarantee a saving of space compared to the structures of the prior art in the form of a concentric tube. Through these effects, the operation of the refrigerant circuit is generally improved.
  • the invention relates more particularly to a plate heat exchanger of a refrigerant fluid circuit, the heat exchanger comprising a plurality of plates stacked on top of each other in a vertical stacking direction, the adjacent plates delimiting between they a plurality of first channels for circulating the refrigerant fluid of a low pressure part of the circuit and a plurality of second channels for circulating the refrigerant fluid of a high pressure part of the circuit, at least part of the plurality of plates of the heat exchanger comprising a plurality of openings among which some form a first inlet collector and others form a first outlet collector of the low pressure refrigerant fluid communicating with the first circulation channels and among which some form a second collector inlet and others a second outlet collector of the high pressure refrigerant fluid communicating with the second circulation channels, the heat exchanger being characterized in that at least two of the first circulation channels are adjacent in the direction d vertical stacking.
  • the heat exchanger is a plate exchanger formed by a stack of plates configured to delimit refrigerant fluid circulation channels between them, the plates being linked to each other so as to make the circulation channels which they participate in delimiting in fluid communication or not with the collectors which extend across the plates along the stacking direction.
  • An appropriate spacing between two adjacent plates generates a refrigerant circulation channel and the fact that this channel opens onto a collector associated with a low pressure portion of the circuit or onto a collector associated with a high pressure portion of the circuit makes it possible to qualify this channel either as a first low pressure circulation channel or as a second high pressure circulation channel.
  • the heat exchanger is here an internal heat exchanger arranged within a refrigerant fluid circuit upstream of a refrigerant fluid circuit compressor, so as to be crossed only by the refrigerant fluid, in two distinct directions and at different pressures and temperatures, so that the heat exchange takes place between the refrigerant fluid in a first state and the refrigerant fluid in a second state.
  • the internal heat exchanger has the function, among other things, of increasing the evaporation power of the refrigerant at low pressure before it enters the compressor.
  • the internal heat exchanger therefore allows the low pressure refrigerant fluid to carry out a heat exchange with the high pressure refrigerant fluid by recovering part of the calories of the latter, ensuring the transition to the gaseous state of a liquid fraction persistent in the refrigerant at low pressure.
  • the circulation channels delimited by the adjacent plates of the plurality of plates are arranged so that a second circulation channel extends on either side, in the vertical direction, of the assembly formed by the at least two first adjacent circulation channels.
  • the first circulation channels are arranged in sets of two first adjacent circulation channels in the vertical direction and partially delimited respectively by the same plate.
  • at least one of the plates of the plurality of plates delimits two first adjacent circulation channels.
  • three adjacent plates are necessary to delimit two first adjacent circulation channels, the plate placed in the center of the stack of these three adjacent plates, or central plate, being common to the first two adjacent circulation channels.
  • each of the sets is separated from another set by a single second circulation channel in the vertical direction.
  • All of the first circulation channels can thus be arranged in sets of two first adjacent circulation channels in the vertical direction, separated by a single second circulation channel, so that we tend to have a distribution of the channels of circulation with a number of first circulation channels, associated with the circulation of the low-pressure refrigerant fluid, which is greater than or equal to twice the number of second circulation channels, associated with the circulation of the high-pressure refrigerant fluid.
  • each of the plates comprises peripheral portions surrounding each of the openings, a peripheral portion of a plate being able to be made integral with the peripheral portion of an adjacent plate to isolate the circulation channel delimited between these plates adjacent to the collector formed by the corresponding openings.
  • the plates are distributed into primary plates, with a flat peripheral portion which extends in a plane substantially perpendicular to the vertical direction of stacking, and secondary plates whose peripheral portion is deformed to come into contact with the peripheral portion of a primary plate, the internal plate heat exchanger being configured so that the plurality of plates comprises two successive primary plates at regular intervals.
  • the edges of the peripheral portions participating in delimiting a collector formed by a plurality of openings have a thickness varying from one edge to the other along the vertical stacking direction.
  • each of the plates comprises at least one exchange surface against which the refrigerant fluid circulates and a raised edge, the plurality of plates being stacked such that each of the raised edges of each of the plates are in contact with each other and that each of the exchange surfaces is at a non-zero distance so as to form the circulation channels.
  • At least one of the exchange surfaces of one of the plates of the plurality of plates comprises a boss.
  • irregular profile we mean a profile which extends outside a main extension plane of the plate.
  • the irregular profile can be formed by a deformation of the exchange surfaces of the plates in such a way as to disrupt the circulation of the refrigerant fluid against the upper and lower faces of the plates.
  • Such a disturbance in the circulation of the refrigerant fluid makes it possible to increase the thermal exchanges between the low pressure refrigerant fluid and the high pressure refrigerant fluid circulating in their respective circulation channels.
  • the invention also relates to a refrigerant fluid circuit comprising at least one heat exchanger according to any of the preceding characteristics, the refrigerant fluid circuit comprising a high pressure part and a low pressure part, the heat exchanger being arranged fluidly in the circuit such that it allows a heat exchange between the refrigerant fluid circulating in gaseous form in the low pressure part with the refrigerant fluid circulating in liquid form in the high pressure part.
  • the first circulation channels of the heat exchanger are connected to the low pressure part of the circuit by means of a first and a second connection blocks and the second channels of circulation of the heat exchanger are connected to the high pressure part of the circuit by means of a third and a fourth connection blocks of the heat exchanger.
  • FIG i is a schematic view of part of a refrigerant circuit
  • FIG 2 is a sectional view of a heat exchanger of the refrigerant circuit
  • FIG 3 is a perspective view of a stack of plates forming the heat exchanger of Figure 2;
  • FIG 4 is a schematic representation of a detail from Figure 2.
  • FIG. 1 is illustrated a refrigerant fluid circuit 1 comprising at least one heat exchanger 2 according to the invention, here an internal heat exchanger 2.
  • the refrigerant fluid circuit 1 also comprises at least one compressor 4, a condenser 6 , an evaporator 8 as well as an accumulation device 10.
  • the circuit is illustrated a refrigerant fluid circuit 1 comprising at least one heat exchanger 2 according to the invention, here an internal heat exchanger 2.
  • the refrigerant fluid circuit 1 also comprises at least one compressor 4, a condenser 6 , an evaporator 8 as well as an accumulation device 10.
  • I of refrigerant fluid makes it possible to heat and/or cool a heat transfer fluid 15, 21 distinct from circuit 1 and for example directed towards a passenger compartment of a vehicle, or even towards an electrical storage device of an electric or hybrid vehicle.
  • the compressor 4 illustrated schematically in Figure 1 makes it possible to compress the refrigerant fluid in order to increase its pressure, and therefore its temperature.
  • the high pressure refrigerant fluid is in the state gaseous and has a high temperature, that is to say higher than its inlet temperature into said compressor 4. It is then understood that at the outlet of compressor 4, the refrigerant fluid circulates in a high pressure part 12 of circuit 1 of refrigerant.
  • a first pipe 14a extends between the compressor 4 and the condenser 6, which allows an exchange of calories between a heat transfer fluid 15 passing through it and the refrigerant fluid at high temperature and high pressure, which transfers these calories to said heat transfer fluid 15. leaving the condenser 6, the refrigerant fluid remains at high pressure but has a lower temperature than at the entrance to the condenser, so that it leaves in a two-phase or all-liquid state.
  • the refrigerant fluid is directed into a second pipe 14b which extends between said condenser 6 and the internal heat exchanger 2 mentioned previously.
  • the internal heat exchanger 2 is configured so as to be crossed by the refrigerant fluid in two opposite directions, the refrigerant being at high pressure in the first direction and at low pressure in the second direction.
  • the refrigerant fluid of the high pressure part 12 of the refrigerant circuit 1 can exchange calories with the refrigerant fluid circulating in a low pressure part 18 of the refrigerant circuit 1. This heat transfer makes it possible to improve the performance of the thermodynamic cycle implemented in circuit 1 of the refrigerant fluid.
  • the structure of the internal heat exchanger 2 will be detailed later in the description.
  • the refrigerant fluid circulates in a third pipe 14c which connects said internal heat exchanger 2 to the evaporator 8.
  • the third pipe 14c comprises at least one regulator 20 which makes it possible to lower the pressure and the evaporation point of the refrigerant fluid at high pressure before it enters the evaporator 8. We understand that it is from the regulator 20 that we pass from the upper part pressure 12 of circuit 1 of refrigerant fluid to the low pressure part 18 mentioned previously.
  • the refrigerant fluid is at low pressure and circulates within the evaporator 8 in order to exchange calories with a heat transfer fluid 21, for example intended to cool an electrical storage device not shown, passing through said evaporator 8. More particularly, this heat transfer fluid passing through the evaporator 8 gives up its calories to the refrigerant fluid circulating in the evaporator 8, which thus evaporates.
  • the refrigerant fluid evaporates under the effect of the capture of calories from the heat transfer fluid 21, the regulator 20 having lowered its evaporation point. In this way, at the outlet of the evaporator 8, the refrigerant fluid is mainly in the gaseous state.
  • the refrigerant fluid is directed in a fourth pipe 14 d towards the accumulation device 10, here for example an accumulation bottle.
  • the function of the accumulation device 10 is to collect a persistent liquid fraction of the refrigerant fluid at the outlet of the evaporator 8. Such a passage through the accumulation device 10 is necessary prior to the passage of the refrigerant fluid into the compressor 4 which cannot accept only the refrigerant in the gaseous state.
  • the refrigerant fluid enters a fifth pipe 14e which directs it towards the internal heat exchanger 2 mentioned previously, in order to exchange calories with the refrigerant fluid of the high pressure part 12 of circuit 1 of refrigerant fluid mentioned previously.
  • a passage through the internal heat exchanger 2 ensures that the refrigerant fluid leaving said internal heat exchanger 2 is exclusively in the gaseous state, prior to its entry into the compressor 4.
  • the heat exchanger according to the invention is in this context configured to guarantee optimal efficiency of the heat exchange and in particular of the evaporation of the refrigerant fluid when it circulates in the low pressure part, in order not to damage the compressor. 4 located downstream of the latter, such damage being able to reduce the operating efficiency of the refrigerant fluid circuit 1.
  • the internal heat exchanger 2 is a plate exchanger comprising plates 22 stacked one above the other and which is configured so that refrigerant fluid circulates in conduits formed between two adjacent plates, the plates being configured to also form many low pressure conduits 30, namely conduits connected only to the low pressure part 18 of the circuit, only high pressure conduits 32, namely conduits connected only to the high pressure part 12 of the circuit.
  • the plates 22 are configured and linked to each other so that the number of low pressure conduits 30 is greater than the number of high pressure conduits 32, and in particular that the number of low pressure conduits is greater than or equal to the double the number of high pressure pipes.
  • the internal heat exchanger 2 comprises a plurality of plates 22 stacked on top of each other in a vertical stacking direction V.
  • Each of these plates 22 has the shape of a bathtub with a surface of exchange 24 surrounded peripherally by a raised edge 26.
  • the plates 22 are stacked such that the raised edge 26 of each of the plates 22 is in contact with at least one other raised edge 26 and such that the surface of exchange 24 of each of the plates 22 is at a non-zero distance, in the vertical stacking direction V, from the exchange surfaces 24 of the adjacent plates.
  • Circulation channels 28 of the refrigerant fluid are thus formed between two adjacent plates, each of these channels being configured to communicate fluidly with a fluid inlet and a fluid outlet connected to one of the high pressure or low pressure parts of the circuit. More particularly, the adjacent plates 22 delimit between them a plurality of first circulation channels 30 of the refrigerant fluid of the low pressure part 18 of the circuit and a plurality of second circulation channels 32 of the refrigerant fluid of the high pressure part 12 of the circuit.
  • At least part of the plurality of plates 22 of the heat exchanger 2 each comprises a plurality of openings 34, some of which are arranged vertically one above the other to form a plurality of collectors, such that is particularly visible in Figure 3.
  • the arrangement of the openings 34 thus makes it possible to define on the one hand a first inlet collector 36a and a first outlet collector 36b of the low pressure refrigerant fluid, intended to communicate fluidly with each of the first circulation channels 30, and on the other hand a second inlet collector 38a and a second outlet collector 38b of the high pressure refrigerant fluid, intended to communicate fluidly with each of the second circulation channels 32.
  • Each of the collectors 36a, 36b, 38a, 38b are formed by an alignment of openings and extend vertically through the plurality of plates 22.
  • a collector 36a, 36b, 38a, 38b is advantageously provided in each of the corners of the plate heat exchanger, as is more particularly visible in Figure 3, it being understood that the two inlet collectors 36a, 38a can be diagonally opposed, without a different arrangement going beyond the context of the invention, since as mentioned the number of first circulation channels within the interchange is greater than the number of second circulation channels .
  • the arrangement with diagonally opposite inlet collectors without being limiting to the invention, makes it possible to generate within the internal heat exchanger 2 a cross circulation of the refrigerant fluid present in the first circulation channels 30 at low pressure and of the refrigerant fluid present in the second circulation channels 32 at high pressure, thus helping to improve the quality of heat exchanges.
  • Such circulation in alternating directions is particularly visible in Figure 4, where the direction of circulation of the refrigerant fluid is represented by arrows, and more particularly first arrows Si for a first direction of circulation within the first circulation channels 30 and by second arrows S2 for a second direction of circulation within the second circulation channels 32.
  • first end plate 40 and a second end plate 42 which each extend to a vertical end of the stack of plates 22.
  • the first end plate 40 is then devoid of openings 34 such that it participates in vertically closing a volume of the heat exchanger 2.
  • the second end plate 42 carries four connection blocks 44a, 44b, 44c , 44d, represented schematically in Figure 1 and intended to be arranged opposite each of the collectors 36a, 36b, 38a, 38b formed by the openings 34 of the plates 22.
  • each of the connection blocks 44a, 44b , 44c, 44d is arranged on the second end plate 42 overlapping the openings 34 formed in the second end plate 42.
  • connection blocks 44a, 44b, 44c, 44b provide the fluid connection between the pipes 14b, 14c, 14e, i4f of the refrigerant circuit 1 described above and the circulation channels 30, 32 delimited not the plates 22. More particularly, a first connection block 44a fluidly connects the fifth pipe 14e to the first circulation channels 30 via the first inlet collector 36a, a second connection block 44b connects the first circulation channels 30 to the sixth iqf pipe via the first outlet collector 36b, a third connection block 44c fluidly connects the second pipe 14b to the second circulation channels 32 via the second inlet collector 38a and a fourth connection block 44d fluidly connects the second circulation channels circulation 32 to the third pipe 14c via the second outlet collector 38b.
  • the plates 22 are configured so that at least two of the first circulation channels 30 are adjacent in the vertical direction V.
  • this set of first adjacent circulation channels 30 is delimited vertically by the first end plate 40, the second end plate 42, or by a second circulation channel 32.
  • two second circulation channels 32 extend on either side of the assembly 46 formed by two first circulation channels 30 adjacent, in the vertical direction V.
  • all of the first circulation channels 30 of the heat exchanger 2 are arranged in sets 46 as described previously, each of the sets 46 being separated from another set 46 by a single second circulation channel 32 following the vertical direction V.
  • the circulation channels 28 are distributed so that a number of first circulation channels 30 is greater than the number of second circulation channels 32, with the number of first circulation channels 30 which may be greater than or equal to the double the number of second circulation channels 32.
  • a central plate 221 participates in delimiting two first adjacent circulation channels 30 forming a set 46 and that the two neighboring plates 222, 223 of this central plate 221 each participate in delimiting on the one hand one of the first circulation channels 30 of the set 46 and on the other hand a second adjacent circulation channel 32 to this set 46.
  • these two neighboring plates 222, 223 have different configurations to make it possible to block or authorize the fluidic communication of the first circulation channels 30 and the second circulation channels 32 with the corresponding collectors.
  • each of the faces 48, 50 of a plate 22 contributes to delimiting a separate circulation channel 30, 32. More particularly, for a central plate 221, the upper face 48 and the lower face 50 each participate in delimiting one of the first channels of adjacent circulation 30 forming a set 46 as previously mentioned. And for a neighboring plate 222, 223 of this central plate, one of its upper faces 48 or lower 50 also participates in delimiting one of the first adjacent circulation channels 30 of the set 46 while the other face 48, 50 participates in delimit a second circulation channel 32.
  • the peripheral portion 52 of one of the neighboring plates 222 of the central plate 221 is deformed, opposite the central plate, to be in contact with another plate and form, in particular by brazing, a sealed zone preventing fluid communication between a second circulation channel 32 and the corresponding collector.
  • the peripheral portion 52 of the other neighboring plate 223 has a configuration similar to that of the peripheral portion of the central plate 221, here a substantially planar configuration.
  • a plate edge 220 formed by the peripheral portion 52 of the central plate 221 has a first thickness ei, substantially equal to the average thickness of each of the plates of the exchanger, and the plate edge 53 adjacent to this Peripheral portion 52 of the central plate 221 has a second thickness e2, substantially equal to twice the average thickness of each of the plates of the exchanger, since formed by the junction of the peripheral portions of two adjacent plates.
  • At least one of the exchange surfaces 24 of one of the plates 22 of the plurality of plates 22 comprises a boss 60.
  • the boss 60 visible by way of example in Figure 4 , forms a projection from the lower face 50 of the corresponding plate, tending to approach the exchange surface of the adjacent plate facing this lower face 50.
  • the passage section of the refrigerant fluid is thus locally reduced and it results in a disruption of the circulation of the refrigerant fluid within the circulation channel delimited by the lower face 50 equipped with the boss and the upper face 48 of the adjacent plate.
  • Such a disruption of the circulation of the refrigerant fluid in the circulation channels makes it possible to increase the thermal exchanges between the low-pressure refrigerant fluid and the high-pressure refrigerant fluid circulating in their respective circulation channels 30, 32.
  • the invention as it has just been described achieves the goal it set for itself by proposing an internal plate heat exchanger whose plates are more particularly configured and arranged in relation to each other to allow a internal heat exchange in a refrigerant circuit which does not present any pressure loss at the low pressure part of this circuit. It should be noted, however, that the invention cannot be limited to the means and configurations exclusively described and illustrated, and also applies to all equivalent means or configurations and to any combination of such means or configurations.

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Abstract

Echangeur de chaleur interne à plaques. L'invention concerne échangeur de chaleur (2) à plaques (22) d'un circuit de fluide réfrigérant, l'échangeur de chaleur (2) comprenant au moins une pluralité de plaques (22) empilées les unes sur les autres selon une direction d'empilement verticale (V), les plaques (22) adjacentes délimitant entre elles une pluralité de premiers canaux de circulation (30) du fluide réfrigérant d'une partie basse pression (18) du circuit (1) et une pluralité de deuxièmes canaux de circulation (32) du fluide réfrigérant d'une partie haute pression (12) du circuit (1), au moins deux des premiers canaux de circulation (30) étant adjacents selon la direction verticale (V).

Description

Echangeur de chaleur interne à plaques.
L’invention se rapporte à un échangeur de chaleur interne au sein d’un circuit de fluide réfrigérant d’un véhicule automobile.
Les circuits de fluide réfrigérant sont utilisés afin de réguler la température d’un flux d’air dirigé vers un habitacle de véhicule automobile et/ ou pour participer à refroidir divers éléments du véhicule, tel que par exemple des dispositifs de stockage électriques. A cette fin, le circuit de fluide réfrigérant intègre des échangeurs thermiques ainsi qu’un compresseur et un détendeur qui assurent respectivement la montée et la descente en pression du fluide réfrigérant au cours de sa circulation au sein du circuit, de sorte que l’on peut distinguer dans ce circuit une partie haute pression et une partie basse pression.
Dans un tel circuit, le fluide réfrigérant entrant dans le compresseur doit être exclusivement à l’état gazeux afin de ne pas endommager le compresseur. Pour ce faire, il est connu l’utilisation d’un dispositif d’accumulation permettant de récupérer une fraction liquide persistante du fluide réfrigérant en sortie d’un des échangeurs thermiques disposés en amont du compresseur.
Afin de garantir que le fluide réfrigérant dirigé vers le compresseur soit exclusivement à l’état gazeux, il est également connu d’intégrer un échangeur de chaleur interne qui est disposé directement en amont du compresseur et destiné à augmenter la puissance d’évaporation du fluide réfrigérant. Plus particulièrement, l’échangeur de chaleur interne est spécifique au circuit de fluide réfrigérant et n’est traversé que par le fluide réfrigérant, dans un sens par le fluide réfrigérant circulant dans la partie haute pression et dans l’autre sens par le fluide réfrigérant circulant dans la partie basse pression du circuit.
De manière habituelle, les échangeurs de chaleur internes se présentent sous la forme de deux tubes concentriques correspondant respectivement à l’une et l’autre des parties basse pression et haute pression du circuit, avec une paroi commune à chacun des deux tubes concentriques, et l’échange thermique nécessaire pour assurer l’évaporation du fluide réfrigérant de la partie basse pression du circuit, préalablement à l’entrée du fluide réfrigérant dans le compresseur, se fait à travers la paroi commune aux deux tubes concentriques. Cependant, un inconvénient d’un tel échangeur de chaleur interne sous la forme de tubes concentriques réside d’une part dans l’encombrement important qu’il génère au sein du véhicule et d’autre part dans l’efficacité qui peut être améliorée du fait d’une perte de charge importante dans le tube traversé par le fluide réfrigérant à basse pression, limitant ainsi les performances d’évaporation du fluide réfrigérant.
L’invention se propose donc de résoudre ces problèmes en concevant un échangeur de chaleur interne à plaques permettant de résister aux conditions de haute pression du circuit de fluide réfrigérant tout en limitant la perte de charge du fluide réfrigérant dans le circuit de basse pression, garantissant ainsi une puissance d’évaporation optimale du fluide réfrigérant à basse pression. La structure particulière de l’échangeur de chaleur interne sous forme de plaques permet notamment de garantir un gain de place par rapport aux structures de l’art antérieur sous forme de tube concentrique. Par ces effets, on améliore ainsi de manière générale le fonctionnement du circuit de fluide réfrigérant.
L’invention porte plus particulièrement sur un échangeur de chaleur à plaques d’un circuit de fluide réfrigérant, l’échangeur de chaleur comprenant une pluralité de plaques empilées les unes sur les autres selon une direction d’empilement verticale, les plaques adjacentes délimitant entre elles une pluralité de premiers canaux de circulation du fluide réfrigérant d’une partie basse pression du circuit et une pluralité de deuxièmes canaux de circulation du fluide réfrigérant d’une partie haute pression du circuit, au moins une partie de la pluralité de plaques de l’échangeur de chaleur comprenant une pluralité d’ouvertures parmi lesquelles certaines forment un premier collecteur d’entrée et d’autres forment un premier collecteur de sortie du fluide réfrigérant basse pression communiquant avec les premiers canaux de circulation et parmi lesquelles certaines forment un deuxième collecteur d’entrée et d’autres un deuxième collecteur de sortie du fluide réfrigérant haute pression communiquant avec les deuxièmes canaux de circulation, l’échangeur de chaleur étant caractérisé en ce qu’au moins deux des premiers canaux de circulation sont adjacents selon la direction d’empilement verticale.
L’échangeur de chaleur est un échangeur à plaques formé par un empilement de plaques configurée pour délimiter entre elles des canaux de circulation de fluide réfrigérant, les plaques étant liées les unes aux autres de manière à rendre les canaux de circulation qu’elles participent à délimiter en communication fluidique ou non avec les collecteurs qui s’étendent en travers des plaques le long de la direction d’empilement. Un écartement approprié entre deux plaques adjacentes génère un canal de circulation de fluide réfrigérant et le fait que ce canal débouche sur un collecteur associé à une portion basse pression du circuit ou sur un collecteur associé à une portion haute pression du circuit permet de qualifier ce canal soit comme un premier canal de circulation basse pression soit comme un deuxième canal de circulation haute pression.
L’échangeur de chaleur est ici un échangeur de chaleur interne disposé au sein d’un circuit de fluide de réfrigérant en amont d’un compresseur de circuit de fluide réfrigérant, de manière à être traversé uniquement par le fluide réfrigérant, dans deux sens distincts et à des pressions et températures différentes, de sorte que l’échange thermique se fait entre le fluide réfrigérant dans un premier état et le fluide réfrigérant dans un deuxième état. L’échangeur de chaleur interne a entre autres pour fonction d’augmenter la puissance d’évaporation du fluide réfrigérant à basse pression avant son entrée dans le compresseur. L’échangeur de chaleur interne permet donc au fluide réfrigérant à basse pression d’effectuer un échange thermique avec le fluide réfrigérant à haute pression en récupérant une partie des calories de ce dernier, assurant le passage à l’état gazeux d’une fraction liquide persistante dans le fluide réfrigérant à basse pression.
On tire alors avantage de la disposition particulière des canaux de circulation au sein de l’échangeur de chaleur interne à plaques selon l’invention dans la mesure où l’on peut prévoir un nombre de premiers canaux de circulation, associés à la circulation du fluide réfrigérant à basse pression, qui est supérieur au nombre de deuxième canaux de circulation, associés à la circulation du fluide réfrigérant à haute pression, ce qui permet de limiter la perte de charge du fluide réfrigérant à basse pression lorsqu’il circule dans l’échangeur de chaleur, permettant ainsi d’améliorer les échanges thermiques avec le fluide réfrigérant à haute pression, dans un contexte d’échangeur à plaques moins encombrant qu’un échangeur à tubes concentriques. On améliore ainsi la puissance d’évaporation du fluide réfrigérant basse pression dans l’échangeur de chaleur interne.
Selon une caractéristique de l’invention, les canaux de circulation délimités par les plaques adjacentes de la pluralité de plaques sont agencés de sorte qu’un deuxième canal de circulation s’étend de part et d’autre, suivant la direction verticale, de l’ensemble formé par les au moins deux premiers canaux de circulation adjacents.
Selon une caractéristique de l’invention, les premiers canaux de circulation sont agencés en des ensembles de deux premiers canaux de circulation adjacents suivant la direction verticale et partiellement délimités respectivement par une même plaque. En d’autres termes, au moins une des plaques de la pluralité de plaques délimite deux premiers canaux de circulation adjacents. Dans ce contexte, trois plaques adjacentes sont nécessaires pour délimiter deux premiers canaux de circulation adjacents, la plaque disposée au centre de l’empilement de ces trois plaques adjacentes, ou plaque centrale, étant commune aux deux premiers canaux de circulation adjacents.
Selon une caractéristique de l’invention, chacun des ensembles est séparé d’un autre ensemble par un unique deuxième canal de circulation suivant la direction verticale. L’intégralité des premiers canaux de circulation peut ainsi être agencée en des ensembles de deux premiers canaux de circulation adjacents selon la direction verticale, séparés par un unique deuxième canal de circulation, de sorte que l’on tend à avoir une répartition des canaux de circulation avec un nombre de premiers canaux de circulation, associé à la circulation du fluide réfrigérant à basse pression, qui est supérieur ou égal à deux fois le nombre de deuxièmes canaux de circulation, associé à la circulation du fluide réfrigérant à haute pression.
Selon une caractéristique de l’invention, chacune des plaques comporte des portions périphériques entourant chacune des ouvertures, une portion périphérique d’une plaque pouvant être rendue solidaire de la portion périphérique d’une plaque adjacente pour isoler le canal de circulation délimité entre ces plaques adjacentes du collecteur formé par les ouvertures correspondantes.
Selon une caractéristique de l’invention, au niveau des collecteurs de fluide réfrigérant basse pression, les plaques sont réparties en des plaques primaires, avec une portion périphérique plane qui s’étend dans un plan sensiblement perpendiculaire à la direction verticale d’empilement, et des plaques secondaires dont la portion périphérique est déformée pour venir au contact de la portion périphérique d’une plaque primaire, l’échangeur de chaleur interne à plaques étant configuré de sorte que la pluralité de plaques comporte à intervalles réguliers deux plaques primaires successives.
Selon une caractéristique de l’invention, les bords des portions périphériques participant à délimiter un collecteur formés par une pluralité d’ouvertures présentent une épaisseur variant d’un bord à l’autre le long de la direction d’empilement verticale.
Selon une caractéristique de l’invention, chacune des plaques comprend au moins une surface d’échange contre laquelle circule le fluide réfrigérant et un bord relevé, la pluralité de plaques étant empilées de telle sorte que chacun des bords relevés de chacune des plaques soient en contact les uns des autres et que chacune des surfaces d’échange soit à une distance non nulle de sorte à former les canaux de circulation.
Selon une caractéristique de l’invention, au moins une des surfaces d’échange d’une des plaques de la pluralité de plaques comprend un bossage.
On entend par profil irrégulier, un profil qui s’étend en dehors d’un plan d’extension principal de la plaque. Par exemple, le profil irrégulier peut être formé par une déformation des surfaces d’échange des plaques de telle sorte à perturber la circulation du fluide réfrigérant contre les faces supérieures et inférieures des plaques. Une telle perturbation de la circulation du fluide réfrigérant permet d’augmenter les échanges thermiques entre le fluide réfrigérant basse pression et le fluide réfrigérant haute pression circulant dans leurs canaux de circulation respectifs.
L’invention porte également sur un circuit de fluide réfrigérant comprenant au moins un échangeur de chaleur selon l’une quelconque des caractéristiques précédentes, le circuit de fluide réfrigérant comprenant une partie haute pression et une partie basse pression, l’échangeur de chaleur étant disposé fluidiquement dans le circuit de telle sorte qu’il permet un échange thermique entre le fluide réfrigérant circulant sous forme gazeux dans la partie basse pression avec le fluide réfrigérant circulant sous forme liquide dans la partie haute pression.
Selon une caractéristique de l’invention, les premiers canaux de circulation de l’échangeur de chaleur sont reliés à la partie basse pression du circuit au moyen d’un premier et d’un deuxième blocs de raccordement et les deuxièmes canaux de circulation de l’échangeur de chaleur sont reliés à la partie haute pression du circuit au moyen d’un troisième et d’un quatrième blocs de raccordement de l’échangeur de chaleur.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description donnée ci-après à titre indicatif en relation avec des dessins dans lesquels :
[Fig i] est une vue schématique d’une partie d’un circuit de fluide réfrigérant ;
[Fig 2] est une vue en coupe d’un échangeur de chaleur du circuit de fluide réfrigérant ;
[Fig 3] est une vue en perspective d’un empilement de plaques formant l’échangeur de chaleur de la figure 2 ;
[Fig 4] est une représentation schématique d’un détail de la figure 2.
Il faut tout d’abord noter que si les figures exposent l’invention de manière détaillée pour sa mise en œuvre, ces figures peuvent bien entendu servir à mieux définir l’invention, le cas échéant. Il est également à noter que ces figures n’exposent que des exemples de réalisation de l’invention. Enfin, les mêmes repères désignent les mêmes éléments dans l'ensemble des figures.
Sur la figure 1 est illustré un circuit 1 de fluide réfrigérant comprenant au moins un échangeur de chaleur 2 selon l’invention, ici un échangeur de chaleur interne 2. Le circuit 1 de fluide réfrigérant comprend également au moins un compresseur 4, un condenseur 6, un évaporateur 8 ainsi qu’un dispositif d’accumulation 10. Le circuit
I de fluide réfrigérant permet de chauffer et/ou refroidir un fluide caloporteur 15, 21 distinct du circuit 1 et par exemple dirigé vers un habitacle d’un véhicule, ou encore vers un dispositif de stockage électrique d’un véhicule électrique ou hybride.
II convient de considérer que le circuit de fluide réfrigérant détaillé dans la suite de la description n’est qu’un exemple de réalisation, et que ledit circuit peut comprendre plus d’éléments qui ne feront pas ici l’objet d’une description.
Le compresseur 4 illustré schématiquement à la figure 1 permet de comprimer le fluide réfrigérant afin d’augmenter sa pression, et par conséquent sa température. Ainsi, en sortie de compresseur 4, le fluide réfrigérant à haute pression est à l’état gazeux et présente une température élevée, c’est-à-dire supérieure à sa température d’entrée dans ledit compresseur 4. On comprend alors qu’en sortie de compresseur 4, le fluide réfrigérant circule dans une partie haute pression 12 du circuit 1 de fluide réfrigérant.
Une première conduite 14a s’étend entre le compresseur 4 et le condenseur 6, qui permet un échange de calories entre un fluide caloporteur 15 le traversant et le fluide réfrigérant à haute température et haute pression, qui cède ces calories audit fluide caloporteur 15. En sortie du condenseur 6, le fluide réfrigérant reste à haute pression mais présente une température plus basse qu’en entrée du condenseur, si bien qu’il sort dans un état diphasique ou tout liquide.
En sortie de condenseur 6, le fluide réfrigérant est dirigé dans une deuxième conduite 14b qui s’étend entre ledit condenseur 6 et l’échangeur de chaleur interne 2 évoqué précédemment. L’échangeur de chaleur interne 2 est configuré de manière à être traversé par le fluide réfrigérant en deux sens opposés, le fluide réfrigérant étant à haute pression dans le premier sens et à basse pression dans le deuxième sens. Le fluide réfrigérant de la partie haute pression 12 du circuit 1 de fluide réfrigérant peut échanger des calories avec le fluide réfrigérant circulant dans une partie basse pression 18 du circuit 1 de fluide réfrigérant. Ce transfert de chaleur permet d’améliorer les performances du cycle thermodynamique mis en œuvre dans le circuit 1 de fluide réfrigérant. La structure de l’échangeur de chaleur interne 2 sera détaillée plus loin dans la description.
A l’issue de son passage dans l’échangeur de chaleur interne 2, le fluide réfrigérant circule dans une troisième conduite 14c qui relie ledit échangeur de chaleur interne 2 à l’évaporateur 8. Plus particulièrement, la troisième conduite 14c comprend au moins un détendeur 20 qui permet d’abaisser la pression et le point d’évaporation du fluide réfrigérant à haute pression avant son entrée dans l’évaporateur 8. On comprend que c’est à partir du détendeur 20 que l’on passe de la partie haute pression 12 du circuit 1 de fluide réfrigérant à la partie basse pression 18 évoquée précédemment.
En sortie du détendeur 20, le fluide réfrigérant est à basse pression et circule au sein de l’évaporateur 8 afin d’échanger des calories avec un fluide caloporteur 21, par exemple destiné à refroidir un dispositif de stockage électrique non représenté, traversant ledit évaporateur 8. Plus particulièrement, ce fluide caloporteur traversant l’évaporateur 8 cède ses calories au fluide réfrigérant circulant dans l’évaporateur 8, qui ainsi s’évapore. Ainsi, on comprend qu’au sein de l’évaporateur 8, le fluide réfrigérant s’évapore sous l’effet de la captation des calories du fluide caloporteur 21, le détendeur 20 ayant abaissé son point d’évaporation. De la sorte, en sortie de l’évaporateur 8, le fluide réfrigérant est majoritairement à l’état gazeux.
En sortie de l’évaporateur 8, le fluide réfrigérant est dirigé dans une quatrième conduite 14 d vers le dispositif d’accumulation 10, ici par exemple une bouteille d’accumulation. Le dispositif d’accumulation 10 a pour fonction de collecter une fraction liquide persistante du fluide réfrigérant en sortie d’évaporateur 8. Un tel passage dans le dispositif d’accumulation 10 est nécessaire préalablement au passage du fluide réfrigérant dans le compresseur 4 qui ne peut accepter que le fluide réfrigérant à l’état gazeux.
En sortie du dispositif d’accumulation 10, le fluide réfrigérant empreinte une cinquième conduite 14e qui le dirige vers l’échangeur de chaleur interne 2 évoqué précédemment, afin d’échanger des calories avec le fluide réfrigérant de la partie haute pression 12 du circuit 1 de fluide réfrigérant évoquée précédemment. Un tel passage dans l’échangeur de chaleur interne 2 permet de garantir que le fluide réfrigérant en sortie dudit échangeur de chaleur interne 2 soit exclusivement à l’état gazeux, préalablement à son entrée dans le compresseur 4.
L’échangeur de chaleur selon l’invention est dans ce contexte configuré pour garantir une efficacité optimale de l’échange thermique et notamment de l’évaporation du fluide réfrigérant lorsqu’il circule dans la partie basse pression, afin de ne pas endommager le compresseur 4 disposé en aval de ce dernier, un tel endommagement pouvant réduire l’efficacité de fonctionnement du circuit 1 de fluide réfrigérant.
Ainsi, l’échangeur de chaleur interne 2 selon l’invention va maintenant être décrit plus en détails, notamment en référence aux figures 2 à 4.
L’échangeur de chaleur interne 2 est un échangeur à plaques comportant des plaques 22 empilées les unes au-dessus des autres et qui est configuré pour que du fluide réfrigérant circule dans des conduits formés entre deux plaques adjacentes, les plaques étant configurées pour former aussi bien des conduits basse pression 30, à savoir des conduits reliés uniquement à la partie basse pression 18 du circuit, que des conduits haute pression 32, à savoir des conduits reliés uniquement à la partie haute pression 12 du circuit. Selon l’invention, les plaques 22 sont configurées et liées les unes aux autres de sorte que le nombre de conduits basse pression 30 soit supérieur au nombre de conduits haute pression 32, et notamment que le nombre de conduits basse pression soit supérieur ou égale au double du nombre de conduits haute pression.
Plus particulièrement, l’échangeur de chaleur interne 2 selon l’invention comprend une pluralité de plaques 22 empilées les unes sur les autres suivant une direction d’empilement verticale V. Chacune de ces plaques 22 présente une forme de baignoire avec une surface d’échange 24 entourée périphériquement d’un bord relevé 26. Les plaques 22 sont empilées de telle sorte que le bord relevé 26 de chacune des plaques 22 soit au contact d’au moins un autre bord relevé 26 et de telle sorte que la surface d’échange 24 de chacune des plaques 22 soit à une distance non nulle, selon la direction d’empilement verticale V, des surfaces d’échange 24 des plaques adjacentes. Des canaux de circulation 28 du fluide réfrigérant sont ainsi formés entre deux plaques adjacentes, chacun de ces canaux étant configurés pour communiquer fluidiquement avec une entrée de fluide et une sortie de fluide reliées à l’une des parties haute pression ou basse pression du circuit. Plus particulièrement, les plaques 22 adjacentes délimitent entre elles une pluralité de premiers canaux de circulation 30 du fluide réfrigérant de la partie basse pression 18 du circuit et une pluralité de deuxièmes canaux de circulation 32 du fluide réfrigérant de la partie haute pression 12 du circuit.
Au moins une partie de la pluralité de plaques 22 de l’échangeur de chaleur 2 comprend chacune une pluralité d’ouvertures 34 dont certaines sont disposées verticalement l’une au-dessus de l’autre pour former une pluralité de collecteurs, tel que cela est notamment visible sur la figure 3. L’agencement des ouvertures 34 permet ainsi de définir d’une part un premier collecteur d’entrée 36a et un premier collecteur de sortie 36b du fluide réfrigérant à basse pression, destinés à communiquer fluidiquement avec chacun des premiers canaux de circulation 30, et d’autre part un deuxième collecteur d’entrée 38a et un deuxième collecteur de sortie 38b du fluide réfrigérant à haute pression, destinés à communiquer fluidiquement avec chacun des deuxièmes canaux de circulation 32. Chacun des collecteurs 36a, 36b, 38a, 38b est formé par un alignement d’ouvertures et s’étend verticalement à travers la pluralité de plaques 22.
Un collecteur 36a, 36b, 38a, 38b est avantageusement ménagé dans chacun des coins de l’échangeur de chaleur à plaques, tel que cela est plus particulièrement visible sur la figure 3, étant entendu que les deux collecteurs d’entrée 36a, 38a peuvent être diagonalement opposés, sans pour autant qu’un agencement différent ne sorte du contexte de l’invention, dès lors que tel qu’évoqué le nombre de premiers canaux de circulation au sein de l’échangeur est supérieur au nombre de deuxièmes canaux de circulation. La disposition avec des collecteurs d’entrée diagonalement opposés, sans être limitative de l’invention, permet de générer au sein de l’échangeur de chaleur interne 2 une circulation croisée du fluide réfrigérant présent dans les premiers canaux de circulation 30 à basse pression et du fluide réfrigérant présent dans les deuxièmes canaux de circulation 32 à haute pression, participant ainsi à améliorer la qualité des échanges thermiques. Une telle circulation en sens alternés est notamment visible sur la figure 4, où le sens de circulation du fluide réfrigérant est représenté par des flèches, et plus particulièrement des premières flèches Si pour un premier sens de circulation au sein des premiers canaux de circulation 30 et par des deuxièmes flèches S2 pour un deuxième sens de circulation au sein des deuxièmes canaux de circulation 32.
On définit par ailleurs une première plaque d’extrémité 40 et une deuxième plaque d’extrémité 42 qui s’étendent chacune à une extrémité verticale de l’empilement des plaques 22. La première plaque d’extrémité 40 est alors dépourvue d’ouvertures 34 de telle sorte qu’elle participe à fermer verticalement un volume de l’échangeur de chaleur 2. Par ailleurs, selon l’exemple illustré de l’invention, la deuxième plaque d’extrémité 42 porte quatre blocs de raccordement 44a, 44b, 44c, 44d, représentés schématiquement à la figure 1 et destinés à être disposés en regard de chacun des collecteurs 36a, 36b, 38a, 38b formés par les ouvertures 34 des plaques 22. En d’autres termes, chacun des blocs de raccordement 44a, 44b, 44c, 44d est disposé sur la deuxième plaque d’extrémité 42 en recouvrement des ouvertures 34 formées dans la deuxième plaque d’extrémité 42.
On comprend alors que les blocs de raccordement 44a, 44b, 44c, 44b assurent la liaison fluidique entre les conduites 14b, 14c, 14e, i4f du circuit 1 de fluide réfrigérant décrites précédemment et les canaux de circulation 30, 32 délimités pas les plaques 22. Plus particulièrement, un premier bloc de raccordement 44a relie fluidiquement la cinquième conduite 14e aux premiers canaux de circulation 30 via le premier collecteur d’entrée 36a, un deuxième bloc de raccordement 44b relie les premiers canaux de circulation 30 à la sixième conduite iqf via le premier collecteur de sortie 36b, un troisième bloc de raccordement 44c relie fluidiquement la deuxième conduite 14b aux deuxièmes canaux de circulation 32 via le deuxième collecteur d’entrée 38a et un quatrième bloc de raccordement 44d relie fluidiquement les deuxièmes canaux de circulation 32 à la troisième conduite 14c via le deuxième collecteur de sortie 38b.
Tel que cela a évoqué précédemment, selon l’invention, les plaques 22 sont configurées pour qu’au moins deux des premiers canaux de circulation 30 soient adjacents selon la direction verticale V. Dans la suite de la description, on nommera deux premiers canaux de circulation 30 adjacents comme un ensemble 46.
Selon son positionnement dans l’empilement de plaques 22 formant l’échangeur de chaleur selon l’invention, cet ensemble de premiers canaux de circulation 30 adjacents est délimité verticalement par la première plaque d’extrémité 40, la deuxième plaque d’extrémité 42, ou par un deuxième canal de circulation 32. Le cas échéant, au cœur de l’échangeur de chaleur, deux deuxièmes canaux de circulation 32 s’étendent de part et d’autre de l’ensemble 46 formé par deux premiers canaux de circulation 30 adjacents, suivant la direction verticale V. En d’autres termes, selon l’invention, on retrouve au moins une séquence formée par l’empilement successif d’un deuxième canal de circulation 32 et l’ensemble 46 des deux premiers canaux de circulation 30 adjacents, et cette séquence peut être reproduite verticalement de sorte qu’un deuxième canal de circulation 32 se retrouve entre un premier ensemble 46 de deux premiers canaux de circulation 30 adjacents et un deuxième ensemble 46 de deux premiers canaux de circulation 30 adjacents.
Selon un exemple de l’invention, l’intégralité des premiers canaux de circulation 30 de l’échangeur de chaleur 2 est agencé en des ensembles 46 tels que décrits précédemment, chacun des ensembles 46 étant séparé d’un autre ensemble 46 par un unique deuxième canal de circulation 32 suivant la direction verticale V. De la sorte, les canaux de circulation 28 sont répartis de sorte qu’un nombre de premiers canaux de circulation 30 est supérieur au nombre de deuxièmes canaux de circulation 32, avec le nombre de premiers canaux de circulation 30 qui peut être supérieur ou égal au double du nombre de deuxièmes canaux de circulation 32.
On tire avantage d’un tel agencement des canaux de circulation 30, 32 dans l’échangeur de chaleur 2 en ce qu’il permet d’augmenter la section de passage du fluide réfrigérant à basse pression dans l’échangeur de chaleur 2 par rapport à la section de passage du fluide réfrigérant à haute pression, permettant de réduire la perte de charge dans la partie du circuit basse pression et d’augmenter la qualité de l’échange thermique 2 entre le fluide réfrigérant à basse pression et le fluide réfrigérant à haute pression.
Les plaques étant empilées les unes au-dessus des autres et participant à délimiter entre elles les canaux de circulation 28, on comprend qu’au sein de la pluralité de plaques 22, une plaque centrale 221 participe à délimiter deux premiers canaux de circulation 30 adjacents formant un ensemble 46 et que les deux plaques voisines 222, 223 de cette plaque centrale 221 participent chacune à délimiter d’une part un des premiers canaux de circulation 30 de l’ensemble 46 et d’autre part un deuxième canal de circulation 32 adjacent à cet ensemble 46.
Tel que cela est notamment visible sur le détail de la figure 4, ces deux plaques voisines 222, 223 présentent des configurations différentes pour permettre de bloquer ou d’autoriser la communication fluidique des premiers canaux de circulation 30 et des deuxièmes canaux de circulation 32 avec les collecteurs correspondants.
On définit une face supérieure 48 et une face inférieure 50 de chacune des surfaces d’échange 24 de chacune des plaques 22, opposée l’une à l’autre suivant la direction verticale V, la face supérieure 48 étant ici la face dirigée vers la deuxième plaque d’extrémité 42 et la face inférieure 50 étant ici la face dirigée vers la première plaque d’extrémité 40.
A l’exception des plaques d’extrémité 40, 42, chacune des faces 48, 50 d’une plaque 22 participe à délimiter un canal de circulation 30, 32 distinct. Plus particulièrement, pour une plaque centrale 221, la face supérieure 48 et la face inférieure 50 participent chacune à délimiter un des premiers canaux de circulation 30 adjacents formant un ensemble 46 tel que précédemment évoqué. Et pour une plaque voisine 222, 223 de cette plaque centrale, une de ses faces supérieure 48 ou inférieure 50 participe également à délimiter un des premiers canaux de circulation 30 adjacents de l’ensemble 46 tandis que l’autre face 48, 50 participe à délimiter un deuxième canal de circulation 32.
On définit également des portions périphériques 52 de la surface d’échange de chacune des plaques 22, représentés en pointillés sur la figure 3 et entourant chacune des ouvertures 34 ménagées dans la surface d’échange. On comprend qu’au niveau d’un collecteur donné, formé par l’alignement d’ouvertures 34 réalisées au sein de la pluralité de plaques 22, les portions périphériques 52 de deux plaques adjacentes peuvent être rendues solidaires l’une de l’autre pour éviter que le fluide circulant entre ces deux plaques puisse déboucher dans le collecteur ou bien au contraire qu’elles peuvent s’étendre à distance l’une de l’autre pour que le fluide circulant entre ces deux plaques puisse communiquer avec le collecteur.
Pour les collecteurs 36a, 36b permettant l’entrée et la sortie de fluide dans le circuit basse pression, afin de former un ensemble tel qu’évoqué précédemment de deux premiers canaux de circulation 30 adjacents, la portion périphérique 52 d’une des plaques voisines 222 de la plaque centrale 221 est déformée, à l’opposé de la plaque centrale, pour être au contact d’une autre plaque et former, notamment par brasage, une zone étanche empêchant la communication fluidique entre un deuxième canal de circulation 32 et le collecteur correspondant. La portion périphérique 52 de l’autre plaque voisine 223 présente une configuration similaire à celle de la portion périphérique de la plaque centrale 221, ici une configuration sensiblement plane.
On peut ainsi distinguer, dans la pluralité de plaques illustrée sur la figure 4, des plaques primaires 22a, avec une portion périphérique 52 dans le même plan que le plan d’allongement principal de la surface d’échange 24, et des plaques secondaires 22b dont la portion périphérique 52 est déformée pour venir au contact de la portion périphérique d’une plaque primaire 22a. Et il est notable selon l’invention que l’échangeur de chaleur interne à plaques comporte à intervalles réguliers deux plaques primaires 22a successives.
Dans ce contexte, il est également notable que l’épaisseur des bords 220 de plaques participant à délimiter un collecteur 36a, 36b associé au circuit basse pression varie d’un bord à l’autre, du fait notamment de la jonction à intervalles réguliers de deux portions périphériques adjacentes pour bloquer la communication fluidique entre un deuxième canal de circulation 32 et ce collecteur. Plus particulièrement, un bord 220 de plaque formé par la portion périphérique 52 de la plaque centrale 221 présente une première épaisseur ei, sensiblement égale à l’épaisseur moyenne de chacune des plaques de l’échangeur, et le bord de plaque 53 adjacent à cette portion périphérique 52 de la plaque centrale 221 présente une deuxième épaisseur e2, sensiblement égale au double de l’épaisseur moyenne de chacune des plaques de l’échangeur, puisque formée par la jonction des portions périphériques de deux plaques adjacentes.
Selon l’exemple de l’invention illustré, au moins une des surfaces d’échange 24 d’une des plaques 22 de la pluralité de plaques 22 comprend un bossage 60. Le bossage 60, visible à titre d’exemple sur la figure 4, forme une saillie de la face inférieure 50 de la plaque correspondante, tendant à se rapprocher de la surface d’échange de la plaque adjacente en regard de cette face inférieure 50. La section de passage du fluide réfrigérant est ainsi localement réduite et il en résulte une perturbation de la circulation du fluide réfrigérant au sein du canal de circulation délimité par la face inférieure 50 équipée du bossage et la face supérieure 48 de la plaque adjacente. Une telle perturbation de la circulation du fluide réfrigérant dans les canaux de circulation permet d’augmenter les échanges thermiques entre le fluide réfrigérant à basse pression et le fluide réfrigérant à haute pression circulant dans leurs canaux de circulation 30, 32 respectifs.
L’invention telle qu’elle vient d’être décrite atteint le but qu’elle s’est fixé en proposant un échangeur de chaleur interne à plaques et dont les plaques sont plus particulièrement configurées et agencées les unes par rapport aux autres pour permettre un échange de chaleur interne à un circuit de fluide réfrigérant qui ne présente pas de perte de charges au niveau de la partie basse pression de ce circuit. Il convient toutefois de noter que l’invention ne saurait se limiter aux moyens et configurations exclusivement décrits et illustrés, et s’applique également à tous moyens ou configurations, équivalents et à toute combinaison de tels moyens ou configurations.

Claims

REVENDICATIONS
1. Echangeur de chaleur (2) à plaques (22) d’un circuit (1) de fluide réfrigérant, l’échangeur de chaleur (2) comprenant au moins une pluralité de plaques (22) empilées les unes sur les autres selon une direction d’empilement verticale (V), les plaques (22) adjacentes délimitant entre elles une pluralité de premiers canaux de circulation (30) du fluide réfrigérant d’une partie basse pression (18) du circuit (1) et une pluralité de deuxièmes canaux de circulation (32) du fluide réfrigérant d’une partie haute pression (12) du circuit (1), au moins une partie de la pluralité de plaques (22) de l’échangeur de chaleur (2) comprenant une pluralité d’ouvertures (34) parmi lesquelles certaines forment un premier collecteur d’entrée (36a) et d’autres forment un premier collecteur de sortie (36b) du fluide réfrigérant basse pression communiquant avec les premiers canaux de circulation (30) et parmi lesquelles certaines forment un deuxième collecteur d’entrée (38a) et d’autres forment un deuxième collecteur de sortie (38b) du fluide réfrigérant haute pression communiquant avec les deuxièmes canaux de circulation (32), l’échangeur de chaleur (2) étant caractérisé en ce qu’au moins deux des premiers canaux de circulation (30) sont adjacents selon la direction d’empilement verticale (V).
2. Echangeur de chaleur (2) selon la revendication 1, dans lequel le nombre de premiers canaux de circulation (30), respectivement délimités par deux plaques adjacentes de la pluralité de plaques (22) et communiquant avec la partie basse pression (18) du circuit, est supérieur au nombre de deuxième canaux de circulation (32), respectivement délimités par deux plaques adjacentes de la pluralité de plaques (22) et communiquant avec la partie haute pression (12) du circuit (1).
3. Echangeur de chaleur (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les canaux de circulation délimités par les plaques adjacentes de la pluralité de plaques (22) sont agencés de sorte qu’un deuxième canal de circulation (32) s’étend de part et d’autre, suivant la direction verticale (V), de l’ensemble formé par les au moins deux premiers canaux de circulation (30) adjacents.
4. Echangeur de chaleur (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les premiers canaux de circulation (30) sont agencés en des ensembles (46) de deux premiers canaux de circulation (30) adjacents suivant la direction verticale (V) et partiellement délimités respectivement par une même plaque (22).
5. Echangeur de chaleur (2) selon la revendication précédente, dans lequel chacun des ensembles (46) est séparé d’un autre ensemble par un unique deuxième canal de circulation (32) suivant la direction verticale (V).
6. Echangeur de chaleur (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chacune des plaques (22) comporte des portions périphériques (52) entourant chacune des ouvertures (34), une portion périphérique (52) d’une plaque (22) pouvant être rendue solidaire de la portion périphérique (52) d’une plaque adjacente pour isoler le canal de circulation délimité entre ces plaques adjacentes du collecteur formé par les ouvertures correspondantes.
7. Echangeur de chaleur (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, au niveau des collecteurs de fluide réfrigérant basse pression, les plaques (22) sont réparties en des plaques primaires (22a), avec une portion périphérique (52) plane qui s’étend dans un plan sensiblement perpendiculaire à la direction verticale d’empilement, et des plaques secondaires (22b) dont la portion périphérique (52) est déformée pour venir au contact de la portion périphérique (52) d’une plaque primaire (22a), l’échangeur de chaleur interne à plaques étant configuré de sorte que la pluralité de plaques comporte à intervalles réguliers deux plaques primaires (22a) successives.
8. Echangeur de chaleur (2) selon la revendication précédente, dans lequel les bords des portions périphériques (52) participant à délimiter un collecteur formés par une pluralité d’ouvertures (34) présentent une épaisseur variant d’un bord à l’autre le long de la direction d’empilement verticale (V).
9. Echangeur de chaleur (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chacune des plaques (22) comprend au moins une surface d’échange (24) contre laquelle circule le fluide réfrigérant et un bord relevé (26), la pluralité de plaques (22) étant empilées de telle sorte que chacun des bords relevés (26) de chacune des plaques (22) soient en contact les uns des autres et que chacune des surfaces d’échange (24) soit à une distance non nulle de sorte à former les canaux de circulation (30, 32). io. Circuit (1) de fluide réfrigérant comprenant au moins un échangeur de chaleur (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, le circuit (1) de fluide réfrigérant comprenant une partie haute pression (12) et une partie basse pression (18), l’échangeur de chaleur (2) étant disposé fluidiquement dans le circuit (1) de telle sorte qu’il permet un échange thermique entre le fluide réfrigérant circulant principalement sous forme gazeuse dans la partie basse pression (18) avec le fluide réfrigérant circulant principalement sous forme liquide dans la partie haute pression (12).
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