Titre : Echangeur de chaleur extrudé

La présente invention se rapporte au domaine des échangeurs de chaleur destinés à échanger de la chaleur entre deux fluides pour véhicules automobiles, et plus particulièrement aux échangeurs de chaleur utilisés pour faire recirculer les gaz d'échappement des moteurs thermiques de ces véhicules, également communément dénommé EGR (« Exhaust Gas Recirculation »).

Un circuit de recirculation de gaz d'échappement du moteur thermique d'un véhicule automobile (communément appelé EGR pour « Exhaust Gas Re circulât! on ») s'étend entre le circuit d'échappement du moteur thermique et le circuit d'admission et comprend généralement un echangeur thermique pour refroidir les gaz d'échappement, un canal de dérivation non refroidi, une vanne de by-pass pour diriger sélectivement le flux gazeux dans l'échangeur de chaleur ou dans le conduit de dérivation, et une vanne de régulation pour régler le débit du flux gazeux dans le circuit de recirculation.

On connaît à l'heure actuelle un premier type de ce genre d'échangeur de chaleur comportant un corps avec des tubes reçus dans une enveloppe externe dont les extrémités sont reliées à des brides de raccordement au circuit. Un tel echangeur comporte un grand nombre de pièces brasées les unes aux autres, ce qui rend un tel echangeur complexe et coûteux à fabriquer,

On connaît également des échangeurs de chaleur du type comportant une enveloppe externe ayant des extrémités pourvues de brides de raccordement et recevant deux demi-coquilles moulées et accolées, pourvues d'ailettes internes pour faciliter les échanges thermiques entre, d'une part le fluide à refroidir circulant entre les ailettes et, d'autre part, le fluide caloporteur circulant entre l'enveloppe externe et les demi-coquilles, II existe d'autres structures moulées présentant une superposition de canaux alternativement affectés au transport du fluide à refroidir et du fluide caloporteur. Ces structures comportent un nombre de pièces réduit mais reste coûteuses à réaliser.

On connaît enfin par le document US 4746479 qui divulgue un échangeur de chaleur constitué d'un coips extrudé et une pluralité de panneaux destinés à fermer une catégorie de canaux/conduits ; les deux catégories de canaux/conduits de cette réalisation permettant le circulation perpendiculaire des deux fluides l'un par rapport à l'autre. Cette réalisation nécessite plusieurs étapes de fabrication, une pour l'obtention du corps extrudé et plusieurs étapes de réalisation pour chacun des panneaux de fermeture destinés à fermer qu'un unique catégorie de canaux/conduits.

Outre l'inconvénient essentiel du coût de fabrication/montage de ces types d'échangeur de chaleur, ces échangeurs de chaleur présentent une faible performance et un risque d'encrassement important.

La présente invention entend remédier aux inconvénients des échangeurs de chaleur existants et en particulier destinés au traitement des gaz d'échappement.

Ainsi, l'invention concerne un échangeur de chaleur présentant des canaux/conduits pour l'échange de chaleur entre deux fluides, comprenant au moins un corps central longitudinal extrudé formant au moins en partie les

canaux/conduits et au moins un flanc latéral pour fermer latéralement au moins l'un desdits canaux/conduits dudit corps.

On entend par l'expression « extrudé » le fait que le corps central est un élément obtenu par la technique de l'extrusion. On notera que le corps central est un matériau métallique, par exemple de l'aluminium.

Grâce à l'invention, on a au moins un corps central extrudé de dimensions et de forme particulièrement peu coûteux à obtenir et qui permet un travail complémentaire de ses surfaces avant de lui adjoindre au moins un flanc latéral pour fermer le ou les canaux de l'échangeur de chaleur. Par ailleurs, l'échangeur de chaleur selon l'invention autorise une circulation des deux fluides dans la même direction (et non le même sens) dans les canaux/conduits.

En effet, l'invention permet d'atteindre une densité de puissance spécifique importante, ou beaucoup plus importante que celle des écharigeurs de chaleur de l'art antérieur, en particulier par adjonction de surface secondaire (rapportée ou travaillée sur la surface même du coips central et/ou du ou des flanc(s)), par une architecture méthodique particulière ou à courant croisé.

Plus spécifiquement par rapport au document US 4746479, la présente invention présente les avantages suivants : - l'invention permet une simplicité de mise en œuvre ; pas d'usinage compliqué, un assemblage de deux ou trois pièces (corps central extrudé et un ou deux flanc(s) latéral) quelque soit la longueur de l'échangeur de chaleur, les différentes pièces pouvant présenter différentes épaisseurs tenant compte des propriétés de transfert de la chaleur et de la manufacturabilité ;

- l'invention prévoit une circulation du fluide qui permet un transfert de chaleur optimal et bien meilleur que la celui obtenu par la circulation croisée de la réalisation de ce document ;

- l'invention prévoit un concept modulaire permettant une protection contre la corrosion, ce qui n'est pas envisageable dans la réalisation de ce document car la pièce extradée est trop complexe et profonde et ne possède pas de surface frontale fermée au regard du couvercle/flanc ;

- l'invention prévoit une conception qui permet aussi l'ajout de composant (ailette) permettant l'augmentation de la performance du côté air.

D'autres particularités ou caractéristiques sont présentées dans la suite :

- le flanc latéral s'étend sur toute la longueur du corps extradé central, - le flanc latéral s'étend à partir d'une extrémité, ou face (d'entrée ou de sortie), du corps central extradé,

- l'échangeur de chaleur comprend au moins deux flancs latéraux pour fermer latéralement ledit corps ;

- le ou les flanc(s) est/sont fixé(s) au corps central par brasage/soudure, par collage ou par clippage ;

- le corps central comprend au moins un conduit/canal fermé et au moins un canal ouvert ; le canal ouvert étant fermé par le flanc. On entend par l'expression « canal/conduit ouvert » un canal/conduit dont seule l'association de corps central avec l'un des flanc permet de fermer ledit canal/conduit de sorte que ce dernier ne présente que deux ouvertures, sur la face avant et la face arrière du corps central/échangeur de chaleur. - selon une possibilité offerte par l'invention, le coips central comprend uniquement des conduits/canaux ouverts, ces canaux/conduits étant fermé par le flanc et/ou par une paroi supérieure/inférieure. Ainsi, l'invention autorise le traitement des surfaces internes de ces canaux/conduits ouverts, avant la fixation du ou des flanc(s), notamment pour

une protection de sa surface conte les fumées/liquides acides des gaz d'échappement.

- le conduit fermé est destiné à la circulation d'un liquide ;

- le conduit ouvert est destiné à la circulation d'un gaz ; - le conduit/canal ouvert comporte au moins en partie un moyen formant surface secondaire ;

- le moyen formant surface secondaire consiste en des ailettes ou un perturbateur ;

. - le corps central comprend une paroi supérieure et/ou une paroi inférieure.

- l'échangeur de chaleur comprend également un carter au moins destiné à former le canal d'entrée et celui de sortie de l'échangeur ; ledit carter étant constitué en une ou plusieurs pièces,

Un mode de réalisation de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, en faisant référence aux dessins annexés dans lesquels :

- La figure 1 représente une vue en perspective d'un échangeur de chaleur selon l'invention ; - la figure 2 représente une vue en perspective d'un autre échangeur de chaleur selon l'invention ;

- la figure 3 illustre, à l'instar des figures précédentes, d'une troisième mode de réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention ;

- la figure 4 illustre une partie d'un corps central ainsi que celle d'un flanc pour présenter une façon de fixer un flanc et une façon de travailler la surface des conduits dudit échangeur ;

- la figure 5 illustre une portion d'un corps central, dont la surface est travaillée, et d'un flanc selon l'invention ;

- la figure 6 illustre une façon d'augmenter la surface d'échange d'un conduit, ici par l'incorporation au corps central d'un turbulateur ;

- la figure 7 illustre un exemple d'intercalaires pouvant être disposé dans un conduit du corps central ;

- la figure 8 illustre une portion d'un conduit d'un corps central dans lequel a été placé un insert,

La présente invention est décrite ici pour une utilisation particulièrement adaptée à un échangeur de fluide dont l'un des fluides consiste en les gaz d'échappement du véhicule mais il est bien entendu que ses concepts de réalisation et de montage peuvent être envisagés notamment pour tous autres types d'échangeurs de chaleur, voire plus généralement pour la réalisation d'un module destiné à la circulation d'au moins deux fluides.

On notera cependant que l'homme du métier considéré pour la présente invention est un technicien du domaine des échangeurs de chaleur pour véhicules automobiles, et plus particulièrement des échangeurs de chaleur destinés à traiter thermiquement les gaz d'échappement.

La figure 1 présente un échangeur de chaleur 1 pour gaz d'échappement comprenant un corps central extrudé 2 définissant une pluralité de conduits 3 _} 3', 4, 4', certains 3, 3 ' prévus pour la circulation des gaz d'échappement et d'autres 4, 4' pour la circulation du fluide utilisé pour refroidir ces gaz. Cet échangeur de chaleur 1 présente une face avant 5 visible sur la figure 1 , à l'instar des figures 2 et 3, ainsi qu'une face arrière 6, ces deux faces 5, 6 étant ouvertes jusqu'à la mise en place et la fixation des collecteurs avant et arrière, ou respectivement d'entrée et de sortie, non représentés sur les figures annexées, destinés respectivement à fermer chacune de ces faces 5, 6 et former la chambre d'entrée et la chambre de sortie d'un des fluides, ici le(s) gaz d'échappement.

Dans cet exemple choisi pour illustrer l'invention, outre le corps central 2, Péchangeur de chaleur 1 comprend deux flancs latéraux 7, 8 ainsi

que deux parois, l'une supérieure 9 et l'autre inférieure 10. Selon une variante, le corps central 2 pourra comporter ces parois supérieure 9 et inférieure 10, dans ce cas, le corps central 2 présentera intrinsèquement une paroi supérieure 9 et inférieure 10 à l'identique de ce qui est visible notamment sur les figures 4 et 6. Dans ce mode de réalisation, on note que certains des conduits 4, 4' du corps central sont fermés, c'est-à-dire que ces conduits ne sont ouverts que sur les faces avant 5 et arrière 6.

Selon la réalisation du corps central extradé 2 présenté sur la figure 1, l'ensemble des conduits 3, 3', 4, 4' est ouvert, c'est-à-dire qu'ils présentent une face latérale (4 faces latérales : les deux flancs 7, 8, et les deux parois supérieure 9 et inférieure 10) sans paroi. Par fixation des deux flancs 7, 8 et des parois supérieure 9 et inférieure 10, le coips central 2 présente deux types de conduits, les uns 4, 4' de section en forme de T et les autres 3, 3 ' de section de forme carré ou rectangulaire, Les parois supérieure 9 et inférieure 10 comportent chacune une ouverture ou évidement 1 1, 12 destiné à autoriser le passage de l'un des fluides, ici de l'eau glycolée (eau de refroidissement du moteur) qui pourra circuler dans l'un des deux types de conduits, ici les deux conduits de section en T 4, 4', L'eau glycolée entre par l'ouverture 11 située sur la face supérieure 9 de l'échangeur de chaleur 1, circule dans le sens Fl dans le conduit 4 puis, grâce à une ouverture de jonction, non représenté sur les figures annexées, entre les deux conduits 4, 4', dans le conduit 4' dans le sens F2. Ainsi, le liquide de refroidissement effectue une circulation en U dans la direction linéaire Oy,

Les gaz d'échappement circulent dans cet exemple par les conduits du second type 3, 3' en effectuant une seule passe, c'est-à-dire en entrant par l'une des faces 5 ou 6 de l'échangeur de chaleur 1, traversant ledit échangeur 1 puis ressortant directement par la face opposé 5 ou 6, par exemple la face avant 5. On peut également réaliser une circulation en U pour les gaz d'échappement, par exemple à contre courant de la circulation F1/F2 du

liquide de refroidissement, grâce aux collecteurs d'entrée et de sortie, non représentés sur les figures annexées. Ainsi, la circulation du second fluide, à savoir ici le(s) gaz d'échappement, sera en U et circulant dans le sens opposé/inverse à Fl dans les conduits respectifs 3, 4 et dans le sens opposé/inverse à F2 dans les conduits respectifs 3', 4'.

Sur la figure 2, les différences avec la réalisation illustrée sur la figure 1 réside dans le fait le corps central extrudé 2 comporte les parois supérieure 9 et inférieure 10 de sorte que dans cette réalisation l'ensemble des conduits 3, 3 ', 4, 4' ne sont ouverts que sur une de leurs faces (hors les faces définies comme les faces avant/d'entrée et arrière/sortie), fermée ultérieurement par l'un ou l'autre des deux flancs 7 ou 8.

Dans cette réalisation, il existe toujours deux types de conduits 3, 3' et 4, 4' respectivement pour chacun des fluides.

Le premier type de conduit 4, 4' présente une section en forme de E et est utilisé dans cet exemple pour la circulation du liquide de refroidissement. Dans cet exemple, l'orifice d'entrée 11 du liquide de refroidissement est situé dans la paroi supérieure 9 et permet la communication directe avec un premier conduit 4, qui est lui-même en communication, cette ou communication(s) n'étant pas représ entée(s) ou visible sur les figures annexées, avec le second conduit 4' du premier type. L'orifice de sortie 12 est située ici dans la paroi inférieure 10 et permet la communication directe avec ce second conduit 4'. La circulation du fluide circulant dans ce premier type de conduits 4, 4' est idéalement suivant deux passes ou en U suivant la direction Oy.

Le second type de conduits 3, 3' est ici identique au second type de conduits 3, 3 ' représenté sur l'échangeur de chaleur 1 de la figure 1, c'est-à- dire qu'ils consistent en des conduits de section carré ou rectangulaire et la

circulation est également suivant deux passes ou en U. La circulation des gaz d'échappement se fait ici dans ce type de conduits 3, 3', cette circulation pouvant être à contre sens de la circulation ou dans la même sens de circulation que le liquide de refroidissement, et ce en fonction de la forme et de la fonction du collecteur d'entrée et de celui de sortie (le collecteur d'entrée pouvant remplir la fonction de collecteur de sortie, en séparant hermétiquement les chambres d'entrée et de sortie tandis qu'alors, le collecteur dit de « sortie » consistera en un collecteur intermédiaire), non représentés sur les figures annexées ; la réalisation d'une circulation à contre courant ou dans le même sens (pour les 2 passes de chacun des fluides) étant parfaitement connue de l'homme du métier. On notera que ce qui est dénommé collecteur d'entrée et de sortie se désigne également comme un carter, destiné de façon générale à former/constituer notamment le canal d'entrée et de sortie de l'échangeur de chaleur 1.

La figure 3 illustre un mode de réalisation dans lequel le corps central 2 comprend à nouveau les parois supérieure 9 et inférieure 10 et la configuration des conduits 3, 3', 4, 4' et identique à celle représentée et décrite en rapport avec l'échangeur de chaleur de la figure 1, Dans cet exemple, l'échangeur de chaleur 1 comporte une paroi de séparation 13, située sensiblement au milieu du corps central 2/échangeur 1, de sorte que la circulation du fluide, ici le liquide de refroidissement, s'effectue suivant un U, ce U s 'étendant suivant la direction verticale Oz à la différence de la circulation en U des réalisations des figures 1 et 2 dans lesquelles la circulation en U s'étendent suivant la direction horizontale Oy, Cette paroi de séparation 13 est idéalement rapportée suite à l'extrusion du corps central 2 et fixée, par exemple par brasage, à l'intérieur d'un conduit 4 du premier type, de section en forme de T,

Le second fluide, ici les gaz d'échappement, circule à l'identique des réalisations représentées et décrites relativement aux figures 1 et 2 de sorte

que dans ce mode de réalisation de l'échangeur de chaleur 1, les circulations des deux fluides ne s'effectuent ni dans le même sens ni dans la même direction, ici respectivement la direction Oz pour le liquide de refroidissement et la direction Oy pour les gaz d'échappement.

Les figures 4 à 8 présentent différentes façons d'augmenter les surfaces internes d'échange des conduits 3, 3', 4, 4', ceci étant rendu possible grâce à la réalisation d'un corps extrudé central 2, tantôt avec des conduits « ouverts » (sur au ^' moins une face latérale 7, 8 ou supérieure 9/inférieure 10) permettant de travailler directement leurs surfaces internes ou avec des conduits « fermés » (présentant des ouvertures uniquement sur les faces avant/entrée et arrière/sortie) permettant de disposer des moyens annexes d'augmentation de la surface d'échange.

La figure 4 montre un exemple d'un conduit « ouvert » d'un corps central 2 selon l'invention. Dans cet exemple, une face interne 14 d'un conduit 3 comporte une augmentation 15 de sa surface d'échange qui est obtenue directement par extrusion, lors de la réalisation du corps central 2 ou peut être obtenu indépendamment de l'obtention du corps central 2, par exemple par clampage, laminage, usinage, matriçage ou poinçonnage. Par ailleurs, cette figure 4 montre un flanc 7 qui comprend une paroi horizontale 16 dont la surface d'échange est augmentée 15, à l'identique de la surface interne 14 du conduit 3 formé par les parois du corps central 2. Bien entendu, une ou plusieurs, voire toutes, surfaces internes des conduits 3, 3', 4, 4' peut/peuvent présenter une surface d'échange augmentée ou améliorée 15.

Par ailleurs, le flanc 7 représenté comporte un clip de maintien 17 destiné à coopérer avec une rainure longitudinale 18 présente dans la paroi supérieure 9, sur sa face extérieure. Le clip de maintien 17 du flanc 7 vient se positionner dans la rainure 18 lorsque le flanc 7 est amené en contact du corps central 2. Outre, la fixation du flanc 7 par ce clip de maintien 7, qui est

optionnel, la fixation du ou des flanc(s) 7 ou 8 sur le corps central 2 est exécutée par brasage/soudure ou par collage. Dans le cas d'une fixation par brasure, on pourra disposer Ie matériau de brasage uniquement sur la surface de contact, ou surface interne, du ou des flanc(s) 7 ; l'ensemble de l'échangeur de chaleur 1 étant réalisé, par fixation des différents éléments entre eux, lors du brasage dans le four de brasage.

La figure 5 illustre une paroi 18 d'un conduit du corps central 2 dont la surface d'échange est augmentée 15, par poinçonnage, par l'utilisation d'un couteau, par matriçage ou usinage tandis que le flanc 7 représenté comprend toujours un clip de maintien 17 et s'étend linéairement, c'est-à-dire suivant un plan, sans comporter une partie ou cloison complémentaire d'un conduit 3 ou 3'.

Sur la figure 6, le conduit 3 illustré ne présente pas une surface d'échange augmentée par un travail particulier réalisé sur la ou les surface(s) inteme(s) dμ conduit 3 mais par l'incorporation, ou la disposition, d'un turbulateur 19, Ce turbulateur 19 est fixé aux parois du paroi du conduit 3 dans lequel il est placé par exemple par brasage de ses sommets sur une ou plusieurs surfaces internes 14 du conduit 3.

La figure 7 illustre un exemple d'intercalaire 20 pouvant être disposé à l'intérieur d'un conduit du corps central 2. Cet intercalaire 20 pourra être également obtenu par extrusion, à l'instar du corps central 2, des flancs 7, 8 et éventuellement des parois supérieure 9 et inférieure 10.

Enfin, la figure 8 illustre une pièce d'insert ou intercalaire 21 apte à être disposé dans un conduit 3 du corps central 2, toujours dans le but en particulier d'augmenter la surface d'échange de chaleur du conduit 3.

On notera que les orifices d'entrée 11 et de sortie 12 présents sur la paroi supérieure 9 et/ou inférieure 10 sont obtenus par découpe, fraisage ou une autre technique connue. Par ailleurs, les flancs rapportés 7, 8 et/ou les parois supérieure 9 et inférieure 10 pourront être également obtenues par extmsion, à l'identique du corps central 2.

L'homme de l'art pourra appliquer les concepts décrits à de nombreux autres systèmes similaires, en combinant à souhait les différentes réalisations et modes d'exécution présentés précédemment, sans sortir du cadre de l'invention défini dans les revendications jointes,