Intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor.

Comprende un cuerpo metálico (3, 7) dispuesto en el interior de una carcasa de plástico (2), incluyendo dicho cuerpo metálico un circuito (3) destinado a la circulación de los gases con intercambio de calor con un fluido de refrigeración y al menos un depósito de gas (7) o brida de soporte acoplado a al menos un extremo de dicho circuito (3), y unos medios de unión para fijar al menos uno de los extremos del cuerpo metálico (3, 7) a la carcasa de plástico (2). Se caracteriza por el hecho de que dichos medios de unión comprenden una pluralidad de puntos de apoyo (11) de pequeña área de contacto solidarios de la carcasa de plástico (2), susceptibles de ser encajados en sendos entrantes (12) pertenecientes a el al menos un depósito de gas (7) o brida de soporte. Se obtiene una unión optimizada entre la carcasa de plástico y el cuerpo metálico del intercambiador

Intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor.

La presente invención se refiere a un intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor.

La invención se aplica especialmente en intercambiadores de recirculación de gases de escape de un motor (EGRC).

Antecedentes de la invención

En algunos intercambiadores de calor para el enfriamiento de gases, por ejemplo los utilizados en sistemas de recirculación de los gases de escape hacia la admisión de un motor de explosión, los dos medios que intercambian calor están separados por una pared.

El intercambiador de calor propiamente dicho puede tener distintas configuraciones: por ejemplo, puede consistir en una carcasa tubular en cuyo interior se disponen una serie de conductos paralelos para el paso de los gases, circulando el refrigerante por la carcasa, exteriormente a los conductos; en otra realización, el intercambiador consta de una serie de placas paralelas que constituyen las superficies de intercambio de calor, de manera que los gases de escape y el refrigerante circulan entre dos placas, en capas alternadas.

En el caso de intercambiadores de calor de haz de conductos, la unión entre los conductos y la carcasa puede ser de diferentes tipos. Generalmente, los conductos están fijados por sus extremos entre dos placas de soporte acopladas en cada extremo de la carcasa, presentando ambas placas de soporte una pluralidad de orificios para la colocación de los respectivos conductos. Dichas placas de soporte están fijadas a su vez a unos medios de conexión con la línea de recirculación.

Dichos medios de conexión pueden consistir en una conexión en V o bien en un reborde periférico de conexión o brida, dependiendo del diseño de la línea de recirculación donde está ensamblado el intercambiador. El reborde periférico puede estar ensamblado junto con un depósito de gas, de manera que el depósito de gas es una pieza intermedia entre la carcasa y el reborde, o bien el reborde puede estar ensamblado directamente a la carcasa.

Asimismo, el circuito de gases puede ser de tipo lineal en el cual la entrada y salida de gases están dispuestas en extremos opuestos; o bien puede ser en forma de "U" en el cual la entrada y salida de gases están dispuestas adyacentes en un mismo extremo abierto, estando el extremo opuesto cerrado, y definiendo un paso de ida y un paso de retorno. En este último caso, el extremo cerrado para el retorno de los gases suele estar constituido por un depósito de gas cerrado.

Usualmente, los intercambiadores de calor EGR son metálicos, generalmente fabricados de acero inoxidable o aluminio. Tanto los intercambiadores de haz de conductos como los de placas apiladas, presentan todos sus componentes metálicos, de modo que están ensamblados mediante medios mecánicos y luego soldados para asegurar un nivel de estanqueidad requerido para esta aplicación.

Una acción para reducir el coste del intercambiador de calor EGR es sustituir la carcasa de acero inoxidable por otro material, tanto si este material tiene un coste bajo como si permite integrar otras funciones, tales como la integración de los conductos del fluido de refrigeración o de los soportes de sujeción a una superficie del entorno motor donde será fijado el intercambiador.

Son conocidos intercambiadores de calor de haz de conductos que comprenden una carcasa de material plástico. Las carcasas de plástico tienen la ventaja de que se reduce el coste del producto final ya que permite integrar los conductos del circuito del fluido de refrigeración y los soportes de fijación a una superficie del entorno motor.

En este caso, la carcasa de plástico alberga en su interior el núcleo o cuerpo metálico del intercambiador constituido por el haz de tubos, y al menos una placa de soporte y un depósito de gas. El cuerpo metálico debe ser fijado a la carcasa de plástico evitando que quede en voladizo, y de este modo garantizar la resistencia mecánica del intercambiador de calor ante la vibración del motor.

Son conocidas patentes referentes a intercambiadores EGR con carcasa de plástico que describen la unión entre las partes metálicas y de plástico, asegurando una estanqueidad del fluido de refrigeración para evitar cualquier fuga.

Un punto clave del diseño del intercambiador de calor es la unión entre los componentes de plástico y los componentes metálicos, tales como aluminio o acero inoxidable. En el caso de intercambiadores de calor en forma de "U", existen dos tipos de uniones, una unión cuya función es fijar los diferentes materiales, plástico y metal, así como garantizar la estanqueidad, y otra unión con una única función de soporte.

En esta configuración en forma de "U", la unión en el lado abierto generalmente incluye una junta de estanqueidad para evitar cualquier posible fuga del fluido de refrigeración hacia el exterior, mientras que la unión en el lado cerrado no requiere la función de estanqueidad ya que en ese lado solo es necesario soportar el cuerpo metálico dentro de la carcasa de plástico. La patente WO 2007/048603 describe un intercambiador de calor de este tipo, en el que los medios de unión en el lado cerrado comprende un soporte solidario de la carcasa de plástico, el cual está provisto de una hendidura destinada a recibir un resalte solidario del depósito de gas cerrado.

No obstante, los intercambiadores conocidos de este tipo presentan una serie de inconvenientes ya que la fijación del cuerpo metálico del intercambiador a la carcasa de plástico es muy conflictiva y es necesario tener en cuenta las siguientes consideraciones de diseño:

1) El área de contacto:

Las temperaturas de trabajo para la carcasa de plástico y el cuerpo del intercambiador son diferentes. El cuerpo metálico puede alcanzar elevadas temperaturas ya que está en contacto con el gas, el cual varia su temperatura desde 750ºC en la entrada hasta 500ºC en la salida; mientras que la carcasa de plástico soporta temperaturas relativamente bajas debido a que está bañada por el fluido de refrigeración que está a una temperatura de entre 70ºC y 90ºC.

El área de contacto entre el cuerpo del intercambiador y la carcasa de plástico debe estar muy bien refrigerada mediante el fluido de refrigeración.

Esto significa que, por una parte, el flujo de fluido de refrigeración en este área debe ser suficientemente abundante, siendo por tanto el paso de fluido de refrigeración preferente, y que, por otra parte, el área de contacto debe ser muy pequeña para mantener la temperatura en la zona de contacto del material plástico a unos valores cercanos a la temperatura del fluido de refrigeración. Asimismo, el área de contacto debe ser suficientemente grande para soportar el cuerpo metálico.

2) Dilatación térmica:

Debido a la diferencia de temperaturas entre el cuerpo metálico y la carcasa de plástico, la dilatación térmica para los dos componentes será diferente, dependiendo también del coeficiente de dilación térmica.

Esto tiene el inconveniente de que se producen movimientos indeseados preferentemente en sentido longitudinal entre los componentes debidos a su propia dilatación.

3) Distancia entre el cuerpo metálico y la carcasa:

Tal como se ha mencionado, el área de contacto entre la carcasa de plástico y el cuerpo metálico, generalmente el depósito de gas, debe estar muy bien enfriada mediante el fluido de refrigeración, lo que significa que el fluido de refrigeración en este área debe ser preferencial. Para mejorar el flujo del fluido de refrigeración en esta área son muy importantes los requerimientos de diseño.

En este sentido, es muy importante definir la distancia entre el cuerpo metálico y la carcasa de plástico. La elección de este valor depende de la mínima sección transversal de fluido de refrigeración dentro del intercambiador de calor. Por ejemplo, si un intercambiador de calor tubular presenta una distancia entre los tubos de gas de 1.3 mm, la recomendación es tener una distancia de 2.6 mm, en ambos lados opuestos, entre el depósito de gas y la carcasa de plástico.

4) Posición de la conexión de entrada del fluido de refrigeración:

Es muy importante situar la conexión de entrada del fluido de refrigeración cerca de dicho área de contacto, con el fin de garantizar un flujo de fluido de refrigeración mínimo.

5) Posición de los soportes...