EP0430752A1 - Echangeur de chaleur à écoulement circonférentiel - Google Patents

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EP0430752A1
EP0430752A1 EP90403244A EP90403244A EP0430752A1 EP 0430752 A1 EP0430752 A1 EP 0430752A1 EP 90403244 A EP90403244 A EP 90403244A EP 90403244 A EP90403244 A EP 90403244A EP 0430752 A1 EP0430752 A1 EP 0430752A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
channels
energy exchange
generally
plates
plate
Prior art date
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Granted
Application number
EP90403244A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0430752B1 (fr
Inventor
Paul Kenneth Beatenbough
Kris Jon Meekins
Clark E. Stohl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dana Canada Corp
Original Assignee
Long Manufacturing Ltd
Valeo Engine Cooling Inc
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Filing date
Publication date
Application filed by Long Manufacturing Ltd, Valeo Engine Cooling Inc filed Critical Long Manufacturing Ltd
Publication of EP0430752A1 publication Critical patent/EP0430752A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0430752B1 publication Critical patent/EP0430752B1/fr
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F28D9/0012—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 apparatus having an annular form
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F28D9/0037—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 conduits for the other heat-exchange medium also being formed by paired plates touching each other
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S165/00—Heat exchange
    • Y10S165/916—Oil cooler

Definitions

  • the present invention relates to an improved corrugated plate heat exchanger, with application particularly for cooling the oil of automobile engines where high heat transfer ratios of the oil circuit are desired.
  • oil coolers were then developed which were mounted on the engine, usually between the engine block and an externally mounted oil filter, which cooled the oil going to or from the filter, through the use of fluid from the engine cooling system.
  • These radiators mounted on the filters mostly used hollow structures made of multiple plates generally spaced in parallel, plates between which the oil and the coolant flow in parallel planes in order to have a maximum heat transfer.
  • These structures, made of spaced plates can have fins between the hollow structures or are made of corrugated plates.
  • the oil flowing to the cooling radiator comes from an orifice placed in the filter assembly, or close to it, and it circulates between the parallel plates of the cooling radiator.
  • Cooling fluid coming from the engine cooling circuit, circulates between the parallel plates containing the oil and its action allows the transfer of thermal energy from the oil to the cooling fluid.
  • This system gave birth to many variants, the oil being first filtered and then flowing to the radiator. oil cooling or vice versa, but with, essentially, the coolant flowing from the engine cooling circuit, generally coming from the radiator or the water pump, towards the oil cooling radiator.
  • An essential feature of oil coolers mounted on the filter is that one or both of the fluids flow in a generally circular direction relative to the center of the cooler and that the transfer elements heat, that is, generally, the fins or ripples, are generally aligned only in one or two directions.
  • the transfer elements heat that is, generally, the fins or ripples
  • One of the objects of the present invention is to provide energy exchange structures with better heat transfer.
  • Another object of this invention is to provide energy exchange structures with a lower pressure drop of the internal fluid.
  • Another object of this invention is to provide an automobile oil cooling radiator, with less loss of oil pressure.
  • the invention relates to an improved energy exchanger structure, comprising opposite generally parallel plates joined to delimit a hollow passage intended for a generally circular flow of fluid, between an inlet and an outlet, said opposite plates undulating in the transverse direction to form a number of opposite channels extending into the hollow passage and being arranged to generally follow generally unintended curves arranged obliquely to a direction of flow of circular fluid within the passage.
  • the channels of a first plate are arranged to cross the channels of a second plate in such a way that the surface between opposite channels defines passages in which the fluid can flow.
  • the energy exchange structures comprising corrugated plates joined in opposite directions and in which the corrugations are included in at least four sets of generally parallel channels, each set being arranged obliquely with respect to a circular flow direction inside the passage determined by the assembled plates.
  • the channel sets of the first plate are arranged so as to intersect the games of the opposite channels of the second plate, so that the zone between the opposite channels of the opposite games defines crossed passages in which the fluid can flow.
  • the automotive oil cooling radiators which are the subject of the present invention include multiple opposing and stacked plates constituting a number of interconnected energy exchange structures for a generally circular flow of fluid.
  • the admissions of energy exchange structures lead to an intake manifold where they are interconnected either in parallel with other admissions, or in series with the outputs of a second structure.
  • the outlets lead to an evacuation manifold and are also connected either in parallel or in series with the outlets or inlets of a second structure.
  • the energy exchange structures are provided with passages for the flow of oil inside the energy exchange structures and for the flow of coolant outside the energy exchange structures. It is advised that the coolant flow is generally oriented obliquely to the opposite channels of the opposing plates of the energy exchange structures to increase the energy exchange.
  • the energy exchange structures can be enclosed in a container forming a casing where a liquid or gaseous cooling fluid circulates on and between the opposite plates constituting the energy exchange structures; they can also be in the open air to let a current of air or some other gas flow.
  • the periphery of the stacked energy exchange structures can be joined to the walls of the casing in order to delimit separate passages for the cooling fluid, passages which can also be connected separately, interconnected in parallel or in series at the inlet or outlet of the coolant.
  • the improved oil cooling radiators for automobiles according to the present invention are produced by a process in which opposite plates, transversely corrugated in order to provide a number of channels arranged to follow involute curves arranged oblique in the direction of flow of a fluid flowing between said plates, are arranged so that the apexes of the channels of a first plate cross the apexes of the opposite channels of a second plate and that the surface between the opposite channels defines crossed passages preferably arranged obliquely between 5 and about 75 degrees from the circumferential direction of the energy exchange structure.
  • Said first and second plates are combined to form a hollow passage, comprising a fluid inlet and a fluid outlet, the passage being arranged so as to direct the fluid which enters the passage, coming from an inlet, according to a flow generally circular, towards an evacuation.
  • the multiple energy exchange structures can be assembled in series and / or in parallel in order to constitute a cooling radiator, with the admission of a first energy exchange structure connected to the admission or to the evacuation of a second energy exchange structure. Essentially, it is advisable to assemble two or more groups of energy exchange structures connected in parallel with each group in a series arrangement with inlet and outlet manifolds.
  • Figures 1 and 2 show, by way of example, an embodiment of an automobile oil cooling radiator according to the present invention. However, it should be understood that the present invention can be used for a number of other applications where an energy exchange structure is required.
  • the cooling radiator 10 comprises a metal housing 11 with one side 12 fixing itself to the engine, one side 20 fixing itself to the oil filter, an external housing side 17 and an internal housing opening 14.
  • the outer side 17 of the housing 11 includes the intake of the coolant 18 and the discharge of the coolant 19.
  • the end 20 for fixing the oil filter comprises the oil discharge 21 and the sealing surface 22 of the oil filter.
  • the interior opening 14 of the housing goes from the end 12 for fixing the engine, to the end 20 for fixing the oil filter and constitutes a groove by which a removable oil filter can be fixed to the engine in order to sealing the cooling radiator and the filter with respect to the engine and which gives a return path to the engine of the cooled and filtered oil.
  • a first hot fluid such as hot engine oil
  • enters the cooling radiator 10 through the oil inlet 13 flows between the opposing plates by a number of generally circular passages and goes to the outlet 21 for engine oil to gain the admission of an oil filter (not shown).
  • the cooled oil passes through the oil filter and is directed into a hollow oil filter fixing shaft (not shown) which passes through the opening 14 to reach the engine.
  • the hollow oil filter fixing shaft engages in the engine and is generally threaded to fix the radiator and filter assembly to the engine, under stress. The shaft thus gives a fixing of the filter and the radiator cooling the engine and provides a passage for the return of the cooled and filtered oil between the engine and the filter.
  • the flow of oil is directed through the channels which, angularly arranged, in involute curves, go inward to the hollow passages of the opposite plates.
  • the oil flow is passively divided and mixed by the crossed paths of the channels, which increases the contact of the oil flow with the opposite plates of the energy exchange structure.
  • the thermal energy of the oil is dissipated on the opposite plates of the energy exchange structures and on any fins with which the oil can come into contact.
  • the channels going inwards direct the flow of oil to the within the exchange structures along the ridges, the intersecting channels continuously performing passive separation, with mixing and oblique, involuted change of direction of the current oil, generally in a circumferential direction, from the admission of the energy exchange structure to the exit of the energy exchange structure.
  • the area between the stacked energy exchange structures includes passages which also originate from the corrugation of the plates. The coolant flowing in these passages is directed along the involuntary arrangement of channels 27 and 28. With the flow of oil, the involuted arrangement of channels continuously performs passive separation and mixing and gives a new oblique direction involuted to the coolant flow, from the coolant inlet to the coolant outlet.
  • the channels of the opposing plates are easily made by stamping, stamping, or some other means to shape the channels in the plates.
  • the channels can receive an involute curve shape or be otherwise curved or even receive a straight shape and be generally arranged following an involute curve.
  • the channels can typically have any length within the limits of the curve on the plate.
  • the channels are formed along an involute curve but are generally arranged along it, they are essentially straight or slightly curved and it is advisable to make shortened segments to reduce the differences in distance of the channel from involuntary curvature.
  • the area between neighboring canals includes neighboring ridges. Neither the neighboring ridges nor the neighboring canals must necessarily have the same width.
  • the ridges can be on the same plane as the plate or can be stamped, stamped or otherwise formed to extend above the plane of the plate. He must it should be understood that the use of other means, well known in the profession, are envisaged for the formation of channels and ridges, including molding and other similar means.
  • the ridges and channels will form an oblique angle with the circumferential direction of the plate. It is preferable that the oblique angle is about 5 to 75 degrees from the circumferential direction of the oil flow between the plates and that it is most preferably about 15 to about 45 degrees.
  • the first and second opposite elongated plates are mounted so that the channels of the first plate cross the opposite channels of the second plate. It is not essential that the channels or the ridges of the first plate have the same oblique angle with the longitudinal direction as those of the second plate, although this is generally advised.
  • FIG. 8 schematically represents a configuration of the channels on the interior surfaces looking at the joined corrugated plates, where the corrugations are arranged in at least four sets of generally parallel channels, each set being arranged obliquely with respect to a circular flow rate in the hollow passage defined by the opposing plates joined together.
  • the oil cooling radiators according to the invention can be constructed with any suitable material capable of withstanding the corrosive effects and the internal pressures of the fluid in the circuit.
  • suitable materials include malleable metals such as aluminum, copper, steel, stainless steel and their alloys, and even plastics or ceramics.
  • each of the components of a cooling radiator are formed from the same material when they are to be joined together.
  • the plates used to build the energy exchange structures should preferably be formed from the same material. It should however be clearly understood that it is within the scope of the invention to use various materials for assembly, for example the use of steel or plastics in the housings or in the surfaces of the ends of the casing while using other metals, other plastics or ceramics in the energy exchange structures.

Abstract

L'invention concerne une structure d'échange d'énergie améliorée, comportant des plaques (24,25) généralement parallèles, réunies pour délimiter un passage creux destiné à l'écoulement généralement circulaire d'un fluide entre une admission (13) et une sortie (21), lesdites plaques ondulées en structure croisée pour délimiter des canaux opposés obliques et se croisant, et comprenant de multiples jeux de canaux généralement parallèles et une disposition involutée desdits canaux.

Description

  • La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur à plaque ondulée amélioré, avec application particulièrement pour le refroidissement de l'huile des moteurs automobiles où l'on souhaite des rapports élevés de transfert de chaleur du circuit d'huile.
  • Avec le développemnt des moteurs à combustion interne plus légers, à régime plus élevé, à couple important et à encombrement moindre, on a un besoin accru de refroidisseurs d'huile plus efficaces. De nombreux constructeurs de moteurs pour automobiles ont incorporé au modèle de base de leur moteur la nécessité d'un refroidissement d'huile complétant le refroidissement que l'on peut obtenir grâce aux circuits de refroidissement traditionnels complètement intégrés dans le bloc moteur. Certains constructeurs ont spécifié l'utilisation de refroidisseurs d'huile non intégrés, dont l'action consiste à refroidir un écoulement d'huile par des moyens extérieurs au bloc-moteur. Un montage typique comporte le montage du refroidisseur d'huile sur le filtre à huile. Pour répondre à la demande de l'industrie automobile, ces refroidisseurs doivent essentiellement être peu encom­brants, légers et capables d'un transfert efficace élevé de la chaleur tout en ne provoquant pas une perte de charge gênante dans le circuit d'huile. C'est ainsi qu'une demande continue de dispositifs de transfert de chaleur plus légers et plus efficaces a provoqué la mise au point de quantité de nouveaux modèles et de nouvelles configurations dans la fabrication des échangeurs de chaleur utilisés dans les circuits de refroidissement de l'huile des automobiles.
  • Dans les automobiles, les anciens dispositifs de transfert de chaleur montés à l'extérieur, généralement utilisés comme radiateur de refroidissement d'huile, comportaient essentiellement un tube serpentin continu, avec ou sans ailettes, monté à l'extérieur du moteur, généralement dans le courant d'air à l'avant du radiateur ou au sein du radiateur du circuit de refroidissement. L'huile, comme l'huile de transmission ou comme l'huile moteur ou autres, est acheminée de manière à s'écouler dans ce tube pour y être refroidie. Un moyen de refroidissement circulait habituellement autour du tube, par exemple à l'intérieur d'un radiateur contenant du fluide de refroidissement ou dans un radiateur distinct à refroidissement par air, permettant ainsi un échange d'énergie de l'huile chaude du tube vers le moyen de refroidissement.
  • Avec le besoin de procédés efficaces et peu encombrants, on a ensuite mis au point des radiateurs de refroidissement d'huile qui se montaient sur le moteur, généralement entre le bloc moteur et un filtre à huile monté à l'extérieur, ce qui refroidissait l'huile allant vers le filtre ou en revenant, grâce à l'utilisation du fluide provenant du circuit de refroidissement du moteur. Ces radiateurs montés sur les filtres utilisaient la plupart du temps des structures creuses faites de mul­tiples plaques généralement espacées parallèlement, plaques entre lesquelles l'huile et le fluide de refroidissement coulent selon des plans parallèles afin d'avoir un transfert de chaleur maximum. Ces structures, faites de plaques espacées, peuvent comporter des ailettes entre les structures creuses ou bien sont faites de plaques ondulées. Dans ces dispositifs, l'huile qui s'écoule vers le radiateur de refroidissement vient d'un orifice placé dans le montage du filtre, ou à proximité, et elle circule entre les plaques parallèles du radiateur de refroidissement. Du fluide de refroidissement, venant du circuit de refroidissement du moteur, circule entre les plaques parallèles contenant l'huile et son action permet le transfert de l'énergie thermique de l'huile vers le fluide de refroidissement. Ce système a donné naissance à de nombreuses variantes, l'huile étant d'abord filtrée puis s'écoulant vers le radiateur de refroidissement d'huile ou inversement, mais avec, essentiellement, le fluide de refroidissement s'écoulant du circuit de refroidissement du moteur, généralement venant du radiateur ou de la pompe à eau, vers le radiateur de refroidissement d'huile.
  • Une caractéristique essentielle des radiateurs de refroidissement d'huile montés sur le filtre est que l'un des deux fluides, ou tous les deux s'écoulent dans un sens généralement circulaire par rapport au centre du radiateur de refroidissement et que les éléments de transfert de chaleur, c'est-à-dire, généralement, les ailettes ou les ondulations, ne sont généralement alignés que dans un ou deux sens. Nous avons constaté qu'une telle configuration des ailettes ou des ondulations se traduit, dans les zones de moindre efficacité du transfert thermique, par une perte de charge dans l'échangeur de chaleur.
  • C'est ainsi qu'il subsiste encore un problème, particulièrement pour optimiser les rapports de transfert de chaleur et de perte de charge d'huile à l'intérieur de l'échangeur de chaleur. Avec l'augmentation du régime moyen des moteurs modernes et aussi des couples élevés et avec la diminution des temps de réponse, il est devenu nécessaire et souhaitable de disposer de radiateurs de refroidissement d'huile d'une rendement élevé qui n'auront qu'un effet minimum sur la pression d'huile des circuits de lubrification du moteur.
  • L'un des objets de la présente invention est de prévoir des structures d'échange d'énergie avec un meilleur transfert de chaleur.
  • Un autre objet de cette invention est de prévoir des structures d'échange d'énergie avec une moindre perte de charge du fluide intérieur.
  • Un autre objet de cette invention est de prévoir un radiateur de refroidissement d'huile pour automobile, avec une moindre perte de la pression d'huile.
  • Un autre objet, encore, de l'invention est de prévoir une méthode de fabrication d'une structure d'echange d'énergie avec transfert de chaleur efficace et moindre perte de pression du fluide intérieur.
  • Tous ces objets, entre autres, de ladite invention sont obtenus par l'invention décrite ci-après.
  • L'invention concerne une structure améliorée d'échangeur d'énergie, comportant des plaques opposées généralement parallèles et jointes afin de délimiter un passage creux destiné à un écoulement généralement circulaire de fluide, entre une admission et une sortie, lesdites plaques opposées ondulant dans le sens transversal afin de former un certain nombre de canaux opposés s'étendant dans le passage creux et étant disposés pour suivre, d'une manière générale, des courbes généralement involutées disposées obliquement à un sens d'écoulement de fluide circulaire à l'intérieur du passage. Les canaux d'une première plaque sont disposés pour croiser les canaux d'un deuxième plaque d'une manière telle que la surface entre des canaux opposés définit des passages dans lesquels le fluide peut s'écouler.
  • Des mesures ont également eté prises pour que les structures d'échange d'énergie, comprenant des plaques ondulées jointes de manière opposée et dans lesquelles les ondulations sont comprises dans au moins quatre jeux de canaux généralement parallèles, chaque jeu étant disposé obliquement par rapport à un sens d'écoulement circulaire à l'intérieur du passage déterminé par les plaques assemblées. Les jeux de canaux de la première plaque sont disposés afin de croiser les jeux des canaux opposés de la deuxième plaque, si bien que la zone comprise entre les canaux opposés des jeux opposés définit des passages croisés dans lesquels peut s'écouler le fluide.
  • Les radiateurs de refroidissement d'huile pour l'automobile qui font l'objet de la présente invention comprennent de multiples plaques opposées et empilées constituant un certain nombre de structures interconnectées d'échange d'énergie pour un écoulement généralement circulaire de fluide. Les admissions des structures d'échange d'énergie aboutissent à un collecteur d'admission où elles sont interconnectées soit en parallèle avec d'autres admissions, soit en série avec les sorties d'une deuxième structure. Les sorties aboutissent à un collecteur d'évacuation et sont aussi reliées soit en parallèle, soit en série aux sorties ou aux admissions d'une deuxième structure.
  • Interconnectées et empilées, les structures d'échange d'énergie sont munies de passages pour l'écoulement de l'huile à l'intérieur des structures d'échange d'énergie et pour l'écoulement du fluide de refroidissement à l'extérieur des structures d'échange d'énergie. Il est conseillé que l'écoulement du fluide de refroidissement soit généralement orienté obliquement par rapport aux canaux opposés des plaques opposées des structures d'échange d'énergie pour augmenter l'échange d'énergie.
  • Les structures d'échange d'énergie peuvent être renfermées dans un récipient formant carter où un fluide de refroidissement liquide ou gazeux circule sur et entre les plaques opposées constituant les structures d'échange d'énergie; elles peuvent aussi être à l'air libre pour laisser s'écouler un courant d'air ou de quelque autre gaz. Le pourtour des structures d'échange d'énergie empilées peut être réuni aux parois du carter afin de délimiter des passages distincts pour le fluide de refroidissement, passages qui peuvent également être connectés séparément, interconnectés en parallèle ou en série aux admission ou aux sorties du fluide de refroidissement.
  • Les radiateurs de refroidissement d'huile améliorés pour automobiles selon la présente invention sont produits par un processus où des plaques opposées, ondulées transversalement afin de ménager un certain nombre de canaux disposés pour suivre des courbes involutées disposées obliques au sens d'écoulement d'un fluide circulant entre lesdites plaques, sont disposées de manière que les apex des canaux d'une première plaque croisent les apex des canaux opposés d'une deuxième plaque et que la surface entre les canaux opposés définisse des passages croisés disposés obliquement de préférence entre 5 et environ 75 degrés par rapport au sens circonférentiel de la structure d'échange d'énergie. Lesdites première et seconde plaques sont réunies afin de constituer un passage creux, comprenant une admission de fluide et une évacuation de fluide, le passage étant disposé de manière à diriger le fluide qui pénétre dans le passage, venant d'une admission, selon un écoulement généralement circulaire, vers une évacuation. Les mul­tiples structures d'échange d'énergie peuvent être assemblées en série et/ou en parallèle afin de constituer un radiateur de refroidissement, avec l'admission d'une première structure d'échange d'énergie connectée à l'admission ou à l'évacuation d'une deuxième structure d'échange d'énergie. Essentiellement, il est conseillé d'assembler deux ou plusieurs groupes de structures d'échange d'énergie connectées en parallèle avec chaque groupe dans une disposition série avec collecteurs d'admission et de sortie.
  • De manière typique, les structures d'échange d'énergie ainsi assemblées sont encastrées dans un récipient formant carter comportant une admission et une sortie de fluide de refroidissement. D'une manière générale, les bordures jointes extérieurement des plaques opposées sont prolongées dans une plaque aplatie jointe donnant une surface supplémentaire d'échange d'énergie aux bordures extérieures de la structure d'échange. Cette extension permet la circulation du fluide de refroidissement autour des limites extérieures des structures empilées en vue d'un refroidissement supplémentaire et elle peut également fournir un moyen pratique d'interconnexion des structures d'échange afin de les stabiliser à l'intérieur du réservoir.
    • La figure 1 est une vue en perspective du dessus d'un radiateur de refroidissement d'huile selon la présente invention.
    • La figure 2 est une vue perspective de dessous du radiateur de refroidissement d'huile de la figure 1.
    • La figure 3 est une vue en coupe faite approximativement selon la ligne 3-3 de la figure 1.
    • La figure 3a est une coupe agrandie d'une structure d'échange d'énergie 23 de la figure 3.
    • La figure 4 est une vue en coupe approximativement selon la ligne 4-4 de la figure 1.
    • La figure 5 est une vue perspective d'une structure d'échange d'énergie selon la présente invention.
    • La figure 6 est une vue en plan de la surface intérieure de la plaque supérieure de la figure 5.
    • La figure 7 est une vue en plan de la surface intérieure de la plaque inférieure de la figure 5.
    • La figure 8 est une vue schématique d'une autre réalisation d'une plaque faite selon la présente invention.
  • Les figures 1 et 2 représentent, à titre d'exemple, une réalisation de radiateur de refroidissement d'huile pour automobile selon la présente invention. Il doit cependant être bien compris que la présente invention peut être utilisée pour un certain nombre d'autres applications où l'on a besoin d'une structure d'échange d'énergie.
  • En se reportant aux figures 1 et 2, on voit l'illustration d'un radiateur de refroidissement d'huile pour automobile 10 qui, dans une utilisation typique sur automobile, se monte généralement entre le moteur de l'automobile et le filtre à huile. Le radiateur de refroidissement 10 comporte un boîtier métallique 11 avec un côté 12 se fixant sur le moteur, un côté 20 se fixant sur le filtre à huile, un côté extérieur de boîtier 17 et une ouverture intérieure de boîtier 14. Dans l'extrémité 12 pour la fixation au moteur se trouvent l'admission d'huile 13 et la rainure du joint 16 de moteur qui maintient le joint d'huile 15, représenté sur les figures 3 et 4. Le côté extérieur 17 du boîtier 11 comporte l'admission du fluide de refroidissement 18 et l'évacuation du fluide de refroidissement 19. L'extrémité 20 pour la fixation du filtre à huile comporte l'évacuation d'huile 21 et la surface d'étanchéité 22 du filtre à huile. L'ouverture intérieure 14 du boîtier va de l'extrémité 12 pour la fixation du moteur, jusqu'à l'extrémité 20 pour la fixation du filtre à huile et constitue une rainure par laquelle on peut fixer au moteur un filtre à huile amovible afin d'assurer l'étanchéité du radiateur de refroidissement et du filtre par rapport au moteur et qui donne un trajet de retour au moteur de l'huile refroidie et filtrée.
  • Le radiateur de refroidissement 10 comporte un certain nombre de structures d'échange d'énergie creuses contenues dans le boîtier 11, dans lesquelles l'huile s'écoule entre l'admission d'huile 13 et la sortie d'huile 21. Entourant au moins une portion des structures d'échange d'énergie se trouvent des passages creux dans lesquels le fluide de refroidissement peut s'écouler en relation avec l'échange d'énergie dans les structures d'échange d'énergie, de l'admission de fluide de refroidissement 18 jusqu'à la sortie de fluide de re­froidissement 19.
  • Dans le fonctionnement typique de la réalisation représentée, un premier fluide chaud, comme de l'huile moteur chaude, pénétre dans le radiateur de refroidissement 10 par l'admission d'huile 13, s'écoule entre les plaques opposées par un certain nombre de passages de forme généralement circulaire et va à la sortie 21 d'huile de moteur pour gagner l'admission d'un filtre à huile (non représenté). L'huile refroidie traverse le filtre à huile et est dirigée dans un arbre creux de fixation de filtre à huile (non représenté) qui traverse l'ouverture 14 pour aller jusqu'au moteur. L'arbre creux de fixation de filtre à huile s'engage dans le moteur et est généralement fileté pour fixer sur le moteur, sous contrainte, l'ensemble radiateur de refroidissement et filtre .L'arbre donne ainsi une fixation du filtre et du radiateur de refroidissement d'huile sur le moteur et fournit un passage pour le retour, entre le moteur et le filtre, de l'huile refroidie et filtrée.
  • Alternativement, il est bien compris que l'huile peut s'écouler dans le sens inverse, partir du moteur, traverser l'arbre de fixation, aller au filtre, traverser le radiateur de refroidissement d'huile et revenir au moteur.
  • Dans les structures d'échange d'énergie, l'écoulement de l'huile est dirigé par les canaux qui, disposés de manière angulaire, en courbes involutées, vont vers l'intérieur jusqu'aux passages creux des plaques opposées. Le flux d'huile est passivement divisé et mélangé par les parcours croisés des canaux, ce qui augmente le contact du flux d'huile avec les plaques opposées de la structure d'échange d'énergie. L'énergie thermique de l'huile est dissipée sur les plaques opposées des structures d'échange d'énergie et sur les éventuelles ailettes avec lesquelles l'huile peut entrer en contact.
  • Un deuxième écoulement fluide, en général un fluide de refroidissement comme un mélange d'eau et d'anti-gel, passe par l'admission de fluide de refroidissement 18 de telle sorte que le fluide de refroidissement passe sur les plaques opposées et sur les éventuelles ailettes qu'il peut rencontrer, de préférence à contre-courant avec le flux d'huile. L'énergie calorique se dissipe des structures d'échange d'énergie vers le fluide de refroidissement quand l'énergie calorique du fluide de refroidissement est inférieure à celle des structures d'échange d'énergie. Le fluide de refroidissement s'écoule dans le boîtier contenant les structures d'échange d'énergie, passe par la sortie de fluide de refroidissement 19 pour se recycler dans le circuit de refroidissement.
  • En se référant maintenant à la figure 3 qui représente une vue en coupe du radiateur de refroidissement d'huile de la figure 1, approximativement selon la ligne 3-3; elle représente l'empilement des structures d'échange d'énergie creuses 23 à l'intérieur du boîtier 11. La figure 3a représente un agrandissement d'une structure d'échange d'énergie 23, laquelle est re­présentée de manière à faire voir la plaque ondulée opposée supérieure 24 et la plaque ondulée opposée inférieure 25, réunies pour constituer la bordure extérieure jointe 26. Les apex des canaux 27 dirigés vers l'intérieur de la plaque opposée supérieure 24 croisent les apex des canaux 28 dirigés vers l'intérieur de la plaque opposée inférieure 25, la zone entre les apex des canaux d'une plaque comprenant des crêtes 29 dans la plaque supérieure 24 et des crêtes 30 dans la plaque inférieure 25. Les canaux allant vers l'intérieur dirigent le flux d'huile au sein des structures d'échange le long des crêtes, les canaux se croisant effectuant de manière continue une séparation passive, avec mélange et changement de direction oblique, involutée du courant d'huile, généralement selon un sens circonférentiel, de l'admission de la structure d'échange d'énergie jusqu'à la sortie de la structure d'échange d'énergie. La zone entre les structures d'échange d'énergie empilées comprend des passages qui proviennent également de l'ondulation des plaques. Le fluide de refroidissement s'écoulant dans ces passages est orienté le long de la disposition involutée des canaux 27 et 28. Avec l'écoulement de l'huile, la disposition involutée des canaux effectue en continu une séparation et un mélange passifs et donne une nouvelle direction oblique involutée au flux de fluide de refroidissement, de l'admission de fluide de refroidissement à la sortie de fluide de refroidissement.
  • Dans la réalisation représentée figure 3, les bordures centrales intérieures des plaques supérieures 24 et des plaques inférieures 25 sont jointes d'une manière pratique par les bagues de compression 31 afin d'assurer l'intégrité structurale des structures d'échange creuses et la séparation du fluide à partir des passages de refroidissement qu'il y a entre elles. La surface de l'ouverture intérieure 34 du boîtier avec la lèvre supérieure 32 et la lèvre inferieure 33 maintient l'extrémité 12 pour la fixation sur le moteur et l'extrémité 20 pour la fixation du filtre en compression pour réunir les plaques supérieures 24 et les plaques inférieures 25 les unes avec les autres en alternant les relations directes et espacées à l'aide des bagues de compression 31.
  • La figure 4 donne une vue en coupe de la figure 1 et représente en particulier le collecteur d'admission d'huile 35 et le collecteur de sortie d'huile 36. Là, les plaques supérieures d'une première structure d'échange d'énergie sont réunies aux plaques inférieures d'une deuxièmes structure d'échange d'énergie, sur le pourtour intérieur des collecteurs afin de donner une séparation étanche entre le flux de fluide de refroidissement et le flux d'huile des structures d'échange. Il doit être bien compris que si l'ensemble représente des collecteurs communs entre toutes les admissions et toutes les sorties de la structure d'échange d'énergie pour un écoulement en parallèle de l'huile entre les structures d'échange, l'invention peut s'envisager particulièrement avec des collecteurs séparés entre les sorties et les admissions des structures d'échange empilées pour un débit d'huile série.
  • Les plaques des structures d'échange d'énergie sont réunies par n'importe quel moyen adéquat donnant une étanchéité d'une intégrité structurelle suffisante pour supporter les pressions produites dans le circuit. De manière classique, c'est le brasage qui convient le mieux quand les matériaux de construction sont de l'acier inoxydable, du cuivre, du laiton ou de l'aluminium. Quand on a choisi d'utiliser des matières polymérisées ou des céramiques, la jointure adéquate peut comprendre une liaison avec solvant ou collage, ou de la soudure thermique ou aux ultra-sons.
  • La figure 5 représente un exemple de structures d'échange d'energie selon la présente invention. Ici, la structure d'échange d'énergie 23 comprend la plaque ondulée supérieure opposés 24 et la plaque ondulée inférieure 25. La plaque supérieure 24 comporte les canaux 27 dirigés vers l'intérieur et la plaque inferieure 25 comporte les canaux 28 dirigés vers l'intérieur (non représentée). La zone entre les canaux de la plaque supérieure 24 comporte les crêtes 29 et la zone entre les canaux de la plaque inférieure 25 comporte les crêtes 30 (non représentée), chacune d'elle comprenant des passages dans lesquels s'écoule l'huile. Les plaques opposées sont réunies par leur bordure extérieure 26. Sur l'ensemble représenté, la bordure extérieure est brasée afin de garantir l'intégrité structurelle du joint des structures d'échange d'énergie. Le bord central intérieur de la structure d'échange comporte la bague de compression 31 à laquelle sont réunies les plaques.
  • Les canaux des plaques opposées se fabriquent facilement par estampage, par emboutissage ou par quelque autre moyen pour mettre les canaux en forme dans les plaques. Les canaux peuvent recevoir une forme de courbe involutée ou être autrement recourbés ou même recevoir une forme droite et être disposés généralement en suivant une courbe involutée. Lorsque les canaux sont formés le long d'une courbe involutée, il peuvent typiquement avoir n'importe quelle longueur dans les limites de la courbe sur la plaque. Quand les canaux sont formés le long d'une courbe involutée mais sont disposés généralement le long de celle-ci, ils sont essentiellement droits ou légèrement incurvés et il est conseillé de faire des segments raccourcis pour réduire les différences de distance du canal par rapport à la courbure involutée.
  • Bien qu'il ne soit pas nécessaire que les canaux soient généralement équidistants des canaux voisins sur toute leur longueur, cela est cependant conseillé dans de nombreuses applications pour automobile. Le terme "équidistant" signifie que la distance entre des canaux voisins doit généralement être la même sur toute la longueur des canaux. Il doit être bien compris que l'espacement équidistant adopté ne signifie pas non plus que la distance entre des canaux voisins doive être la même, même si cela est conseillé pour de nombreuses applications.
  • La zone entre des canaux voisins comprend les crêtes voisines. Ni les crêtes voisines ni les canaux voisins ne doivent nécessairement avoir la même largeur. Les crêtes peuvent être sur le même plan que la plaque ou peuvent être estampées, embouties ou formées autrement pour s'étendre au-dessus du plan de la plaque. Il doit être bien compris que l'utilisation d'autres moyens, bien connus dans la profession, sont envisagés pour la formation des canaux et des crêtes, y compris le moulage et autres moyens analogues.
  • D'une manière générale, les crêtes et les canaux formeront un angle oblique avec le sens circonférentiel de la plaque. Il est préférable que l'angle oblique soit de 5 à 75 degrés environ par rapport au sens circonférentiel du flux d'huile entre les plaques et qu'il soit, bien préférablement, d'environ 15 à environ 45 degrés.
  • Les première et deuxième plaques allongées opposées, avec leurs canaux disposés en angulairement, sont montées de manière à ce que les canaux de la première plaque croisent les canaux opposés de la deuxième plaque. Il n'est pas essentiel que les canaux ou que les crêtes de la première plaque aient le même angle d'obliquité avec le sens longitudinal que ceux de la seconde plaque, même si cela est en général conseillé.
  • Les figures 6 et 7 sont des vues en plan des surfaces intérieures de la plaque supérieure 24 et de la plaque inférieure 25 de la figure 5. La figure 6 représente les canaux 27 de la plaque supérieure 24, disposés pour suivre les courbes involutées, ils sont essentiellement équidistants des canaux voisins sur toute leur longueur sur la plaque. Les cretes représentées dans la réalisation présente sont d'une largeur essentiellement égale mais on doit bien comprendre que l'invention envisage et comprend des configurations où les crêtes ou les canaux d'une plaque ne sont pas égaux en largeur aux crêtes ou canaux voisins.
  • La figure 7 représente la surface intérieure de la plaque inférieure 25 qui fait face à la surface intérieure de la plaque supérieure 24. Là, les canaux 28 sont disposés pour suivre des courbes involutées, étant essentiellement équidistants aux canaux voisins sur toute leur longueur et ils constituent, au montage, une image miroir inversée de la plaque supérieure 24; quand la plaque supérieure et la plaque inférieure sont assem­blées, se regardant l'une l'autre, pour constituer le structure d'échange d'énergie selon la présente invention, les canaux suivant les courbes involutées de la plaque supérieure croisent les canaux suivant les courbes involutées de la plaque inférieure.
  • La figure 8 représente schématiquement une configuration des canaux sur les surfaces intérieures se regardant des plaques ondulées jointes, où les ondulations sont disposées en au moins quatre jeux de canaux généralement parallèles, chaque jeu étant disposé obliquement par rapport à un débit circulaire dans le passage creux défini par les plaques opposées réunies. Quand des plaques supérieures et des plaques inférieures ayant cette configuration sont assemblées, se regardant les unes les autres, pour former la structure d'échange d'énergie faisant l'objet de la présente invention, les canaux suivant le sens schématique de la plaque supérieure croisent les canaux suivant le sens schématique de la plaque inférieure. Les jeux de canaux de la première plaque croisent les jeux opposés de la seconde plaque si bien que la zone entre les canaux opposés des jeux opposés définissent des passages croisés dans lesquelles le fluide peut s'écouler.
  • D'une façon générale, les radiateurs de refroidissement d'huile selon l'invention peuvent être construits avec n'importe quelle matière adéquate pouvant supporter les effets corrosifs et les pressions internes du fluide du circuit. Parmi les matériaux typiques, on comprend des métaux malléables comme l'aluminium, le cuivre, l'acier, l'acier inoxydable et leurs alliages et même des matières plastiques ou des céramiques.
  • Ces matériaux peuvent recevoir un revêtement interne ou externe, être traités, et ainsi de suite. La plupart du temps, il est souhaitable d'utiliser un matériau aussi mince que possible pour avoir un rendement maximum du processus d'échange d'énergie. Habituellement, chacun des composants d'un radiateur de refroidissement sont formés à partir du même matériau lorsqu'ils doivent être réunis ensemble. Par exemple, les plaques utilisées pour construire les structures d'échange d'énergie doivent de préférence être formées à partir d'une même matière. Il doit cependant être bien compris qu'il entre dans le domaine de l'invention d'utiliser divers matériaux pour l'assemblage, par exemple l'utilisation de l'acier ou des matières plastiques dans les boîtiers ou dans les surfaces des extrémités du boîtier tout en utilisant d'autres métaux, d'autres matières plastiques ou des céramiques dans les structures d'échange d'énergie.
  • Il doit être bien compris que, si l'invention est illustrée par un radiateur de refroidissement d'huile pour automobile, on a cependant vu qu'elle pouvait s'appliquer à de multiples installations d'échangeur de chaleur.

Claims (15)

1) Structure d'échange d'énergie (23) améliorée, comprenant une première et une seconde plaques opposées parallèles (24,25) jointes ensemble pour définir un passage creux pour un courant généralement circulaire de fluide entre une admission et une évacuation (13,21), caractérisée en ce que les plaques (24,25) opposées ont des ondulations dans une structure croisée pour définir un certain nombre de canaux (27,28) opposés s'étendant dans le passage creux et disposés pour suivre des courbes généralement involutées, les canaux de la première plaque (24) étant disposés pour croiser les canaux de la deuxième plaque (25) de manière que la zone entre les canaux opposés définisse des passages croisés.
2) Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les canaux (27,28) sont formés le long de courbes involutées.
3) Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les canaux (27,28) sont disposés généralement le long de courbes involutées.
4) Structure selon la revendication 3, caractérisé en ce que les canaux (27,28) généralement droits sont disposés généralement le long de courbes involutées.
5) Structure selon la revendication 3, caractérisée en ce que les canaux (27,28) généralement incurvés sont généralement disposés le long de courbes involutées.
6) Structure selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les canaux (27,28) sont obliquement disposés de 5 à 75 degrés environ par rapport au sens de l'écoulement de fluide dans le passage creux.
7) Structure selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les canaux (27 ou 28) d'une plaque (24 ou 25) sont généralement équidistants des canaux (27 ou 28) voisins sur toute leur longueur.
8) Structure selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les canaux (27,28) sont d'une largeur généralement égale.
9) Structure selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les bordures exté­rieures des plaques (24,25) sont réunies afin de former une plaque plate jointe.
10) Radiateur de refroidissement d'huile amélioré pour automobile, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une structure d'échange d'énergie selon l'une des revendications 1 à 9.
11) Radiateur de refroidissement selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'une admission (13) d'une structure d'échange d'énergie creuse est connectée à un collecteur (35) et où une sortie (21) d'une structure d'échange d'énergie est connectée à un collecteur (36).
12) Radiateur de refroidissement selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'une admission (13) d'une structure d'échange d'énergie creuse est connectée à une sortie (21) d'une autre structure d'échange d'énergie.
13) Radiateur de refroidissement selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que l'empilement des structures creuses d'échange d'énergie est disposé dans une structure creuse (11) dont la configuration permet l'écoulement d'un deuxième fluide autour des surfaces des structures d'échange d'énergie empilées.
14) Procédé pour mettre en forme un radiateur de refroidissement d'huile amélioré selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend :
- la mise en forme de plaques, avec des ondulations en coupe et un certain nombre de canaux disposés pour suivre d'une manière générale des courbes involutées ;
- la mise en place desdites plaques pour que les apex des canaux de la première plaque soient disposés pour croiser les apex des canaux de la deuxième plaque ;
- la réunion desdites première et seconde plaques par le centre et par les bordures afin de constituer une structure d'échange d'énergie avec un passage creux allant dans un sens généralement circulaire avec une admission et une sortie et où lesdits canaux desdites plaques sont disposés obliquement par rapport au sens circulaire dudit passage ;
- et le montage d'un certain nombre de structures d'échange d'énergie empilées.
15) Structure d'échange d'énergie améliorée, comportant une première plaque (24) et une deuxième plaque (25) opposées généralement parallèles réunies pour définir un passage creux avec un liquide s'écoulant selon un débit généralement circulaire entre une admission (13) et une sortie (4), lesdites plaques opposées avec des ondulations croisées définissant un certain nombre de canaux (27,28) opposés passant dans le passage creux et disposés en jeux multiples de canaux généralement parallèles, chaque jeu étant oblique par rapport aux jeux voisins et au sens d'écoulement du fluide généralement circulaire, les canaux de la première plaque (24) étant disposés pour croiser les canaux de la deuxième plaque (25), si bien que les zones entre les canaux opposés définissent des passages se croisant.
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