Echangeur thermique à canal central pour fluide caloporteur

La présente invention concerne les circuits de transport de fluides tels que ceux utilisés dans les véhicules automobiles, notamment pour faire recirculer les gaz d'échappement des moteurs thermiques de ces véhicules.

ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Un circuit de recirculation de gaz d'échappement du moteur thermique d'un véhicule automobile (communément appelé EGR pour "Exhaust Gas Recirculation") s'étend entre le circuit d'échappement et le circuit d'admission du moteur thermique et comprend classiquement un échangeur 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 1 ' échangeur thermique ou dans le conduit de dérivation, et une vanne de régulation pour régler le débit du flux gazeux dans le circuit de recirculation.

L ' échangeur thermique comprend un corps comportant des tubes reçus dans une enveloppe externe dont les extrémités sont reliées à des brides de raccordement au circuit. Un tel échangeur comporte un grand nombre de pièces brasées les unes aux autres.

Il existe également des échangeurs dont le corps comporte une enveloppe externe ayant des extrémités pourvues de brides de raccordement et recevant deux demi- coquilles moulées et accolées, pourvues d'ailettes inter- nés 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. Il existe d'autres structures moulées présentant une superposition

de canaux alternativement affectés au transport du fluide à refroidir et du fluide caloporteur.

L'un des points critiques de la fabrication de ces échangeurs concerne la réalisation de 1 ' étanchéité, en particulier aux extrémités du corps de l'échangeur, pour éviter une fuite du fluide caloporteur. Or, dans toutes ces structures d'échangeur, le fluide caloporteur s'étend autour des canaux de flux gazeux. Les zones à étanchéifier sont donc importantes, ce qui augmente le risque de fuite.

OBJET DE L'INVENTION

Un but de l'invention est de fournir un moyen pour résoudre l'inconvénient précité.

RESUME DE L'INVENTION A cet effet, on prévoit, selon l'invention un échangeur thermique comportant un corps délimitant un premier canal entouré de canaux périphériques, l'échangeur étant pourvu d'organes de définition de circuits indépendants agencés de telle manière que le premier canal permette la circulation d'un fluide caloporteur et les canaux périphériques permettent la circulation d'un fluide à traiter thermiquement .

La présence d'un canal de fluide caloporteur unique permet d'avoir des longueurs à étanchéifier qui sont relativement limitées. Le risque de fuite du liquide caloporteur est de la sorte réduit. En outre, une disposition centrale du canal de fluide caloporteur permet une proximité importante avec celui-ci des canaux périphériques de transport de fluide à refroidir, favorisant l'échange thermique entre le fluide à refroidir et le fluide caloporteur.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limitatifs de l'invention.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

II sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels :

- la figure 1 est une vue en perspective d'un échangeur thermique associé à un ensemble de vanne conformément à l'invention,

- la figure 2 est une vue de cet échangeur thermique en coupe selon le plan II de la figure 1, le volet étant en position de raccordement de l'ensemble de vanne avec 1 'échangeur,

- la figure 3 est une vue partielle, analogue à celle de la figure 2, montrant l'ensemble de vanne lorsque le volet est dans une position de dérivation,

- la figure 4 est une vue partielle en perspec- tive éclatée de 1 ' échangeur thermique équipé de l'ensemble de vanne conforme à l ' invention,

- la figure 5 est une vue partielle en perspective du corps de l' échangeur thermique,

- la figure 6 est une vue en bout du corps de 1' échangeur thermique selon un premier mode de réalisation,

- la figure 7 est une vue analogue à la figure 6 du corps de 1 ' échangeur thermique selon un deuxième mode de réalisation, - la figure 8 est une vue analogue à celle de la figure 6 du corps de 1 ' échangeur thermique conforme à un troisième mode de réalisation,

- la figure 9 est une vue analogue à celle de la figure 6 d'un échangeur thermique conforme à un quatrième mode de réalisation,

- la figure 10 est une vue analogue à celle de la figure 2, de 1 ' échangeur thermique conforme au quatrième mode de réalisation,

- la figure 11 est une vue partielle avec écorché du corps d'un échangeur thermique avec un profil particulier de cloison de séparation des canaux,

- la figure 12 est une vue analogue à celle de la figure 6 d'un corps d ¹ échangeur thermique conforme à un cinquième mode de réalisation,

- les figures 13 et 14 sont des vues en bout du corps de l' échangeur selon des variantes de réalisation, avant assemblage . DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

L'invention est ici décrite en application à un circuit de recirculation des gaz d'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile.

De manière connue en elle-même, le circuit de re- circulation est pourvu de moyens de sa liaison d'une part au circuit d'échappement du moteur thermique et d'autre part au circuit d'admission du moteur thermique. Le principe de fonctionnement d'un tel circuit de recirculation est connu en lui-même et ne sera pas détaillé ci-après. En référence aux figures 1 à 6, le circuit de recirculation de gaz d'échappement comprend un dispositif d'échange thermique comportant un échangeur thermique, généralement désigné en 1, associé à un ensemble de vanne, généralement désigné en 2. L 'échangeur thermique 1 comprend un corps généralement désigné en 3, comportant une enveloppe externe 4, de forme tubulaire, ayant des extrémités ouvertes 4.1, 4.2. L'enveloppe externe 4 a ici une forme parallélépipé- dique et comprend des parois 4.3, 4.4, 4.5 et 4.6 parai- lèles et opposées deux à deux.

Dans l'enveloppe externe 4, deux cloisons centrales 5 s'étendent parallèlement entre elles et à un axe longitudinal 6 de l'enveloppe externe 4. Les cloisons centrales 5 ont des bords longitudinaux opposés reliés aux parois 4.3, 4.4 de manière à définir avec celles-ci

un canal central 7. Le canal central 7 comprend des portions élargies 7.1, 7.2 au voisinage des parois 4.3, 4.4 de sorte que le canal central 7 a une section transversale ici en forme de I. Les portions 7.1, 7.2 communi- quent à l'extérieur de l'enveloppe externe 4 par des ouvertures 8.1, 8.2 ménagées respectivement dans les parois 4.3, 4.4 au voisinage des extrémités 4.1, 4.2 de l'enveloppe externe 4.

Dans l'enveloppe externe 4, des cloisons périphé- riques 9 s'étendent parallèlement les unes aux autres et à l'axe longitudinal 6. Les cloisons périphériques 9 s'étendent de part et d'autre du canal central 7 et ont des bords longitudinaux opposés reliés respectivement aux parois 4.5, 4.6 et aux cloisons centrales 5 de manière à définir avec celles-ci des canaux périphériques 10. Les canaux périphériques 10 ont ici une section transversale rectangulaire .

Le canal central 7 a une section supérieure à celle des canaux périphériques 10. Le corps 3 est réalisé en aluminium par extrusion de sorte qu'à la sortie de 1 'extrudeuse, les canaux 7 et 10 ont des extrémités débouchantes. La fabrication par extrusion permet l'obtention d'un corps monobloc, ce qui limite les opérations d'assemblage et minimise les coûts de fabrication. Le corps 3 peut également être réalisé en un autre métal que l'aluminium et plus généralement en tout matériau possédant des propriétés suffisantes de conduction thermique.

Sur les extrémités 4.1, 4.2 de l'enveloppe ex- terne 4 sont fixés des organes de définition de circuits de fluides indépendants.

Ces organes comprennent deux éléments d'obturation 11, 12 fixés par soudage aux extrémités du canal central 7, respectivement du côté de l'extrémité 4.1 et de l'extrémité 4.2 de l'enveloppe externe 4.

Ces organes comprennent également un élément de retour 13 qui a la forme d'un capot ayant une paroi de fond en segment cylindrique d'axe perpendiculaire aux parois 4.5, 4.6 et qui est fixé sur l'extrémité 4.2 de l'enveloppe 4. L'élément de retour 13 permet de renvoyer un flux issu de certains des canaux périphériques 10, en l'occurrence ceux identifiés 10. a s ' étendant dans la moitié supérieure de l'enveloppe externe 4, vers les autres canaux périphériques 10, c'est-à-dire ceux identifiés 10. b s 'étendant dans la moitié inférieure de l'enveloppe externe 4 (voir plus particulièrement les figures 5 et 6) .

Ces organes comprennent en outre un élément de liaison des extrémités des canaux périphériques 10, si- tuées du côté de l'extrémité 4.1, à des conduits d'amenée et d'évacuation de fluide. Cet élément de liaison est ici formé par 1 ' ensemble de vanne 2.

L'ensemble de vanne 2 comprend un corps de vanne 21 ayant une portion d'extrémité agencée pour former un collecteur 22 et une portion d'extrémité 23 délimitant un premier conduit 24 débouchant dans le collecteur 22 par un siège 25 pour un clapet 26 monté mobile dans le collecteur 22 entre une position extrême de fermeture et une position extrême d'ouverture du premier conduit 24. La portion d'extrémité 23 est équipé de moyens de liaison du premier conduit 24 à une canalisation externe. Le collecteur 22 prolonge le premier conduit 24 et forme ici une extrémité évasée de celui-ci. Le clapet 26 est relié à la tige d'un actionneur 27 monté à l'extérieur du corps de vanne 21 du côté de sa portion d'extrémité 23. L 'actionneur 27, connu en lui-même est agencé pour faire coulisser de manière réglable le clapet 26 entre ses deux positions .

Le collecteur 22 délimite également un deuxième conduit 28 débouchant dans le collecteur 22 du côté de la

paroi 4.3 et perpendiculairement à 1 ' axe longitudinal 6. Le deuxième conduit 28 est un conduit d'entrée d'un flux gazeux dans 1 ' ensemble de vanne 2 et le premier conduit 24 est un conduit de sortie du flux gazeux de l'ensemble de vanne 2. Le deuxième conduit 28 est ainsi destiné à être raccordé au circuit d'échappement du moteur thermique et le premier conduit 24 est destiné à être relié au conduit d'admission du moteur thermique.

Le collecteur 22 est emboîté entre deux ailes 31 d'une bride, généralement désigné en 30, emboîtée et fixée par soudage sur l'extrémité 4.1 de l'enveloppe externe 4. Les ailes 31 sont parallèles aux parois 4.5, 4.6 de l'enveloppe externe 4 et sont pourvues de paliers recevant à pivotement un axe 32 d'un volet double, généra- lement désigné en 33, comportant deux parties de volet 33.1, 33.2 s ' étendant dans le prolongement l'une de l'autre de part et d'autre de l'axe 32.

La bride 30 et le volet 33 définissent une ouverture d'entrée 34 dans 1 ' échangeur 1 en regard des canaux périphériques 10. a et une ouverture de sortie 35 de 1 ' échangeur 1 en regard des canaux périphériques 10.b.

Le volet 33 est monté en regard du deuxième conduit 28 et de l'ouverture 34 et est mobile entre une position de dérivation (figure 3) dans laquelle le volet 33 dévie un flux gazeux issu du deuxième conduit 28 directement vers le premier conduit 24 sans passer par 1' échangeur thermique 1 et une position de raccordement (figure 2) dans laquelle le volet 33 guide le flux gazeux issu du deuxième conduit 24 vers l'ouverture d'entrée 34 et de l'ouverture de sortie 35 vers le premier conduit 24.

Dans la position de raccordement, les bords latéraux et terminal de la partie de volet 33.1 sont en appui etanche respectivement contre des surfaces 36, 37 formant siège s ' étendant dans le collecteur 22 et appartenant au

corps de vanne 21 ; les bords latéraux et terminal de la partie de volet 33.2 sont en appui étanche respectivement contre des surfaces 38, 39 formant siège et appartenant à la bride 30. Les surfaces 36, 37 s'étendent d'un côté des paliers opposé aux surfaces 38, 39. Le volet 33 en position de raccordement isole ainsi la partie du collecteur 22 dans laquelle débouche le deuxième conduit 28 de la partie du collecteur 23 dans laquelle débouche le premier conduit 24. En position de dérivation, le volet 33 dévie le flux gazeux directement vers le premier conduit 24. Comme l'entrée et la sortie de 1 ' échangeur débouchent toutes deux dans le corps de vanne en arrière du volet, il n'y a pas de circulation dans l' échangeur même si celui-ci n'est pas isolé de façon étanche par rapport aux conduits 24, 28.

La surface 39 appartient à une traverse de la bride 30 dont est solidaire l'élément d'obturation 11 du canal central 7. Du fait de la structure de la bride 30 et de la répartition des surfaces 36, 37, 38, 39 formant siège du volet 33 entre le corps de vanne 21 et la bride 30, la bride 30 est compacte et permet l'obtention d'une faible distance entre le corps de vanne 21 et le corps 3 de l' échangeur 1. La bride 30 est en un matériau thermique- ment conducteur et constitue un pont thermique entre le corps de vanne 21 et le corps 3 de l' échangeur 1.

Pour améliorer les échanges thermiques entre le corps de vanne 21 et le corps 3 de 1 ' échangeur thermique 1, le collecteur 22 est pourvu d'une ailette 29 thermi- quement conductrice qui s ' étend perpendiculairement à l'axe 32 du volet 33 et qui vient prendre appui sur le corps 3 de 1 ' échangeur 1 , ici indirectement via 1 ' élément d'obturation 11, réalisé en matériau thermiquement conducteur. L'ailette 29 favorise ainsi une conduction

thermique entre le corps 3 de 1 ' échangeur 1 et le corps de vanne 21.

L'élément de retour 13 et la bride 30 comportent des embouts 14, 15 destinés à s'étendre en regard des ou- vertures 8.1, 8.2 pour permettre le raccordement de canalisations au canal central 7. Ces embouts 14, 15 sont soudés sur les parois 4.3, 4.4 et sont destinés à être raccordés à des canalisations de transport d'un fluide caloporteur. Le canal central 7 transporte ainsi le fluide caloporteur qui va permettre le refroidissement des gaz d'échappement qui vont circuler dans les canaux périphériques 10. Les cloisons centrales 5 sont ainsi en contact avec le fluide caloporteur et les gaz à refroidir et permettent un transfert thermique direct entre ceux- ci, et les cloisons périphériques 9 assurent un transfert thermique entre les gaz à refroidir et le fluide caloporteur via les cloisons centrales 5. L'utilisation d'un canal central pour le liquide caloporteur et de canaux périphériques entourant le canal central pour le fluide à refroidir permet d'obtenir une structure d ¹ échangeur thermique compacte et efficace en favorisant les transferts thermiques par convection et conduction. En outre, un canal central unique pour le fluide caloporteur permet de limiter les longueurs à étancher et minimise le risque de fuite.

On notera en outre que, l'élément d'obturation 11 étant en contact avec le fluide caloporteur, l'élément favorise le refroidissement de l'ailette 29 et donc du corps de vanne 21. Les composants soudés sur le corps 3 de 1 ' échangeur sont soudés au laser.

Selon un deuxième mode de réalisation, l'ensemble de vanne 2 et l'élément de retour 13 sont agencés de telle manière que les canaux 10. a s'étendent d'un côté du canal central 7 opposé aux canaux 10. b (voir la figure

7 ) .

Selon un troisième mode de réalisation, comme représenté à la figure 8, le corps 3 de 1 ' échangeur 1 ne comprend que quatre canaux périphériques 110 principaux réalisés dans la masse du corps 3, chacun de ces canaux périphériques 110 étant subdivisé en une pluralité de sous-canaux périphériques 111 par l'intermédiaire d'une paroi en zigzag 112 rapportée dans chaque canal périphérique 110. Pour créer des turbulences et augmenter l'ef- ficacité de 1 ' échangeur thermique, ces parois en zigzag 112 peuvent présenter des reliefs, par exemple un gaufrage, pour créer des turbulences dans le flux gazeux.

Bien que 1 ' invention ait été décrite en relation avec un échangeur thermique conformé en U, l'invention est bien entendu applicable à un échangeur thermique conformé en I comme dans le quatrième mode de réalisation représenté aux figures 9 et 10. Une extrémité du corps 203 de 1 ' échangeur est alors reliée au corps de vanne 221 qui définit un conduit 224 unique tandis que l'extrémité opposée du corps 203 est reliée à un conduit externe par un élément de liaison 252.

Dans cet agencement, le canal central 207 est identique au canal central 7 précédemment décrit, tous les canaux périphériques 210 du corps 203 de 1 ' échangeur sont unidirectionnels et le corps 203 de 1 ' échangeur comprend deux canaux supplémentaires, a savoir un canal de dérivation 250 non refroidi et un canal d'isolement 251 contenant de l'air et servant à isoler thermiquement le canal de dérivation 250 du canal central 207. Le corps de vanne 221 de l'ensemble de vanne 202 est fixé au corps 203 de 1 ' échangeur par une bride 230 comportant un volet 233 simple mobile entre une position de raccordement du conduit 224 aux canaux périphériques 210 et une position de dérivation dans laquelle le conduit 224 est raccordé au canal de dérivation 250.

On notera que le canal d'isolement 251 est facultatif .

Selon un cinquième mode de réalisation, représenté à la figure 12 , le corps 3 de 1 ' échangeur thermique comprend deux cloisons périphériques 300, parallèles aux parois 4.5, 4.6, ayant des bords longitudinaux reliés aux parois 4.3, 4.4 pour définir avec celles-ci et avec les parois 4.5, 4.6 des canaux principaux 301 pour le passage du fluide caloporteur. Entre les cloisons périphériques 300 s'étendent des cloisons centrales 302 délimitant des canaux centraux 303 de plus faible section que les canaux principaux 301 et destinés au passage des gaz à refroidir.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de 1 ' invention tel que défini par les revendications.

En particulier, le corps de 1 ' échangeur thermique peut avoir une structure différente de celle décrite et résulter par exemple de la combinaison d'un ou plusieurs des modes de réalisation décrits ou résulter d'un assemblage de différentes pièces obtenues par extrusion, moulage.... Le nombre de canaux peut être différent et les sections de ceux peuvent ne pas être rectangulaires. L'enveloppe externe et le canal central peuvent ainsi avoir une section circulaire et les canaux périphériques une section en segments annulaires.

En variante, le corps peut comprendre au moins une partie extrudée intégrant au moins certaines des cloisons délimitant (en tout ou partie) une pluralité de canaux. Ainsi, comme représenté sur les figures 13 et 14, le corps 3 de 1 ' échangeur peut résulter de l'assemblage de plusieurs parties extrudées (le corps 3 reste un "corps extrudé" au sens de la présente description. Sur la figure 3, on peut voir une première partie

extrudée 3.A formant l'enveloppe 4 et une deuxième partie 3.B délimitant les canaux. La partie 3.B comprend une portion centrale comportant les deux cloisons centrales 5 dont les bords longitudinaux adjacents sont reliés par des cloisons 5 ' pour délimiter le canal central 7 qui n'est donc ouvert qu'à ses extrémités avant la mise en place des éléments d'obturation 11, 12 (non visibles ici). Des cloisons centrales 5 s'étendent les cloisons périphériques 9. La partie 3.B est montée dans la partie 3.A de telle manière que les parois 4.3, 4.4, 4.5 et 4.6 délimitent les canaux périphériques 10 avec les parois périphériques 9. Il n'est pas nécessaire de fixer les bords longitudinaux libres des cloisons périphériques 9 à l'enve- loppe 4, une étanchéité des canaux périphériques 9 les uns par rapport aux autres n'étant pas nécessaire au bon fonctionnement de 1 ' échangeur 1. En revanche, le canal central 7 est lui longitudinalement étanche avant même le montage de la partie 4.8 dans la partie 4.A, le risque d'une fuite du fluide caloporteur devant être évité.

On notera que des nervures 70 s'étendent en saillie des cloisons périphériques pour augmenter les surfaces d'échange avec le flux gazeux.

Sur la figure 14, on peut voir deux parties ex- trudées identiques formant des demi-corps 3.A', 3.B ¹ délimitant chacun : une portion longitudinale des parois 4.3 et 4.4 ; une des parois 4.5, 4.6 ; une des cloisons centrales 5 et des cloisons périphériques 9.

Les demi-corps 3.A', 3.B' sont réunis pour former le canal central 7 et sont reliés l'un à l'autre par une soudure longitudinale s 'étendant le long des parois 4.3 et 4.4.

Par ailleurs, d'autres procédés de soudage que le sondage laser évoqué dans la description des modes de ré- alisation précédents peuvent en outre être employés pour

la réalisation de l'échangeur.

En variante, les cloisons du corps de l'échangeur peuvent présenter localement des déformations plastiques visant à engendrer des turbulences dans le flux gazeux. Ces cloisons peuvent par exemple être ondulées comme représenté sur la figure 11.

Les surfaces formant siège pour le volet peuvent être réalisées sur la bride uniquement. Des surfaces formant siège peuvent également être réalisées sur le corps de vanne, soit pour une seule des positions du volet, soit pour les deux positions du volet.

En position de raccordement, les bords du volet 33 peuvent être espacés des surfaces formant siège appartenant au corps de vanne 21 et à la bride 30 d'une dis- tance inférieure à un jeu de fuite minimale. On entend par là qu'il n'y a pas d'appui étanche du volet sur ces surfaces mais qu'un espace s'étend entre ceux-ci, cet espace étant de dimensions suffisamment faibles pour que la fuite en résultant ne soit pas préjudiciable au fonction- nement du dispositif d'échange thermique. Il est également possible d'agencer l'ensemble de vanne de telle manière que le volet en position de dérivation coopère avec des surfaces formant siège appartenant au corps de vanne et/ou à la bride. L'ailette 29 est facultative.

Le sens de circulation des gaz dans l'ensemble de vanne et 1 ' échangeur peut bien entendu être inversé par rapport à celui décrit .

Le deuxième conduit peut être délimité par la bride.

Les organes de définition de circuits peuvent être montés sur l'échangeur ailleurs qu'à ses extrémités et par exemple au voisinage desdites extrémités.