FR2803025A1 - Echangeur thermique a plaques, a clapet de decharge integre - Google Patents

Abstract

Cet échangeur thermique est à plaques parallèles superposées délimitant deux enceintes d'échange thermique qui sont parcourues l'une par un fluide primaire et l'autre par un fluide secondaire circulant sous forme de couches minces alternées, l'entrée et la sortie de chaque fluide se faisant par une paire d'embouchures, dites principales, ménagées dans une plaque d'extrémité, via des cheminées d'entrée et de sortie traversant les plaques internes et communiquant avec les espaces interstitiels constitutifs de l'enceinte correspondante; conformément à l'invention, les deux embouchures principales (30, 61), par lesquelles passe le fluide primaire, sont formées dans la même plaque d'extrémité (300), appelée plaque supérieure, ces embouchures communiquant par un canal embouti dans la plaque supérieure (300) et équipé d'un clapet de décharge (1).Applications variées, notamment pour les circuits de chauffage domestiques dits mixtes, à fourniture instantané d'eau chaude sanitaire.

Description

La présente invention concerne un échangeur thermique, et plus précisément un échangeur thermique du type composé d'un ensemble plaques parallèles superposées qui délimitent deux enceintes d'échange thermique parcourues l'une par un fluide primaire et l'autre par un fluide secondaire deux fluides circulant sous forme de couches minces alternées, avec des trajectoires imbriquées l'une dans l'autre, l'entrée et la sortie de chaque fluide se faisant par une paire d'embouchures, dites principales, ménagées dans une plaque d'extrémité dans l'empilage, via des "puits", ou cheminées d'entrée et de sortie traversant plaques internes et communiquant avec les espaces interstitiels constitutifs de l'enceinte correspondante.

Ce type d'échangeur est bien connu, et est utilisé dans de nombreuses applications, lorsqu'il est nécessaire de réchauffer ou de refroidir un fluide à l'aide d'un autre fluide ; les plaques de l'échangeur sont des plaques minces métal, thermiquement bon conducteur, généralement en acier inoxydable, qui sont embouties et assemblées par brassage ou par une liaison au moyen de brides boulonnées, avec interposition de joints en caoutchouc.

Les plaques d'extrémité de l'empilage ont en général une épaisseur supérieure aux autres, car ce sont elles qui comportent les embouchures - ou raccords - permettant le branchement de l'échangeur sur les tuyauteries d'entrée et sortie des deux fluides.

Certains raccords peuvent être situés sur la plaque supérieure, et les autres sur la plaque inférieure ; dans d'autres modes de réalisation, l'ensemble des raccords sont situés sur une seule et même plaque, par exemple la plaque supérieure.

Les dimensions des plaques et leur nombre sont naturellement fonctions de l'application concernée et de la puissance recherchée.

A titre indicatif, dans une application domestique dans laquelle l'échangeur équipe un circuit dit mixte susceptible d'alimenter une installation de chauffage central, avec possibilité de puisage d'eau chaude sanitaire, les plaques ont une forme générale rectangulaire, à angles arrondis, de dimensions de l'ordre de x 10 cm ; les plaques internes ont une épaisseur de l'ordre de 0,3 mm, la plaque inférieure une épaisseur de l'ordre de 0,8 mm et la plaque supérieure de l'ordre de 1 mm. Le nombre total de plaques est généralement compris entre dix et trente. Avantageusement, il est prévu deux familles de plaques, qui sont empilées de manière alternée, chaque type de plaque présentant des ondulations ou autres reliefs emboutis de configuration spéciale, qui canalisent le flux de chaque fluide dans l'enceinte qu'il doit parcourir.

L'agencement est conçu pour que les deux flux de fluides entre lesquels intervient l'échange thermique suivent une trajectoire en labyrinthe et circulent à contre- courant l'un de l'autre, afin de favoriser cet échange.

Un échangeur de ce genre est décrit par exemple dans le document EP-A-0 611 941, auquel on pourra se reporter au besoin.

Un autre échangeur, plus perfectionné, auquel peut également s'adresser la présente invention fait l'objet de la demande de brevet français N 99 02480, en date du 24 février 1999, non encore publiée ce jour.

Cet échangeur perfectionné est du type à plaques parallèles superposées délimitant deux enceintes d'échange thermique parcourues l'une par un fluide primaire et l'autre par un fluide secondaire circulant sous forme de couches minces alternées, et l'entrée et la sortie de chaque fluide se faisant par une paire d'embouchures, appelées embouchures principales, qui sont ménagées dans une plaque d'extrémité, via des cheminées d'entrée et de sortie traversant les plaques internes et communiquant avec les espaces interstitiels constitutifs de l'enceinte correspondante.

Le fluide primaire est par exemple de l'eau chaude fournie par une chaudière telle qu'une chaudière à gaz, et destiné à alimenter les radiateurs d'un système de chauffage central équipant une habitation.

fluide secondaire est par exemple de l'eau, qui provient d'une source d'eau froide, par exemple d'un robinet branché sur le réseau d'eau potable prévu dans l'habitation, et destiné à alimenter un dispositif d'utilisation d'eau chaude, par exemple un robinet ou un pommeau de douche destiné à fournir de l'eau chaude utilisateurs.

La demande de brevet précitée se caractérise par le fait que l'échangeur comporte une vanne à trois voies pour la distribution du fluide primaire, qui est intégrée à l'échangeur.

L'une des voies est constituée par l'une des deux embouchures principales dans laquelle passe le fluide primaire, l'autre par l'ouverture de la cheminée de l'enceinte primaire adjacente à cette embouchure, et la troisième par une embouchure annexe qui est formée dans la même plaque d'extrémité - ou plaque supérieure - que l'embouchure principale, est disposée à proximité de l'ouverture de la cheminée, un canal embouti dans cette plaque supérieure faisant communiquer ces deux embouchures ; la vanne comporte un clapet apte à obturer sélectivement, soit l'ouverture de la cheminée, soit l'embouchure annexe.

Grâce à cette disposition, on peut se dispenser d'une vanne extérieure, relativement coûteuse, et dont le raccordement avec l'échangeur grève de manière importante le prix de l'installation, comme c'est le cas par exemple dans un dispositif selon le document EP-A-0 614 06l .

La présente invention s'adresse à échangeur thermique du type qui vient d'être décrit.

Plus particulièrement, mais non exclusivement il s'adresse à un dispositif conforme à la demande antérieure n 02480 au nom du demandeur, et en particulier aux différents modes de réalisation l'échangeur décrits dans ce document, selon lequel les deux embouchures, dites principales, qui assurent, d'une part, l'arrivée du fluide primaire et, d'autre l'évacuation du fluide primaire sont ménagées dans la même plaque d'extrémite - ci-après désignée plaque supérieure - de l'échangeur.

Le problème a la base de la présente invention va maintenant être exposé. Dans une installation moderne utilisant un échangeur à plaques alimenté par une chaudière, il est nécessaire de prés ' un clapet de décharge.

En effet, il peut arriver à certains moments de fonctionnement que tous les robinets alimentant les radiateurs soient partiellement ou entièrement fermés, notamment lorsqu'ils sont équipés de robinets thermostatiques.

Le débit de l'eau circulant dans le circuit de chauffage est alors nul ou très faible. Dans ce cas, l'échangeur principal la chaudière est mal irrigué en eau, ce qui peut provoquer des surchauffes et des debuts d'ébullition, néfastes au bon fonctionnement et à la durée de vie de l'appareil.

Pour éviter ces problèmes, il est connu de monter un clapet de décharge, ou by-pass, entre la tuyauterie de départ de chaudière et la tuyauterie de retour à la chaudière.

Ce clapet est équipé d'un ressort taré, de manière à autoriser le passage d'un débit minimal suffisant pour éviter les phénomènes d'ébullition lorsque le débit dans l'installation des radiateurs est insuffisant ou nul. Cependant, l'installation d'un tel clapet de décharge nécessite, outre son prix relativement élevé en tant que composant hydraulique, un raccordement des tuyauteries et des raccords supplémentaires qui viennent grèver de manière non négligeable le prix total de l'installation, tout en posant un problème d'encombrement.

C'est pourquoi, la présente invention vise à résoudre ce problème en proposant d'intégrer directement sur l'échangeur thermique à plaques, et plus précisément sur la plaque supérieure, un clapet de décharge remplissant cette fonction. Un autre objectif est de proposer un tel clapet dont la conception soit simple, et dont la structure soit fiable, sans nécessité de raccordement ni de tuyauterie supplémentaire.

Cet objectif est atteint, conformément à l'invention, grâce au fait que les embouchures principales dont il a été fait état plus haut, par lesquelles passe le fluide primaire, qui sont formées dans la même plaque d'extrémité - appelée plaque supérieure - de l'échangeur, communiquent l'une avec l'autre par un canal qui est embouti dans la plaque supérieure et qui est équipé d'un clapet de décharge.

Par ailleurs, selon un certain nombre de caractéristiques additionnelles, non limitatives de l'invention ce clapet de décharge comprend un piston sollicité par ressort taré, apte à obturer un orifice de passage du fluide primaire entre lesdites embouchures principales lorsque la pression du fluide arrivant à l'échangeur est inférieur à valeur seuil déterminée et qui, au contraire, autorise passage lorsque la pression excède cette valeur ; ce clapet de décharge comprend une cloison transversale fixe séparant de manière étanche l'espace interstitiel entre la plaque supérieure et la plaque sous-jacente à proximité dudit orifice ; ce clapet de décharge est monté dans une embouchure constituée par une collerette emboutie dans la plaque supérieure, et dont axe est perpendiculaire au plan de cette plaque ; le piston est mobile en translation suivant l'axe de la collerette, et est sollicité un ressort de compression hélicoïdal qui prend appui contre une pièce en forme de dôme fixée de manière étanche à la collerette ; - le clapet comporte une embase solidaire de ladite cloison fixe qui est traversée, d'un côté par l'orifice susceptible d'être obturé par le piston, de l'autre côté par une ouverture qui communique en permanence avec l'intérieur de la pièce en forme de dôme ; - l'échangeur comporte au moins une embouchure annexe, également formée dans ladite plaque supérieure et qui communique en permanence, un canal embouti dans cette plaque avec l'une desdites embouchures principales, cette embouchure annexe étant adaptée pour être branchée à un dispositif de contrôle ou de régulation, notamment une soupape de sécurité, vase expansion, ou un manomètre.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront de la description et des dessins annexés qui en représentent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation préféré.

Sur ces dessins - les figures 1 et 2 sont des vues en coupe d'un échangeur conforme à l'invention, la figure 1 représentant l'échangeur coupé par un plan vertical brisé référencé I-I sur la figure 3, tandis que la figure 2 correspond à coupe transversale suivant le plan vertical II-II de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue de dessus de l'échangeur ; - la figure 4 est une vue de détail correspondant à section référencée IV-IV sur la figure 3.

Sur les figures 1 et 2, le clapet de décharge est représenté fermé.

- les figures 5 et 6 sont des vues similaires aux figures 1 et 2 respectivement, mais qui montrent le clapet ouvert ; - les figures 7 et 8 sont des détails du clapet, correspondant à la partie référencée D sur les figures 2 et 6, le clapet étant montré à plus grande échelle, respectivement dans ses positions fermée et ouverte ; - la figure 9 est une vue schématique, en perspective, et partiellement coupée du clapet ; - la figure 10 est une vue de dessus schématique et partielle de la plaque sous-jacente, directement située sous la plaque supérieure de l'échangeur ; - la figure 11 est une vue de dessus d'une variante de l'échangeur. L'échangeur thermique illustré sur les figures 1 à 3 est du même type général que celui qui fait l'objet de la demande de brevet 99 02480 déjà citée.

Il est constitué d'un certain nombre de plaques superposées et parallèles, qui délimitent deux enceintes d'échanges thermiques imbriquées les unes dans les autres, et servant à l'échange de chaleur entre un fluide primaire tel que de eau chaude fournie par une chaudière et un fluide secondaire, tel que de l'eau rechauffée destinée à alimenter un poste d'utilisation, par exemple un evier ou un pommeau de douche.

Cet empilage comprend une plaque inférieure 301 et une plaque supérieure 300.

Comme cela est bien connu, les plaques intermédiaires possèdent des ondulations qui canalisent la trajectoire des fluides selon un chemin en ' -zag, de manière à améliorer la qualité de l'échange thermique.

Dans le mode de réalisation illustré, toutes les embouchures, qui servent au raccordement des fluides primaire et secondaire sont situées sur plaque supérieure 300.

II s'agit de collerettes dont la paroi extérieure est filetée, permettant connexion étanche des tuyauteries branchées sur l'échangeur.

Tout autre mode de liaison des tuyauteries est naturellement possible, que notamment un raccord à emboîture directe maintenue par un simple clips. Les collerettes 30 et 61 correspondent respectivement à l'arrivée et départ du fluide primaire ; elles sont donc raccordées à la chaudière.

Les embouchures 32 et 33 correspondent à l'arrivée et au départ du fluide secondaire, en l'occurrence l'eau destinée à être réchauffée dans l'échangeur. L'embouchure 60 est équipée d'une vanne à trois voies du type illustré sur les figures 21 à 24 de la demande de brevet 99 02480.

Cette vanne 9, à laquelle arrive l'eau provenant des radiateurs, comporte un clapet obturateur 91 porté par une tige de piston 90.

Selon la position du clapet 91, l'embouchure 60 se trouve ou ne se trouve pas en communication directe avec l'embouchure 61.

Dans la position illustrée sur les figures 1 et 5, le clapet 91 se trouve en position basse et autorise la communication directe entre les embouchures 60 et 61, via un canai 600 embouti dans la plaque supérieure 300.

Au contraire, si le clapet 91 est soulevé, cette communication n'est pas possible, comme cela est expliqué dans la demande précitée.

L'embouchure 36 correspond au départ du fluide primaire (l'eau chaude) vers les radiateurs.

Dans la paroi supérieure 300 est formé un embouti 35 forme de canal, qui délimite un espace 350 assurant la communication entre les embouchures 36 et 30.

Conformément à l'invention, les embouchures 30 61 sont susceptibles également de communiquer l'une avec l'autre, par l'intermédiaire d'un clapet de sécurité, formant le by-pass, dont il a été fait état plus haut, et qui - selon l'état de la technique - est indépendant de l'échangeur.

Comme on le voit sur la vue de dessus de la figure 3, les axes des embouchures 36, 30 et 60 sont situés suivant une ligne commune, qui correspond sensiblement à une diagonale de la plaque 300 et par conséquent de l'échangeur 3, qui a le même contour que cette plaque.

Sur cette même ligne, entre les embouchures et 61, est installé le clapet 1.

Comme on le voit plus précisément sur les figures 7 et 8, ce dernier est monté sur une collerette 7, similaire aux embouchures precitées, et dont l'axe est perpendiculaire au plan général de la plaque 300 et de l'échangeur.

Le clapet 1 comprend une pièce fixe 10, ayant la forme d'un dôme sensiblement hémisphérique, d'axe XX', dont l'ouverture est dirigée vers le bas.

La pièce 10 est équipée d'un manchon annulaire 70, à l'intérieur duquel il est retenu par une bague 71, du genre circlips, l'ensemble étant monté de manière étanche, par exemple par collage et/ou vissage sur la collerette 7, qu'il vient coiffer ; un joint annulaire élastique 72, intercalé entre les éléments 10 et 70, assure cette étanchéité.

A sa base, la pièce 10 est munie d'un disque 8, comportant une partie annulaire 80, qui s'emmanche de manière étanche dans sa partie inférieure.

Cette pièce discoïde 8 est percée d'un orifice circulaire central 81.

A proximité de cet orifice 81 est prévue une cloison verticale 83. La cloison 83 est sensiblement tangente par rapport à l'ouverture De l'autre côté de la cloison verticale 83, par rapport à l'orifice 81, la piece discoïde 8 est traversée par une seconde ouverture 82 forme d'onglet, ou demi-lune, (voir figure 9).

Le clapet 1 est pourvu d'un piston 5 comprenant une embase circulaire 51, sensiblement discoïde, et une tige axiale 50, d'axe XX'.

Cette dernière est guidée en translation, suivant XX', dans un manchon tubulaire 12 formé dans la partie 10 en forme de dôme.

Un ressort de compression hélicoïdal 13 tend constamment à repousser le piston 5 vers le bas.

L'embase 51 du piston porte une garniture élastique annulaire 52, apte à venir porter contre le bord de l'orifice 81, de manière a obturer celui-ci de manière étanche, lorsque le piston 5 se trouve en position basse, sous la sollicitation ressort 13. La cloison 83 est orientée de telle manière qu'elle vienne en appui contre le fond d'une rainure emboutie dans la sous-plaque 303 de l'empilage, sous- jacente à la plaque supérieure 300.

Comme on le voit sur la figure 10, cette zone transversale, dont l'axe correspond à la ligne référencée L, est disposée dans une zone dépourvue d'ondulations, ce qui permet un contact parfaitement étanche de l'élément de cloison 83 contre la sous-plaque 303.

De part et d'autre de la cloison 83, la plaque supérieure et la sous-plaque 303 sont également conformées pour être en appui parfaitement etanche l'une contre l'autre.

Dans la zone intermédiaire, correspondant à arrondi d'emboutissage de la collerette 7, il est avantageusement déposé une matière assurant l'étanchéité, telle que du silicone, de manière à empêcher passage inopiné de fluide à cet endroit.

En situation normale de fonctionnement, lorsque les radiateurs du chauffage central sont alimentés, l'eau chaude fournie par la chaudière arrive dans l'embouchure 30, passe par le canal 350 dans l'embouchure 36, d'où elle est evacuée en direction des radiateurs ; elle revient ensuite à l'échangeur, ' la vanne à trois voies 9, passe dans le canal 600, et rejoint l'embouchure 61, d'où elle retourne à l'entrée de la chaudière.

En cas de puisage sanitaire, s'opère automatiquement la commande de la vanne 9, qui provoque le soulèvement du clapet 91, et l'eau chaude circule au sein de l'échangeur.

En l'absence de puisage sanitaire (clapet 91 abaissé), et dans cas où les radiateurs sont fermés ou partiellement fermés, il se développe une surpression importante dans le canal 350 ; il n'y a pas de retour - ou pratiquement de retour - du liquide à la chaudière.

Grâce à la présente invention, dans cette circonstance, la pression qui règne dans la chambre 350 va provoquer le soulèvement du piston 5, à l'encontre de la poussée du ressort 13, ce qui a pour effet de libérer l'orifice 81.

Ainsi, l'eau franchit l'orifice 81, pénètre à l'intérieur du dôme 10, ressort de cet espace vers le bas à travers l'ouverture 82, et se retrouve de 1 autre côté de la cloison 83, de sorte qu'elle peut s'écouler par l'embouchure 61, pour retourner à la chaudière.

Bien entendu, la valeur du ressort 13 est choisie pour autoriser cet échappement en fonction des caractéristiques de l'installation de chauffage central, afin d'éviter tout problème de sécurité et/ou de dysfonctionnement lié à une mauvaise alimentation de la chaudière.

On notera que la pièce du clapet est pour-vic à sa périphérie d'un certain nombre de nervures radiales 11.

Ces dernières sont destinées à faciliter la préhension de la pièce 10 au cours de son montage, et aussi à oriser le centrage de la cloison 83, de manière à s'orienter correctement à l'intérieur de la rainure 4 au moment du montage. I1 convient de noter que si cette orientation n'est pas correctement effectuée, la mise en place de la pièce ne peut pas se faire, son enfoncement axial dans le manchon 70, au-delà de la bague d'arrêt 71 n'étant pas possible.

Dans la variante illustrée sur la figure 11, on a prévu deux embouchures supplémentaires 61', qui communiquent respectivement - via des emboutis réalisés dans la plaque supérieure 300 - avec les embouchures 61 et 30.

Ces embouchures additionnelles sont avantageusement utilisées pour assurer le branchement de l'échangeur sur des dispositifs de contrôle ou de sécurité annexes, par exemple une soupape de sécurité, un vase d'expansion, ou un manomètre.

Ceci évite d'avoir recours, en dehors de l'échangeur, à des branchements supplémentaires au moyen des raccords en u T encombrants et coûteux.

Claims (1)

1. REVENDICATIONS Echangeur thermique à plaques parallèles superposées délimitant deux enceintes d'échange thermique parcourues l'une par un fluide primaire et l'autre par un fluide secondaire circulant sous forme de couches minces alternées, l'entrée et la sortie de chaque fluide se faisant par une paire d'embouchures, dites principales, menagées dans une plaque d'extrémité, via des cheminées d'entrée et de sortie traversant les plaques internes et communiquant avec les espaces interstitiels constitutifs de l'enceinte correspondante, les deux embouchures principales 61) par lesquelles passe le fluide primaire étant formées dans la même plaque d'extrémité (300), appelée plaque supérieure, caractérisée par le fait que ces deux embouchures (30, 61) communiquent par un canal embouti dans la plaque supérieure (300) et équipé d'un clapet de décharge (1). 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit clapet de décharge (1) comprend un piston (5) sollicité par un ressort taré (13), apte à obturer un orifice (81) de passage du fluide primaire entre lesdites embouchures principales (30, 61) lorsque la pression du fluide arrivant à l'échangeur est inférieur à une valeur seuil déterminée et qui, au contraire, autorise ce passage lorsque la pression excède cette valeur. Echangeur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit clapet de décharge comprend une cloison transversale fixe (83) séparant de manière étanche l'espace interstitiel entre la plaque superieure (300) et la plaque sous-jacente (303) à proximité dudit orifice (81). Echangeur selon l'une des revendication 1 à 3, caractérisé par le fait que le clapet de décharge (1) est monté dans une embouchure (7) constituée par une collerette emboutie dans la plaque supérieure (300), et dont l'axe (XX') est perpendiculaire au plan de cette plaque. 5. Echangeur selon les revendications 2 à prises en combinaison, caractérisé par le fait que le piston (5) est mobile en translation suivant l'axe (XX') de la collerette (7), et est sollicité par un ressort de compression hélicoïdal (13) qui prend appui contre une pièce (10) en forme de dôme fixée manière étanche à la collerette. 6. Echangeur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le clapet (1) comporte une embase (8) solidaire de ladite cloison fixe (83) qui est traversée, d'un côté par l'orifice (81) susceptible d'être obturé par le piston (5), de l'autre par une ouverture (82) qui communique en permanence avec l'intérieur de la pièce (10) en forme de dôme. 7. Echangeur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins une embouchure annexe (30'; 61 '), également formée dans ladite plaque supérieure (300) et qui communique en permanence, via un canal embouti dans cette plaque (300) avec l'une desdites embouchures principales (30, 61), cette embouchure annexe (30' ; 61') étant adaptée pour être branchée à un dispositif de contrôle ou de régulation, tel qu'une soupape de sécurité, un vase d'expansion ou un manomètre.