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Dispositif d'assemblage pour échangeurs de chaleur..
L'invention concerne les dispositifs d'assemblage 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 généralement constitués d'éléments dissipateurs standardisés assemblés entre deux rampes parallèles divisées en segments. De façon connue, ces segments sont assemblés une fois pour toute à l'aide de raccords à double pas fileté (ou nipples). Généralement, 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 comprimés entre les flasques des segments, qui doivent être rigoureusement plans.
Le brevet français 2.149. 999 décrit un semblable radiateur pour installation de chauffage central dans lequel les éléments, constitués de profilés creux en métal comportent des joints d'étanchéité élastiques disposés dans des élargissements ménagés dans les flasques plans des profilés creux. Une telle conception suppose qu'il ne se produise pratiquement pas de mouvement relatif entre deux profilés adjacents ; elle est donc limitée à des radiateurs dotés d'éléments dissipateurs de relativement faible longueur et/ou à faible coéfficient de dilatation.
Le brevet français 32.737 décrit un radiateur formé de sections juxtaposées comportant chacune une gorge ; uns joint en caoutchouc est disposé dans cette gorge au moment du montage. Ici également, les joints sont à même d'assurer une bonne étanchéité pour des mouvements axiaux par rapport à la rampe mais nullement pour des mouvements
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relatits transversaux par rapport à l'axe de la rampe. En pratique, cela signifie que la longueur des éléments dissipateurs est, ici aussi, limitée.
Ces types d'assemblage ne posent guère de problème tant que la longueur des tubes dissipateurs reste inférieure à un mètre, et que l'on utilise des matériaux à coefficient de dilatation relativement faible. Lorsque ces limites ne sont plus respectées, un type d'ennui jusque là peu habituel commence à apparaître : des fuites entre les segments des échangeurs de chaleur, d'autant plus fréquentes que la longueur des tubes dissipateurs est grande.
L'analyse a montré que ces fuites sont 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 utilisés dans les types de montage connus à reprendre ces déplacements. Les joints rigides subissent en effet, une rapide dégradation par érosion. Quant aux joints souples utilisés dans d'autres montages, étant immobilisés par rapport à chacune des pièces en déplacement relatif, ils sont en permanence soumis à un effet de cisaillement.
La demande EP-A-92870087.1 (au nom du même déposant) décrit un dispositif d'étanchéité également monté entre des segments de rampe assemblés par des nipples ; ce dispositif comporte un joint souple doté d'un certain degré de liberté. Ceci permet aux segments juxtaposés de reprendre sans perte d'étanchéité d'importants efforts transversaux dus à la dilatation différentielle des éléments dissipateurs.
Même dans ce cas, on constate qu'il est impossible d'éliminer complètement les problèmes de fuites.
L'analyse de défauts dans des échangeurs de chaleur dotés de moyens d'assemblage connus a montré que, dans des échangeurs en service depuis un certain temps, l'alternance répétée des dilatations et des contractions peut amener un
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déplacement angulaire avec effet de rochet des nipples joignant deux segments, d'où il résulte un desserrage progressif et une perte d'étanchéité de l'assemblage.
L'invention a pour but la mise sur le marché d'un dispositif d'assemblage qui conserve parfaitement son étanchéité au fil du temps.
L'invention a également pour but d'obtenir un assemblage particulièrement approprié pour des échangeurs dont les rampes subissent d'importantes sollicitations transversales dues à la dilatation différentielle, notamment pour des éléments dissipateurs de grandes dimensions ou réalisés en métal à coéfficient de dilation élevé.
Un autre but de l'invention est de rendre l'assemblage plus aisé et donc moins coûteux en main d'oeuvre.
L'invention a pour objet un dispositif d'assemblage pour éléments d'échangeur de chaleur, lesdits échangeurs comportant au moins deux rampes de distribution, disposées suivant des axes parallèles, entre lesquelles s'étendent des éléments dissipateurs de chaleur, chaque rampe étant traversée par un conduit axial et constituée de segments de rampes juxtaposés et assemblés par leurs extrémités axiales ; dans ce dispositif, chaque segment de rampe comporte à chacune de ses extrémités axiales un élément d'assemblage mâle ou femelle apte à être engagé dans un élément d'assemblage correspondant, femelle ou mâle, parallèlement à l'axe de la rampe.
Un élément d'assemblage mâle suivant l'invention comporte un embout traversé axialement par le conduit, comprenant une partie sensiblement tronconique s'effilant depuis une base, par laquelle elle est solidaire de l'extrémité du segment de rampe, jusqu'à un sommet annulaire de diamètre plus réduit que celui de la base, cet embout étant apte à coopérer de façon étanche avec un élément d'assemblage femelle correspondant.
Un élément d'assemblage femelle suivant l'invention comporte
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une cavité traversée axialement par le conduit et ménagée dans le segment de rampe, cette cavité comprend une paroi latérale sensiblement tronconique s'évasant vers l'extérieur, depuis un fond annulaire jusqu'à une embouchure de plus grand diamètre que celui du fond. Cette cavité est de dimensions telles qu'elle soit apte à coopérer de façon étanche avec un élément d'assemblage mâle.
Ce dispositif comporte en outre des moyens de verrouillage aptes à solidariser deux segments de rampe lorsque leurs éléments d'assemblage mâle ou femelle respectifs sont engagés l'un dans l'autre.
La base de la partie tronconique de l'embout de l'élément d'assemblage mâle se raccorde au segment de rampe de préférence par un épaulement annulaire et de même, l'embouchure de la cavité de l'élément d'assemblage femelle se raccorde au segment par un pourtour annulaire.
Suivant un mode de réalisation avantageux, l'embout et la cavité coopèrent de façon étanche par contact de leurs parois latérales tronconique respectives.
Des moyens d'étanchéité peuvent être disposés entre la paroi latérale de la partie tronconique de l'embout de Isolément mâle et la paroi latérale tronconique de la cavité de l'élément femelle.
Ces moyens d'étanchéité incluent, par exemple, un anneau toroïdal en matériau souple inséré dans une rainure transversale ménagée dans la paroi latérale de la partie tronconique de l'embout de l'élément mâle ou dans la paroi latérale tronconique de la cavité de l'élément femelle.
Ces parois latérales tronconiques respectives de l'embout et de la cavité forment avec l'axe du segment un angle compris de préférence entre 5 et 100.
Suivant un mode de réalisation préféré, les moyens de verrouillage entre deux segments adjacents consistent en au moins une clavette apte à être insérée transversalement au-travers de l'assemblage et en au moins une alvéole de section adaptée à ladite clavette, cette
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alvéole traversant les parois latérales respectives de la cavité de l'élément femelle et de l'embout de l'élément mâle.
Avantageusement, on dispose deux clavettes, de part et d'autre du conduit, suivant des axes parallèles à celui des conduits dissipateurs.
Ces clavettes présentent de préférence une section trapézoïdale à coins arrondis.
Suivant un autre mode de réalisation, les moyens de verrouillage sont constitués de pièces filetées disposées suivant l'axe de la rampe de distribution et apte à assurer le maintien des segments de rampe dans leurs positions respectives par serrage.
Suivant une forme d'exécution particulière de l'invention, un tronçon intermédiaire cylindrique s'étend entre l'extrémité du segment de rampe et la base de la partie tronconique de l'embout de l'élément d'assemblage mâle, la profondeur de la cavité de l'élément d'assemblage femelle étant telle que l'épaulement annulaire et le pourtour annulaire soient pratiquement jointifs lorsque l'assemblage hermétique est réalisé entre deux segments correspondants.
La cavité de l'élément d'assemblage femelle peut elle aussi comporter un tronçon intermédiaire de forme sensiblement cylindrique s'étendant entre l'embouchure de la cavité et la paroi latérale tronconique de cette cavité.
Chaque segment de rampe comporte de préférence a l'une de ses extrémités axiales un élément d'assemblage mâle et, à l'autre extrémité, un élément d'assemblage femelle.
L'invention a également pour objet un dispositif de connexion pour rampe d'échangeur de chaleur pourvu d'un élément d'assemblage mâle ou femelle du dispositif d'assemblage décrit ci-dessus, de moyens de verrouillage et en outre de moyens de connexion connus par ailleurs, aptes à raccorder le conduit de la rampe de façon étanche à un élément d'un circuit d'échange de chaleur.
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D'autres particularités ou avantages de l'invention ressortiront de la description ci-après d'une forme de réalisation particulière, référence étant faite aux figures annexées, dans lesquelles La Fig. 1 est une vue en coupe axiale avec arrachement d'un segment de rampe d'échangeur de chaleur suivant l'invention ; La Fig. 2 est une vue en plan d'un même segment de rampe ; La Fig. 3 est une coupe suivant l'axe III-III de la Fig. 2 et La Fig. 4 est une vue en coupe, avec arrachement, suivant l'axe IV-IV de la Fig. 2.
Le segment de rampe 1 montré en coupe à la Fig. 1 est percé par un conduit axial 2. Ce segment de rampe comporte à une de ses extrémités, un élément d'assemblage mâle 3 et, à son autre extrémité, un élément d'assemblage femelle 4.
Ces éléments d'assemblage 3,4 sont conçus de façon à pouvoir assembler bout à bout de façon étanche des segments 1 de façon à former une rampe complète. Des conduits dissipateurs de chaleur 5 viennent se raccorder perpendiculairement aux segments 1 d'une rampe de distribution.
L'élément d'assemblage mâle 3 qui prolonge une des extrémités du segment 1 comporte un embout tronconique 6 au travers duquel le conduit 2 se prolonge et qui va en s'effilant depuis une base 7, attenante au segment, vers son sommet 8. Dans la paroi latérale de l'embout 6 est ménagée une rainure périphérique 9 destinée à recevoir un joint élastique de type 0-ring (non représenté).
L'élément d'assemblage femelle 4 disposé à l'autre extrémité du segment de rampe 1 comporte une cavité 10 qui s'évase vers l'extérieur, depuis son fond 11 vers son embouchure 12.
La forme et les dimensions de la paroi latérale de la cavité 10, sensiblement tronconique, permettent à l'élément d'assemblage femelle 4 de coopérer avec l'élément
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d'assemblage mâle 3 d'un autre segment 1 de façon à former une liaison étanche. Un joint d'étanchéité souple (non représenté) inséré dans la rainure 9 de l'embout 6 permet de parfaire l'étanchéité de la liaison entre les deux surfaces coniques respectives de la cavité 10 et de l'embout 6 lorsque les deux segments 1 qui les portent sont serrés axialement l'un contre l'autre.
On conçoit que la rainure périphérique 9 peut, suivant un autre mode de réalisation, être ménagée dans la paroi latérale de la cavité 10 de l'élément d'assemblage femelle 4.
On pourrait également utiliser un joint d'étanchéité ayant la forme d'un film souple inséré entre les deux parois tronconiques respectives de l'embout 6 et de la cavité 10.
Outre le fait que l'étanchéité est obtenue entre deux segments par la simple insertion l'un dans l'autre de leurs éléments d'assemblage respectifs, un avantage essentiel de l'invention par rapport aux dispositifs classiques est la disparition de toute pièce intermédiaire (nipple) entre deux segments.
La disparition des nipples a pour conséquence que les effets de cisaillement transversaux susceptibles de se produire du fait de différences dans la dilatation des conduits dissipateurs de chaleur 5 sont répartis comme un effort linéaire sur l'ensemble de l'assemblage 3,4 et transmis directement à la section des segments de rampe sans que l'étanchéité soit soumise à un quelconque déplacement ou à des sollicitations excessives.
Le pourtour 13 de l'embouchure 12 vient s'appliquer contre un épaulement annulaire 14 ménagé autour de la base 7 de l'embout 6 du côté de l'élément d'assemblage mâle 3, rendant virtuellement impossible un effet de torsion entre deux segments 1. Les efforts dus à la dilation différentielle des conduits 5 sont donc répartis rigidement sur l'ensemble des tronçons de la rampe, sans possibilité
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d'apparition de points faibles localisés.
Le maintien de deux segments 1 l'un par rapport à l'autre est assuré par verrouillage, comme illustré aux Figs. 2,3 et 4. Les moyens de verrouillage ici illustrées sont des goupilles ou clavettes 15 transversales et des alvéoles 16 correspondantes ménagées au travers des éléments d'assemblages mâle 3 et femelle 4, de part et d'autre du conduit axial 2.
L'alvéole 16 empiète à la fois sur la paroi latérale de la cavité 10 et sur la paroi latérale de l'embout 6, dans laquelle elle forme des saignées 17 et 17a.
Pour des raisons évidentes d'étanchéité, l'alvéole 16 est ménagée en aval par rapport aux moyens d'étanchéité et elle ne communique pas avec le conduit 2.
On remarquera que les alvéoles 16 sont disposées avantageusement suivant un axe parallèle à celui des conduits dissipateurs 5 de façon à ce que les clavettes 15 ne reprennent virtuellement aucune sollicitation due à la dilatation différentielle de ces conduits dissipateurs 5.
Le système de verrouillage par clavette 15 permet un positionnement rigoureux des segments de rampe et, avantage appréciable par rapport à un dispositif d'assemblage classique, il peut se démonter rapidement de l'extérieur. En outre, une fois les clavettes 15 en place, leurs extrémités peuvent être usinées de façon telle que leur présence passe totalement inaperçue.
Un autre avantage qui apparaît clairement à l'étude des figures est que le conduit 2 n'est encombré à aucun endroit de son parcours par des pièces telles que des nipples qui restreindraient sa section utile ; on obtient donc un flux plus régulier sur toute la longueur de la rampe de distribution.
On notera que le verrouillage par clavette 15 peut être remplacé par des éléments de serrage filetés disposés parallèlement au conduit 2 ou même à l'intérieur de celui-ci, de façon à serrer les uns contre les autres
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l'ensemble des segments 1 composant une rampe.
Comme on le voit aux Figs. 2 et 4, le segment de rampe 1 peut être muni d'ailettes de dissipation thermique 18 qui participent à la fois au bon fonctionnement et à l'aspect esthétique de l'échangeur thermique dans son ensemble.
Suivant un mode de réalisation qui n'est pas montré sur les figures, on peut parfaitement, sans s'écarter de l'esprit de l'invention, intercaler, entre la partie tronconique caractéristique de l'embout 6 et l'épaulement 14 un tronçon cylindrique d'une certaine longueur (et allonger d'une façon concomittante, la profondeur de la cavité 10) pour répartir les efforts de cisaillement.
L'angle formé entre la paroi tronconique de l'embout 6 et l'axe du conduit 2 est, de façon optimale, compris entre 5 et 100.
L'angle de la cavité 10 de l'élément d'assemblage femelle 4 est du même ordre ou légérement supérieur, de façon à favoriser le coincement en bout de course de l'embout 6 dans la cavité 10 et améliorer l'étanchéité. La précision dimensionnelle de l'assemblage exige que, lorsque les deux éléments d'assemblage mâle 3 et femelle 4 sont en position idéale pour assurer une liaison étanche entre deux segments, le pourtour 13 de l'embouchure 12 et l'épaulement 14 soient quasiment jointifs de façon à reprendre sans effet de torsion les tensions résultant de la dilatation différentielle des conduits dissipateurs de chaleur 5.
Le dispositif d'assemblage suivant l'invention est avantageusement complété par des "pièces d'extrémité" permettant de terminer une rampe composée de segments 1 assemblés, en fixant à une de ses extrémités, une pièce de fermeture et, à l'autre extrémité, une pièce de raccordement à une installation de distribution de fluide caloporteur.
Ces pièces d'extrémités comportent un élément - d'assemblage mâle ou femelle, des moyens de verrouillage permettant de les solidariser avec le segment de rampe
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adjacent et suivant le cas soit un bouchon soit des moyens de raccordement à une installation de fluide classique (filetage, raccord Union, etc...).
Le dispositif d'assemblage tel que décrit ici se révèlera particulièrement avantageux dans le cas où les segments de rampe 1 sont réalisées par injection notamment d'alliages légers, ce qui permet de concilier un prix de revient avantageux et une grande précision dimensionnelle.
Ce même dispositif d'assemblage peut être utilisé cependant sans problème pour des éléments d'échangeurs de chaleur en métal embouti ou réalisés par usinage.
On conçoit que des segments de rampe 1 tels que représentés aux Figs. 1 et 2 pourraient parfaitement être munis de deux éléments d'assemblages mâles ou de deux éléments femelles 4 ; il s'agit là de modes de réalisations particuliers qui ne sortent pas du cadre de l'invention.