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Dispositifs d'étanchéité pour échangeurs de chaleur.
L'invention concerne les dispositifs d'étanchéité pour échangeurs de chaleur qui comprennent deux rampes de distribution de fluide parallèles entre elles ; l'invention est plus particulièrement destinée à des échangeurs dotés de tubes dissipateurs de dimensions supérieures à un mètre et pouvant aller jusqu'à plusieurs mètres de long.
Les échangeurs de chaleur, dans des appareils tels que radiateurs, convecteurs etc. sont dotés, le plus souvent, de rampes divisées en segments. Ces segments sont généralement assemblés à l'aide de raccords filetés (ou nipples). De façon connue, des joints d'étanchéité plats et rigides sont insérés lors du montage, entre les différents segments. On utilise des matières telles que le papier, dans le cas de radiateurs en fonte, la klingerit, ou encore l'amiante comprimée dans le cas de radiateurs en acier ou en aluminium. Ces joints sont comprimes entre les flasques des segments, qui doivent être rigoureusement plans.
Ce type d'assemblage ne posait guère de problème tant que la longueur des tubes dissipateurs était inférieure à un mètre, et que l'on utilisait des matériaux à coefficient de dilatation relativement faible. Lorsque ces limites n'ont plus été respectées, un type d'ennui jusque là peu habituel a commencé à se multiplier ; des fuites entre les segments des échangeurs de chaleur, d'autant plus fréquentes que la longueur des tubes dissipateurs était grande.
L'analyse a montré que ces fuites étaient dues essentiellement à la combinaison de deux facteurs : d'une part, les déplacements relatifs entre les segments, dus à la dilatation différentielle des tubes dissipateurs et, d'autre part, l'inaptitude des joints rigides à reprendre ces déplacements. Ces joints subissaient de ce fait, une rapide dégradation par érosion.
A titre d'illustration, on peut calculer que l'ouverture d'une vanne d'eau chaude (à 900C) placée sur un
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radiateur en aluminium à 200C induit entre les deux premiers éléments une différence d'environ 1 à 2 mm !
Par ailleurs, le glissement entre les surfaces ne se fait pas de façon régulière et produit des claquements gênants en exploitation. Les techniques actuellement connues dans ce domaine ne permettent pas de résoudre les problèmes ainsi causés.
Le but de l'invention est de réaliser un dispositif d'étanchéité résistant aux sollicitations thermiques et mécaniques sévères intervenant dans les échangeurs à tubes dissipateurs de grandes dimensions.
Un autre but de l'invention est que ce dispositif d'étanchéité s'applique également à des échangeurs dotés d'éléments en métal à coéfficient de dilatation thermique élevé.
Un autre but de l'invention est que les qualités de ce dispositif ne se dégradent pas dans le temps.
Un autre but est que ce dispositif soit aisé à monter et qu'il n'augmente pas les frais de fabrication.
Un autre but est que ce dispositif offre des performances stables dans la plage-de température où l'échangeur est censé fonctionner (typiquement, de-10 à + 90oc).
La présente invention a pour objet un dispositif d'étanchéité pour échangeur de chaleur, le dit échangeur comportant au moins deux rampes de distribution de fluide parallèles entre elles et comportant chacune un conduit axial, les dites rampes étant divisées en segments, des tubes échangeurs s'étendant entre les segments correspondants des rampes de distribution, les segments d'une même rampe de distribution présentant deux faces d'about et étant assemblés bout à bout par des raccords filetés, les faces d'about de ces segments s'étendant sensiblement dans des plans perpendiculaires à leur axe ; dans ce dispositif au moins une des faces d'about de chaque segment comporte une gorge disposée autour du conduit axial de ce segment ;
un joint annulaire en un matériau élastique
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souple, de dimensions adaptées à celles de la dite gorge, est inséré dans cette gorge en dépassant de celle-ci, de façon à s'appliquer hermétiquement contre la face d'about d'un segment adjacent.
Suivant une forme de réalisation avantageuse, la face d'about du segment adjacent est une surface plane.
Suivant une autre forme de réalisation avantageuse, les faces en vis-à-vis de deux segments adjacents comportent chacune une gorge, ces gorges venant en regard l'une de l'autre, un joint en matériau souple étant inséré conjointement dans les deux gorges.
Le joint du dispositif suivant l'invention présente avantageusement une section circulaire.
Dans ce cas, il présente de préférence la forme d'un tore.
Ce joint souple présente, dans une forme avantageuse, une section rectangulaire, la gorge présentant une forme rectangulaire correspondante.
Suivant un autre mode de réalisation, la partie de la face d'about entourée par la gorge se trouve en retrait par rapport au plan de la face d'about circonscrit à la gorge ; de cette façon, le joint souple s'étend le long de cette partie en retrait et présente après serrage une section en forme de virgule.
Dans un mode de réalisation aisé à assembler, la gorge est disposée à la jonction entre la face d'about et le conduit axial du segment.
Enfin, la matière constituant le joint souple est choisie de préférence dans l'ensemble formé par les matières élastiques de synthèse, le caoutchouc, le caoutchouc de synthèse, le caoutchouc de silicone.
L'invention a comme avantage de conférer un fonctionnement silencieux aux échangeurs thermiques.
Un autre avantage est qu'il n'est plus nécessaire de polir les faces d'about avant montage, afin d'éviter les fuites dues aux traces d'usinage, de peinture, etc. En effet, le joint d'étanchéité souple tolère certaines
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irrégularités dans le fini du métal et dans le montage.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortirait de la description ci-après d'une forme de réalisation particulière, référence étant faite aux dessins annexés dans lesquels : - la Fig. 1 est une vue schématique générale d'un échangeur thermique ; - la Fig. 2 est une vue partielle en coupe d'un échangeur avec joint d'étanchéité non élastique suivant l'art antérieur ; - la Fig. 3 est une vue en perspective avec arrachement d'un segment d'échangeur montrant le dispositif d'étanchéité suivant l'invention ; - la Fig. 4 est une vue partiellement en coupe suivant un plan axial de deux segments assemblés avec un dispositif d'étanchéité suivant l'invention ;
- les Fig. 5,6, 7 et 8 sont des demi-vues en coupe suivant un plan axial de deux demi-segments assemblés montrant d'autres formes du dispositif suivant l'invention ;
La Fig. 1 montre schématiquement un échangeur de chaleur 1 comportant deux rampes de- distribution 2,3.
Chacune de ces rampes 2,3 est divisée en segments 4, les segments 4 correspondants étant reliés entre eux par des tubes dissipateurs 5.
La Fig. 2 représente, en coupe axiale, l'assemblage de segments 4 avec dispositif d'étanchéité 6 suivant l'état de la technique. Les extrémités 7 de chaque segment 4 sont taraudées respectivement l'une suivant un pas de vis droit, l'autre suivant un pas inverse.
Une nipple 8 (ou raccord fileté) comportant à chacune de ses extrémités un filet droit et un filet gauche correspondant, est montée entre les segments 4, qu'elle solidarise. Un anneau d'étanchéité plat 6, en matériau non-élastique (tel que l'amiante comprimée) est inséré entre les faces d'about 9, (ou flasques) des segments. Cet anneau 6 peut être serré fortement en agissant par rotation sur la nipple 8.
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Lorsqu'il se produit un réchauffement inégal dans les tubes dissipateurs, il s'ensuit un déplacement différentiel des segments 4, d'autant plus accentué que les tubes dissipateurs 5 sont longs. Ce mouvement provoque un effet de cisaillement sur le joint d'étanchéité 6 suivant l'art antérieur.
Ne disposant pas de la souplesse nécessaire, celui-ci s'use et s'altère à la suite des frottements répétés qu'il subit.
La Fig. 3 est une vue en perspective avec arrachement d'un segment 4 de rampe de distribution 2 ou 3 doté d'un dispositif d'étanchéité suivant l'invention. Le segment 4 est percé axialement par un conduit 10 portant un filet intérieur. Une nipple 8 (ou raccord fileté) portant deux pas de vis inverses est insérée, pour le montage de l'échangeur, dans ce conduit 10. La face d'about 9 du segment 4 comporte une partie plane dans laquelle est creusée une gorge 11, mieux visible à la Fig. 4.
Dans cette gorge 11 est inséré un joint d'étanchéité souple 12. On voit également, à la Fig. 3, un tube dissipateur 5 reliant entre elles- les deux rampes de distribution 2,3 ainsi que les ailettes de refroidissement 13 de ce tube 5.
La Fig. 4 montre, partiellement en coupe axiale, une des formes de réalisation du dispositif d'étanchéité suivant l'invention. La face d'about 9 d'un des segments 4 comporte, comme représenté à la Fig. 3, une gorge 11 dans laquelle est inséré un joint d'étanchéité souple 12, ici de section ronde. La face d'about 14 de l'autre segment 4, qui lui fait face, est parfaitement plane, ce qui permet à l'anneau souple 12 de glisser sans heurts sur cette face lorsque la dilatation différentielle provoque un mouvement relatif perpendiculaire à l'axe des segments.
La nipple (ou raccord fileté) 8 est, elle aussi, percée longitudinalement de façon à laisser passer le fluide caloporteur, et garnie de pans d'appui intérieurs 15 destinés à permettre l'usage d'un outil de serrage (non représenté).
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La Fig. 5 montre une variante possible : les faces d'about 9 de deux segments 4 en vis-à-vis sont creusées de gorges 16 de même conformation, un joint unique 17 étant engagé simultanément dans les deux gorges 16 de façon à reprendre intégralement les différences de dimension engendrées par la dilatation.
Les Fig. 6 et 7 montrent d'autres variantes possibles du dispositif suivant l'invention : à la Fig. 6, le joint 18 a une section rectangulaire (la gorge 19 a donc, en conséquence, la forme d'une rainure rectangulaire).
Le joint d'étanchéité 20 montré à la Fig. 7 a une section initialement ronde mais il prend, après montage, la forme d'une virgule, soit une partie arrondie 21 à laquelle se rattache une lèvre 22. La partie de la face d'about comprise entre la gorge et l'axe du segment est en effet légèrement en retrait par rapport au plan de la face d'about 9. Lorsque le joint 20 est comprimé, il s'étend préférentiellement en direction de l'axe, d'où il se forme une lèvre 22 constituant un joint d'étanchéité particulièrement efficace.
Aux Fig. 8 et 9 sont représentées deux variantes du dispositif d'étanchéité suivant l'invention : la gorge 23 (Fig. 9) ou les gorges 24 (Fig. 8) ont été ménagées à la jonction des faces d'about et de la cavité axiale 10, ce qui permet notamment de simplifier le montage en enfilant simplement le joint 12 sur la nipple 8.
Parmi les matériaux particulièrement appropriés pour réaliser le joint pour le dispositif suivant l'invention, on peut citer les élastomères tels que les caoutchoucs de synthèse et notamment les caoutchoucs de silicone.
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Sealing devices for heat exchangers.
The invention relates to sealing devices for heat exchangers which comprise two fluid distribution manifolds parallel to each other; the invention is more particularly intended for exchangers provided with dissipator tubes of dimensions greater than one meter and which can go up to several meters in length.
Heat exchangers, in devices such as radiators, convectors etc. most often have ramps divided into segments. These segments are generally assembled using threaded fittings (or nipples). In known manner, flat and rigid seals are inserted during assembly, between the different segments. Materials such as paper are used in the case of cast iron radiators, klingerit, or compressed asbestos in the case of steel or aluminum radiators. These joints are compressed between the flanges of the segments, which must be strictly flat.
This type of assembly did not pose much of a problem as long as the length of the dissipating tubes was less than one meter, and that materials with relatively low coefficient of expansion were used. When these limits were no longer observed, a hitherto unusual type of boredom began to multiply; leaks between the segments of the heat exchangers, all the more frequent as the length of the dissipator tubes was great.
Analysis has shown that these leaks were mainly due to the combination of two factors: on the one hand, the relative displacements between the segments, due to the differential expansion of the dissipator tubes and, on the other hand, the unsuitability of the seals rigid to resume these movements. These joints therefore underwent rapid degradation by erosion.
By way of illustration, it can be calculated that the opening of a hot water valve (at 900C) placed on a
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aluminum radiator at 200C induced between the first two elements a difference of about 1 to 2 mm!
Furthermore, the sliding between the surfaces does not occur regularly and produces annoying clicks during operation. The techniques currently known in this field do not make it possible to resolve the problems thus caused.
The object of the invention is to provide a sealing device resistant to severe thermal and mechanical stresses occurring in heat exchangers with large dissipative tubes.
Another object of the invention is that this sealing device also applies to exchangers provided with metal elements with a high coefficient of thermal expansion.
Another object of the invention is that the qualities of this device do not degrade over time.
Another object is that this device is easy to assemble and that it does not increase the manufacturing costs.
Another aim is that this device offers stable performance in the temperature range where the exchanger is supposed to operate (typically, from −10 to + 90 ° C.).
The subject of the present invention is a sealing device for a heat exchanger, the said exchanger comprising at least two fluid distribution ramps parallel to each other and each comprising an axial duct, the said ramps being divided into segments, exchanger tubes s extending between the corresponding segments of the distribution ramps, the segments of the same distribution ramp having two end faces and being assembled end to end by threaded connections, the end faces of these segments extending substantially in planes perpendicular to their axis; in this device at least one of the end faces of each segment has a groove disposed around the axial duct of this segment;
an annular seal made of an elastic material
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flexible, of dimensions adapted to those of said groove, is inserted into this groove protruding from the latter, so as to apply hermetically against the abutment face of an adjacent segment.
According to an advantageous embodiment, the end face of the adjacent segment is a flat surface.
According to another advantageous embodiment, the facing faces of two adjacent segments each have a groove, these grooves coming opposite one another, a seal made of flexible material being inserted jointly in the two grooves .
The seal of the device according to the invention advantageously has a circular section.
In this case, it preferably has the shape of a torus.
This flexible seal has, in an advantageous form, a rectangular section, the groove having a corresponding rectangular shape.
According to another embodiment, the part of the end face surrounded by the groove is set back relative to the plane of the end face circumscribed at the groove; in this way, the flexible seal extends along this recessed part and has, after tightening, a comma-shaped section.
In an embodiment which is easy to assemble, the groove is arranged at the junction between the end face and the axial duct of the segment.
Finally, the material constituting the flexible seal is preferably chosen from the assembly formed by synthetic elastic materials, rubber, synthetic rubber, silicone rubber.
The invention has the advantage of conferring silent operation on the heat exchangers.
Another advantage is that it is no longer necessary to polish the end faces before assembly, in order to avoid leaks due to traces of machining, painting, etc. Indeed, the flexible seal tolerates certain
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irregularities in the finish of the metal and in the mounting.
Other particularities and advantages of the invention appear from the following description of a particular embodiment, reference being made to the appended drawings in which: - FIG. 1 is a general schematic view of a heat exchanger; - Fig. 2 is a partial sectional view of an exchanger with non-elastic seal according to the prior art; - Fig. 3 is a perspective view with cutaway of an exchanger segment showing the sealing device according to the invention; - Fig. 4 is a partially sectional view along an axial plane of two segments assembled with a sealing device according to the invention;
- Figs. 5,6, 7 and 8 are half-views in section along an axial plane of two assembled half-segments showing other forms of the device according to the invention;
Fig. 1 schematically shows a heat exchanger 1 comprising two distribution ramps 2,3.
Each of these ramps 2,3 is divided into segments 4, the corresponding segments 4 being interconnected by dissipator tubes 5.
Fig. 2 shows, in axial section, the assembly of segments 4 with sealing device 6 according to the prior art. The ends 7 of each segment 4 are tapped respectively one according to a straight screw pitch, the other according to a reverse pitch.
A nipple 8 (or threaded connection) comprising at each of its ends a right thread and a corresponding left thread, is mounted between the segments 4, which it secures. A flat sealing ring 6, made of non-elastic material (such as compressed asbestos) is inserted between the end faces 9, (or flanges) of the segments. This ring 6 can be tightened strongly by acting by rotation on the nipple 8.
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When uneven heating occurs in the dissipator tubes, it follows a differential displacement of the segments 4, all the more accentuated as the dissipator tubes 5 are long. This movement causes a shearing effect on the seal 6 according to the prior art.
Lacking the necessary flexibility, it wears out and deteriorates as a result of the repeated friction it undergoes.
Fig. 3 is a perspective view with cutaway of a segment 4 of distribution manifold 2 or 3 provided with a sealing device according to the invention. The segment 4 is pierced axially by a conduit 10 carrying an internal thread. A nipple 8 (or threaded connection) carrying two reverse screw threads is inserted, for mounting the exchanger, in this conduit 10. The end face 9 of segment 4 comprises a flat part in which a groove 11 is hollowed out. , better visible in Fig. 4.
In this groove 11 is inserted a flexible gasket 12. It is also seen, in FIG. 3, a dissipator tube 5 connecting together the two distribution ramps 2,3 as well as the cooling fins 13 of this tube 5.
Fig. 4 shows, partially in axial section, one of the embodiments of the sealing device according to the invention. The end face 9 of one of the segments 4 comprises, as shown in FIG. 3, a groove 11 into which is inserted a flexible seal 12, here of round section. The end face 14 of the other segment 4, which faces it, is perfectly flat, which allows the flexible ring 12 to slide smoothly on this face when the differential expansion causes a relative movement perpendicular to the axis of the segments.
The nipple (or threaded connection) 8 is also pierced longitudinally so as to allow the heat transfer fluid to pass, and provided with internal support panels 15 intended to allow the use of a clamping tool (not shown).
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Fig. 5 shows a possible variant: the end faces 9 of two facing segments 4 are hollowed out with grooves 16 of the same conformation, a single joint 17 being engaged simultaneously in the two grooves 16 so as to fully absorb the differences of dimension generated by the expansion.
Figs. 6 and 7 show other possible variants of the device according to the invention: in FIG. 6, the seal 18 has a rectangular section (the groove 19 therefore has, therefore, the shape of a rectangular groove).
The seal 20 shown in FIG. 7 has an initially round section but it takes, after assembly, the shape of a comma, that is to say a rounded part 21 to which a lip 22 is attached. The part of the end face included between the groove and the axis of the segment is in fact slightly recessed relative to the plane of the end face 9. When the seal 20 is compressed, it preferably extends in the direction of the axis, from which a lip 22 is formed constituting a seal particularly effective sealing.
In Figs. 8 and 9 are shown two variants of the sealing device according to the invention: the groove 23 (Fig. 9) or the grooves 24 (Fig. 8) have been provided at the junction of the end faces and the axial cavity 10, which in particular makes it possible to simplify mounting by simply threading the seal 12 on the nipple 8.
Among the materials which are particularly suitable for producing the seal for the device according to the invention, mention may be made of elastomers such as synthetic rubbers and in particular silicone rubbers.