ÉCHANGEUR THERMIQUE POUR GAZ, EN PARTICULIER POUR LES GAZ

D'ÉCHAPPEMENT D'UN MOTEUR

La présente invention concerne un échangeur thermique pour gaz, en particulier pour les gaz d'échappement d'un moteur. L'invention s'applique spécialement aux échangeurs de recirculation des gaz d'échappement d'un moteur (RGE).

Contexte de l'invention

La fonction principale des échangeurs RGE est l'échange de chaleur entre les gaz d'échappement et le fluide caloporteur, dans le but de refroidir les gaz.

Actuellement, les échangeurs thermiques RGE sont largement utilisés pour des applications Diesel afin de réduire les émissions et servent aussi dans des applications à essence pour réduire la consommation de carburant.

Le marché tend à réduire la taille des moteurs et à appliquer les échangeurs thermiques RGE non seulement dans les applications haute pression (HP) mais aussi dans celles basse pression (LP). Les constructeurs de véhicules exigent des échangeurs thermiques RGE avec de meilleurs rendements et, en même temps, l'espace disponible pour placer l'échangeur et ses composants est de plus en plus petit, ce qui les rend de plus en plus difficiles à intégrer.

De plus, dans de nombreuses applications le flux de fluide caloporteur disponible pour refroidir les gaz d'échappement tend à se réduire bien que les rendements de l'échangeur soient allés en augmentant.

La configuration actuelle des échangeurs RGE présents sur le marché correspond à un échangeur thermique métallique généralement fabriqué en acier inoxydable ou en aluminium. Fondamentalement, il y a deux types d'échangeurs thermiques RGE : un premier type consiste en un boîtier à l'intérieur duquel on dispose un faisceau de tubes parallèles pour le passage des gaz, le réfrigérant circulant dans le boîtier, à l'extérieur des tubes, et le second type se compose d'une série de plaques parallèles qui constituent les surfaces d'échange de chaleur, de sorte que les gaz d'échappement et le réfrigérant circulent entre deux plaques, en couches alternées, avec possibilité d'inclure des ailettes pour améliorer l'échange de chaleur.

Dans le cas d'échangeurs thermiques à faisceau de tubes, l'assemblage entre les tubes et le boîtier peut être de différents types. Généralement, les tubes sont fixés par leurs extrémités entre deux plaques de support raccordées à chaque extrémité du boîtier, les deux plaques de support présentant une pluralité d'orifices pour l'installation des tubes respectifs.

Lesdites plaques de support sont fixées à leur tour à des moyens de raccordement avec le circuit de recirculation, qui peuvent consister en un montage en V ou bien en un collet périphérique de raccordement ou une bride, en fonction de la conception du circuit de recirculation dans lequel est assemblé l'échangeur. Ladite bride peut être assemblée avec un réservoir de gaz, de manière à ce que le réservoir de gaz soit une pièce intermédiaire entre le boîtier et la bride, ou bien la bride peut être assemblée directement au boîtier. Cette dernière conception correspond fréquemment aux cas où l'échangeur est directement relié à une soupape RGE, qui a pour fonction de contrôler le passage des gaz d'échappement à travers celui-ci.

Dans certaines applications de circuit RGE, il est nécessaire de refroidir la soupape RGE. Dans ce cas, la conception la plus courante comprend un conduit by-pass qui mène le fluide de refroidissement, qui circule dans l'échangeur RGE, vers la soupape RGE. Étant donné que l'échangeur RGE est assemblé au circuit RGE par une bride ou un collet périphérique, le conduit by-pass du fluide de refroidissement doit être fabriqué à travers ladite bride. Dans les deux types d'échangeurs RGE, la plupart de leurs composants sont métalliques, de sorte qu'ils sont assemblés par des moyens mécaniques et ensuite soudés au four ou soudés à l'arc ou au laser pour assurer l'étanchéité appropriée que requiert cette application.

On connaît des échangeurs RGE à tubes de section transversale sensiblement rectangulaire, qui utilisent des ailettes disposées à l'intérieur desdits tubes pour améliorer le transfert de chaleur au moyen de ces surfaces secondaires, grâce auxquelles on parvient à augmenter la superficie totale d'échange thermique.

Il existe différents types d'ailettes pour tubes, comme par exemple l'ailette connue sous le nom de "offset fin", qui présente une configuration de profil sensiblement rectangulaire répétitif dans la direction transversale et a des trajectoires en zigzag communiquant entre elles dans la direction longitudinale, ou par exemple l'ailette connue sous le nom de "wavy fin", avec canaux qui définissent des trajectoires ondulées ou sinusoïdales.

Un objectif principal des échangeurs thermiques RGE est d'obtenir une distribution appropriée du flux de gaz à l'intérieur des canaux de passage des gaz, en l'occurrence à l'intérieur des tubes ou plaques, de façon à garantir un flux de chaleur uniforme dans tout l'échangeur et à utiliser toute l'aire d'échange disponible. C'est pourquoi la forme du réservoir de gaz, ou d'autres éléments qui peuvent être assemblés à l'échangeur thermique RGE sur la trajectoire empruntée par les gaz, est importante, surtout dans la zone d'entrée. La conception de ces composants est essentielle dans la conception d'ensemble de l'échangeur. Cependant, il y a des contraintes externes qui rendent difficile l'optimisation de cette conception, puisque la forme et le volume de ces composants sont déterminés par l'environnement où se trouve l'échangeur RGE.

Une conception plus compacte des ailettes à l'intérieur des tubes ou plaques permettrait d'obtenir des échangeurs plus courts et, par conséquent, permettrait un gain d'espace qui aurait une répercussion positive sur l'optimisation de la conception d'éléments d'assemblage comme le réservoir de gaz. Néanmoins, les procédés de fabrication des perturbateurs ont une limite de faisabilité liée à la combinaison de densité de surface d'échange et hauteur de l'ailette.

Description de l'invention

L'objectif de l'échangeur thermique pour gaz, en particulier les gaz d'échappement d'un moteur, selon la présente invention est de résoudre les inconvénients que présentent les échangeurs connus dans l'art, en proposant un échangeur compact et de longueur réduite ayant un transfert de chaleur optimal à l'entrée du flux de gaz.

L'échangeur thermique pour gaz, en particulier les gaz d'échappement d'un moteur, objet de la présente invention est du type qui comprend un faisceau de tubes ou plaques disposés à l'intérieur d'un boîtier, ledit boîtier définissant une entrée et une sortie de gaz destinés à circuler à l'intérieur desdits tubes ou plaques, l'intérieur de chacun desdits tubes ou plaques comprenant des moyens perturbateurs du flux de gaz pour faciliter l'échange thermique avec un fluide caloporteur, et il se caractérise en ce que les moyens perturbateurs comprennent au moins deux ensembles d'éléments perturbateurs disposés l'un sur l'autre à l'intérieur de chacun desdits tubes ou plaques, chacun desdits ensembles définissant un sous-ensemble indépendant de trajectoires pour le passage du flux de gaz à l'intérieur desdits tubes ou plaques.

L'inclusion de deux ensembles d'éléments perturbateurs disposés l'un sur l'autre à l'intérieur des tubes ou plaques permet d'améliorer la compacité de la surface d'échange et de réduire la longueur de l'échangeur, d'où un gain de place pour la conception optimale des éléments d'assemblage comme, par exemple, le réservoir de gaz ou les brides de raccordement, et une amélioration de l'efficacité des échangeurs existants.

Selon un mode de réalisation préféré, chaque ensemble d'éléments perturbateurs comprend une pluralité d'ailettes pour l'échange thermique, la pluralité d'ailettes de chaque ensemble définissant un sous-ensemble indépendant de trajectoires pour le passage du flux de gaz à l'intérieur desdits tubes ou plaques. Il est avantageux d'obtenir ces ailettes à partir d'une feuille de métal.

Conformément à ce mode de réalisation, la hauteur intérieure des tubes ou des plaques de l'échangeur est conçue de façon à ce qu'il soit possible d'introduire à l'intérieur de ceux-ci au moins deux ensembles d'ailettes disposés en empilement l'un sur l'autre. Chacun de ces ensembles définit un sous-ensemble indépendant de trajectoires pour le passage du flux de gaz.

Il est avantageux que les ailettes des deux ensembles présentent une configuration de profil sensiblement rectangulaire répétitif dans la direction transversale.

Selon un mode de réalisation, les ailettes des deux ensembles présentent une configuration du type "offset fin" qui définit des trajectoires en zigzag pour le passage du flux de gaz dans la direction longitudinale, lesdites trajectoires communiquant entre elles dans ladite direction longitudinale.

L'utilisation de deux ensembles indépendants d'ailettes communiquant entre elles permet d'obtenir un échangeur très compact et de longueur réduite.

Selon un autre mode de réalisation, les ailettes des deux ensembles présentent une configuration du type "wavy fin" qui définit des trajectoires sinusoïdales dans la direction longitudinale pour le passage du flux de gaz. L'utilisation de deux ensembles indépendants d'ailettes sinusoïdales permet d'obtenir un échangeur compact particulièrement utile pour éviter une perte de charge des gaz.

De préférence, les deux ensembles d'éléments perturbateurs sont assemblés l'un sur l'autre par soudage ou à l'aide de moyens mécaniques, afin d'assurer un transfert de chaleur correct.

Facultativement, lesdits ensembles d'éléments perturbateurs sont disposés l'un sur l'autre de sorte qu'une extrémité d'un des ensembles soit située dans la direction longitudinale dans une position avancée ou reculée par rapport à la position de l'extrémité de l'autre ensemble situé à un niveau inférieur.

Brève description des figures

Pour une meilleure compréhension de ce qui a été exposé, des dessins sont joints dans lesquels on représente, schématiquement et seulement à titre d'exemple non limitatif, deux cas pratiques de réalisation d'un échangeur thermique selon la présente invention, dessins parmi lesquels :

la Figure 1 est une vue en perspective qui montre le boîtier extérieur d'un échangeur thermique à tubes parallèles et quelques-uns de ses éléments d'assemblage ou de raccordement ;

la Figure 2 est une vue en perspective de deux ensembles indépendants d'éléments perturbateurs configurés en forme d'ailettes de type "offset fin" ;

la Figure 3 est une coupe transversale d'un tube de passage de gaz de l'échangeur thermique de la Figure 1 avec les ensembles d'éléments perturbateurs de la Figure 2 ;

la Figure 4 est une coupe longitudinale d'un tube de passage de gaz de l'échangeur thermique de la Figure 1 qui contient à l'intérieur les ensembles d'éléments perturbateurs de la Figure 2 ;

la Figure 5 est une vue en perspective de deux ensembles d'éléments perturbateurs configurés en forme d'ailettes de type "wavy fin" ;

la Figure 6 est une coupe transversale d'un tube de passage de gaz d'un échangeur thermique semblable à celui de la Figure 1 qui contient à l'intérieur les ensembles d'éléments perturbateurs de la Figure 5 ;

la Figure 7 est une coupe longitudinale d'un tube de passage de gaz d'un échangeur qui contient à l'intérieur les ensembles d'éléments perturbateurs de la Figure 5.

Description de modes de réalisation préférés Conformément aux modes de réalisation de l'invention représentés sur les Figures 1 à 7, l'échangeur thermique 1 pour gaz, en particulier pour les gaz d'échappement d'un moteur, comprend un faisceau de tubes 2 disposés à l'intérieur d'un boîtier 3 définissant une entrée 4 et une sortie 5 de gaz, destinés à la circulation des gaz avec échange de chaleur avec un fluide caloporteur. À l'une des extrémités de l'échangeur se trouvent un réservoir de gaz 6 et une bride 7 de raccordement avec le circuit de recirculation de gaz.

Les Figures 2 à 4 correspondent à un premier mode de réalisation de l'échangeur 1 qui comprend deux ensembles 8a, 8b d'éléments perturbateurs configurés sous forme d'ailettes 8, disposés en empilement l'un sur l'autre à l'intérieur des tubes 2 de passage des gaz. Dans ce premier mode de réalisation, la section de chaque tube 2 est sensiblement rectangulaire et les ailettes 8 sont obtenues à partir d'une feuille de métal en formant une configuration d'éléments perturbateurs de profil sensiblement rectangulaire qui délimite des trajectoires 10a, 10b en zigzag communiquant entre elles dans la direction longitudinale pour le passage du flux de gaz.

Comme on peut le voir sur les Figures 2 et 3, les deux ensembles 8a, 8b d'éléments perturbateurs, dans ce cas des ailettes 8, sont disposés assemblés et empilés l'un sur l'autre de façon à définir deux sous-ensembles indépendants 10a, 10b de trajectoires pour le passage du flux de gaz. L'assemblage des deux ensembles d'ailettes 8 peut s'effectuer par soudage ou à l'aide de moyens mécaniques.

Les Figures 5 à 7 correspondent à un second mode de réalisation de l'échangeur 1 qui comprend également deux ensembles 8c, 8d d'éléments perturbateurs configurés sous forme d'ailettes 8, disposés en empilement l'un sur l'autre à l'intérieur d'un tube 2 qui, dans ce cas, délimite deux chambres intérieures 2a, 2b pour le passage du flux de gaz.

Dans ce second mode de réalisation des Figures 5 à 7, les ailettes 8 des deux ensembles 8c, 8d présentent une configuration qui définit des trajectoires 1 1 a, 1 1 b sinusoïdales dans la direction longitudinale pour le passage du flux de gaz (voir Figure 5). De même que dans le mode de réalisation précédent, les deux ensembles 8c, 8d d'éléments perturbateurs sont empilés l'un sur l'autre de façon à définir deux sous-ensembles indépendants 1 1 a, 1 1 b de trajectoires pour le passage du flux de gaz à l'intérieur de chaque tube 2 de l'échangeur.

Conformément à la présente invention, la hauteur intérieure des tubes 2 de passage de gaz de l'échangeur 1 est conçue de façon à ce qu'il soit possible d'introduire à l'intérieur de ceux- ci au moins deux ensembles 8a, 8b ou 8c, 8d d'ailettes 8 disposés en empilement l'un sur l'autre. Grâce à cela, il est possible d'obtenir un échangeur de conception compacte comme celui représenté sur la Figure 1. Cet échangeur 1 présente une très grande efficacité et une longueur réduite des tubes 2, ce qui permet de gagner de la place pour la conception optimale et la facilité de montage des éléments d'assemblage, comme par exemple le réservoir 6 de gaz ou la bride 7 de raccordement au circuit de recirculation de gaz.

Dans les deux modes de réalisation décrits, on a disposé les deux ensembles 8a, 8b et 8c, 8d d'ailettes l'un sur l'autre de façon à ce qu'une extrémité d'un des ensembles 8a, 8c d'ailettes soit située dans la direction longitudinale dans une position avancée ou reculée par rapport à la position de l'extrémité de l'autre ensemble 8b, 8d d'ailettes 8 situé à un niveau inférieur (voir les Figures 2, 3, 5 et 7).

Bien que l'on ait fait référence à un mode de réalisation concret de l'invention, il est évident pour un homme du métier que l'échangeur décrit ici est susceptible de nombreuses variantes et modifications et que tous les détails mentionnés peuvent être remplacés par d'autres techniquement équivalents, sans que l'on s'écarte du cadre de protection défini par les revendications ci-jointes. Par exemple, bien que l'on ait représenté sur les figures des modes de réalisation d'éléments perturbateurs configurés sous forme d'ailettes 8 de type "offset fin" ou "wavy fin", la même invention pourrait être mise en œuvre avec des éléments perturbateurs d'une configuration différente disposés l'un sur l'autre à l'intérieur de tubes ou de plaques.