Elément échangeur de chaleur et procédé pour sa fabrication. La présente invention a pour objet un élément échangeur de chaleur et un procédé pour sa fabrication.
L'élément objet de l'invention est caracté risé en ce qu'il comprend un tube extérieur, présentant une nervure hélicoïdale d'une pièce avec la surface extérieure du tube et une rainure hélicoïdale ménagée dans la sur face intérieure du tube en coïncidence avec la base de la nervure, et un revêtement tubu laire intérieur pour le tube susdit, présentant sur sa surface extérieure une saillie hélicoï dale pénétrant dans ladite rainure hélicoïdale du tube.
Le procédé de fabrication de cet élément est caractérisé en ce qu'on insère un premier tube lisse dans un second tube lisse extérieur su premier, en ce qu'on applique une pression suffisante sur les portions périphériques axialement espacées et disposées sur une même hélice des deux tubes pour chasser la matière des surfaces extérieures des deux tubes, et en ce qu'on façonne la matière chassée de la sur face extérieure du tube extérieur pour former sur ce dernier une nervure hélicoïdale.
Un mandrin peut être inséré dans le tube intérieur. De préférence, on procède de ma nière que la matière chassée dans une direc tion extérieure depuis la périphérie du tube extérieur produit une rainure hélicoïdale dans la surface intérieure de ce tube. La ma tière chassée de la surface extérieure du tube intérieur se loge alors dans cette rainure et assure le blocage des deux tubes l'un sur l'autre.
Le tube extérieur et le tube intérieur peu vent être d'un métal différent. Par exem ple, le tube extérieur peut être en un métal léger, tel que l'aluminium, et le tube intérieur en cuivre. Ainsi, la ma- , jeure partie de l'élément peut être faite d'un métal relativement bon marché, capable d'être facilement usiné dans l'opération de forma tion de la nervure, ce qui réduit les risques de rupture de l'outil à un minimum. En, outre, le tube de revêtement intérieur peut être résistant à la. corrosion due aux fluides ordinairement utilisés, par exemple dans le cas de la réfrigération, et il peut être possible de réaliser des joints brasés efficaces au ; moyen d'une soudure à l'argent par exemple.
Comme les deux tubes sont amenés en contact intime lors de la formation de l'élément, les avantages ci-dessus sont obtenus sans perte appréciable de la capacité de transfert ther- mique. Cette perte peut être amenée à 5 % ou moins, dans la plupart. des installations, ce qui est insignifiant, surtout si l'on consi dère l'abaissement du prix de revient.
Le dessin annexé représente, à titre , d'exemple, une forme d'exécution de l'élément objet de l'invention et des dispositifs utilisés pour sa fabrication.
La fig. 1 est une coupe longitudinale de l'élément.
La fig. 2 est une coupe par la ligne 2-2 de la fig. 1. La fig. 3 est une coupe transversale sché matique d'un appareil destiné à former une nervure hélicoïdale sur le tube extérieur de l'élément.
La fig. 4 est. une coupe par la ligne 4-4 de la fig. 3. La fig. 5 est une coupe, à grande échelle, d'un rouleau de l'appareil représenté à la fig. 3, montrant ce rouleau 'en relation avec la nervure en formation.
La fig. 6 est une coupe par la ligne 6-6 de la fig. 5.
La fig. 7 est une coupe, à grande échelle, d'une partie d'un rouleau en relation avec le tube extérieur.
L'élément échangeur de chaleur aura une forme différente selon l'emploi auquel il est destiné. Par exemple, si l'élément doit être utilisé comme condenteur ou évaporateur dans un système réfrigérant, il petit former un enroulement plat ou hélicoïdal ou être plié en serpentin.
L'élément. 10 représenté (fig. 1) comprend un tube extérieur 11 et un revêtement ou tube intérieur 12. Le tube extérieur présente une nervure hélicoïdale 13 d'une seule pièce avec la surface extérieure dit tube, et une rainure hélicoïdale 14 ménagée dans sa surface inté rieure. La rainure 14 présente le même con tour hélicoïdal que la nervure 1.3 et résulte des opérations de formation de la nervure qui vont être décrites.
Les parois dit tube 1.2 sont relativement minces en comparaison de celles du tube 11, et le tube 12 constitue un manchon dans le tube 11., sa surface extérieure étant en contact avec la surface intérieure de ce dernier. A sa surface extérieure, le tube 72 présente une saillie hélicoïdale 15 qui se loge dans la rai nure hélicoïdale 14 du tube 11, ce qui assure le verrouillage des deux tubes l'un sur l'autre. Comme on le verra plus loin, la saillie 15 est formée par extrusion de la matière du tube intérieur 1.2 dans une direction extérieure, en même temps que la matière du tube extérieur est chassée pour former la nervure hélicoïdale 13.
Le tube extérieur 11 et le tube intérieur 12 sont formés d'un métal différent. Les deux: tubes sont de préférence en des métaux non ferreux, le tube 1.1 étant de préférence en un métal léger, comme l'aluminium, et le tube 12 en cuivre. Bien que ces deux métaux présen tent des caractéristiques différentes, ils ont cependant des coefficients de dilatation suf fisamment voisins pour éviter un mouvement relatif appréciable entre les deux tubes sous l'effet de changements de température am biante.
L'aluminium est un métal avantageux pour constituer le tube 11, non seulement par suite de sa haute conductibilité thermique, mais aussi parce qu'il est, beaucoup phis fa cile à usiner et à extruder que beaucoup d'autres métaux, comme le cuivre par exem ple. En conséquence, le risque de rupture de l'outil est réduit à un minimum, ce qui di minue d'autant le coût de l'opération. La ten dance de l'aluminium à la corrosion en pré sence de certains fluides utilisés ordinaire ment dans les systèmes réfrigérants, par exemple, est combattue par l'emploi du revê tement intérieur de cuivre constitué par le tube 12.
En outre, le tube intérieur de cuivre tend lui-même à faciliter les opérations de brasage avec une soudure tendre ou à l'ar gent, et permet ainsi d'obtenir des joints très efficaces entre les tubes et les revêtements appropriés. Comme on le verra. plus loin, les deux tubes sont mécaniquement liés ensem ble pendant l'opération de formation des ner vures, et leur jointure est si étroite que la perte de conductibilité thermique est pratique ment négligeable. On a trouvé que cette perte dans le joint entre les deux tubes est de l'or- dre de 5 %.
Bien que la nervure hélicoïdale puisse être formée sur le tube extérieur 11 par différents procédés et au moyen de divers types d'ap pareils, on utilise de préférence le procédé et l'appareil décrits dans le brevet suisse N 281510 du 28 juin 1948. Ce procédé et cet appareil permettent. de former une nervure hélicoïdale à la. surface extérieure du tube 11 sans créer une tension appréciable dans la nervure et. pratiquement sans durcir le métal ni réduire sa ductilité.
Les fig. 3 à 6 représentent schématique ment une forme d'exécution d'un tel appareil. Ce dernier comprend un mandrin 16 d'un dia mètre extérieur sensiblement égal au diamètre intérieur du tube 12 et prévu pour être inséré dans ce dernier. L'appareil comprend égale ment trois rouleaux 17, 18 et 19 (fig. 3). Ces rouleaux sont placés à égale distance les uns des autres autour de l'axe du mandrin 16 et viennent s'engager avec la surface périphéri que du tube extérieur 11 quand ce dernier et le tube intérieur 12 sont supportés par le mandrin. Chaque rouleau présente une série de disques individuels dont les moyeux sont percés centralement pour recevoir un arbre 20, les moyeux étant fixés sur l'arbre au moyen d'une clavette.
Les axes des arbres 20, c'est-à-dire les axes des rouleaux, coupent l'axe du mandrin et forment avec celui-ci un angle tel que les rouleaux se déplacent selon une trajectoire hélicoïdale autour du tube extérieur 11, trajectoire qui correspond d'une manière générale à l'angle de l'hélice de la. nervure 13 à former sur le tube extérieur 11. La disposition est telle que les disques des rouleaux respectifs agissent réellement les uns avec les autres et coopèrent pour former une nervure hélicoïdale continue à. la surface périphérique du tube extérieur 1, de la, ma nière qui sera décrite.
Il faut noter (fig. 3) que les arbres 20 sont supportés respective ment par les extrémités libres de bras oscil lants 21 qui permettent aux rouleaux de se rapprocher ou de s'éloigner de l'axe du man drin 16. Les arbres 20 sont mis en rotation par un moteur (non représenté).
Le nombre de disques qui coopèrent pour former chaque rouleau peut varier considéra blement. Dans l'exemple représenté (fig. 4), chaque rouleau comprend sept disques 22 à 28. Les côtés opposés des portions périphéri ques des disques sont biseautés pour former des espaces 29 entre les disques adjacents, les disques présentant des surfaces 30 conver gentes, destinées à la formation de la nervure. Il faut noter, en outre (fig. 4), que les por- tions périphériques des disques augmentent progressivement de largeur, du premier dis que 22 au dernier disque 28, d'où il résulte que la largeur des espaces 29 entre les disques est réduite d'une manière correspondante.
Pour fabriquer l'élément, on glisse une certaine longueur de tube lisse 12 dans une certaine longueur de tube lisse 11, et on place les deux tubes sur le mandrin 16. On déplace les arbres 20, avec les rouleaux qu'ils portent, vers l'intérieur, en direction du tube 11, et on les verrouille dans la position la plus inté rieure représentée à la fig. 3, par des moyens non représentés. Par suite de la position an gulaire des axes des rouleaux par rapport aux deux tubes, les disques mordent progres sivement dans la surface périphérique du tube extérieur 11.
En vertu du frottement entre les disques rotatifs et cette surface, les deux tubes sont mis en rotation, et ils sont avancés axialement, de manière que les rouleaux aient une trajectoire hélicoïdale par rapport à l'axe des deux tubes.
Il résulte de ce qui précède que les dis ques de chaque rouleau appliquent une pres sion dans une direction générale radiale vers l'intérieur sur les portions périphériques dis posées sur une même hélice et axialement espacées du tube extérieur 17. et pressent la. matière constituant les tubes contre le man drin 16 avec une force suffisante pour dépla cer la matière du tube 11 d'abord axialement ; et ensuite latéralement vers l'extérieur dans les espaces 29 entre les disques adjacents. En d'autres mots, la. matière du tube 11 subit une extrusion vers l'extérieur dans les espa ces 29, et elle est façonnée par les surfaces i adjacentes des disques pour former la ner vure hélicoïdale 13.
Il faut noter que lorsque la matière du tube 11 est chassée radialement vers l'extérieur pour former la nervure 13, la rainure hélicoïdale 14 se forme dans la sur face intérieure du tube 11. Il est évident que cette rainure présente la même disposition hélicoïdale que la nervure 13, c'est-à-dire qu'elle coïncide avec la base de cette nervure.
Il résulte également de ce qui précède que lors de la. formation de la nervure une pres- Sion est appliquée également au tube inté rieur 12 contre le mandrin 16 et que la ma tière du tube 12 subit une extrusion vers l'ex térieur dans la rainure hélicoïdale 14 et cons titue la saillie 15. Ainsi, pendant l'opération de façonnage de la nervure, les deux tubes sont non seulement pressés en contact intime sur toute leur longueur, mais ils sont aussi verrouillés l'un sur l'autre en vertu de l'en gagement de la saillie hélicoïdale 15 dans la rainure hélicoïdale 14.
Bien que la forme de la nervure 13 soit déterminée d'une manière générale par le profil latéral des surfaces 30 formant les côtés opposés des espaces 29, le contour de la section transversale de la ner vure 13 ne se conforme pas néanmoins au con tour de la section transversale des espaces 29, comme le montre la présence des jeux 31 (fig. <B>7).</B> Ces jeux résultent d'un déplacement axial de la matière du tube extérieur 11 pen dant l'opération d'extrusion. On constate, en effet, un léger allongement du tube 11 par rapport. au tube 12, ce qui a pour effet de mater les saillies 15 dans la rainure 14 aidant à bloquer ainsi les deux tubes.
Les surfaces 30 sont meulées ou autrement usinées de manière à présenter un contour hé licoïdal ou, en d'autres mots, un contour ra= dialenrent incurvé et non rectiligne, de façon (Ire les portions périphériques des disques passent clans l'espace hélicoïdal entre les spi res adjacentes de la nervure, sans déplacer latéralement. cette dernière, ni créer une ten sion appréciable dans la matière. Il se pro- (luit évidemment un contact entre les dis ques respectifs et la matière de la nervure 13.
Les fi-. 5 et 6 représentent un tel disque en relation avec la nervure. Il faut noter are la surface sphéroïdale 30 d'un côté du disque est en contact avec la nervure en un point 32 situé au-dessus de l'axe du tube 11 et que la surface sphéroïdale du côté opposé du disque est en contact avec la nervure en un point 33 situé au-dessous de l'axe du tube 11. Cepen dant, la courbure des surfaces sphéroïdales sur les côtés opposés des disques est telle qu'aucune partie de ces surfaces n'interfère avec la nervure 13 formée, ni ne déplace cette dernière.
Ainsi, quel que soit le diamètre de la nervure à former, les rouleaux ne produi sent pas de durcissement. excessif de la ma tière chassée pendant le façonnage de la ner vure, mais en revanche ils serrent simple ment à guider la matière en extrusion vers l'extérieur dans les espaces 29.
La forme des surfaces radiales 30 des espaces 29 et la profondeur de ces derniers sont telles que la matière s'écoule relative ment librement dans ces espaces pendant l'opération d'extrusion. Ainsi, la densité de la matière constituant les nervures est très peu supérieure à la densité normale de la ma tière avant le façonnage des nervures.