Elément à chevilles La présente invention a pour objet un élé ment à chevilles, notamment destiné à aug menter la surface d'une paroi d'un échangeur de chaleur ou d'un élément d'échangeur de chaleur et à faciliter ainsi la fabrication et le montage commerciaux d'ensembles d'échange de chaleur extraordinairement efficaces.
On a déterminé par le calcul et on a dé montré par des expériences de laboratoire que, de tous les moyens connus pour augmenter la surface de plaques ou de tubes, le plus effi cace est constitué par un ensemble de chevil les ou filaments en forme de fil métallique et s'étendant dans des directions générales per pendiculaires auxdits plaques ou tubes, à leurs points de fixation à ces plaques ou à ces tubes, ces chevilles étant disposées transversa lement à l'écoulement du fluide.
Par exemple, lorsqu'on l'utilise sur des échangeurs de chaleur du type à plaques, le principe d'augmentation de la surface au moyen de chevilles impliquerait idéalement la fixation en bout de plusieurs chevilles en forme de fil métallique perpendiculairement aux pla ques et entre des plaques adjacentes. La di mension du fil métallique et l'espacement des chevilles sont choisis de manière à obtenir un coefficient optimum de transfert de chaleur pour un débit donné de fluide entre les pla ques.
Semblablement, les chevilles peuvent être disposées entre des tubes coaxiaux ou s'étendre à partir des deux surfaces extérieure et intérieure d'un seul et même tube, chaque cheville étant disposée radialement. Bien que des calculs et des expériences aient prouvé que les échangeurs de chaleur de ce type sont les plus efficaces qu'on connaisse, les surfaces augmentées au moyen de chevilles n'ont, pour autant qu'on le sache, trouvé que très peu d'utilisation hors des laboratoires à cause des difficultés qu'on a rencontrées jusqu'ici pour la fabrication de ces surfaces.
On se rendra compte que, pour produire un ensemble d'échange de chaleur de type commercial, il peut être nécessaire d'effectuer littéralement des millions de liaisons de fils métalliques .ou chevilles aux surfaces de séparation des flui des, parce que le coefficient de transfert de chaleur augmente avec le nombre des che villes par unité de surface et inversement au périmètre de ces chevilles.
La présente invention a pour but de faci liter la fabrication d'éléments de construction tels que des échangeurs de chaleur comportant des chevilles, des fils métalliques ou des sail lies analogues pour augmenter la surface de plaques ou de tubes de séparation de fluides. Elle a en particulier pour but de faciliter la construction d'ensembles d'échange de cha leur du type spécifié ci-dessus et dans lequel des chevilles ou saillies analogues sont reliées aux plaques ou aux tubes par brasage au four.
L'élément à chevilles faisant l'objet de la présente invention est caractérisé en ce qu'il est constitué par un tronçon de fil métallique de petit diamètre comprenant des parties de liaison alternant le long de ce fil avec des par ties intermédiaires dont chacune fait corps, à chacune de ses extrémités, avec les parties de liaison respectives entre lesquelles elle est dis posée, chacune desdites parties de liaison étant large et mince par rapport aux parties intermédiaires qu'elle relie entre elles et pré sentant une paire de faces opposées l'une à l'autre et de forme générale aplatie,
la plus grande partie de la section transversale de chaque partie intermédiaire étant apparente au raccordement de cette partie intermédiaire avec chaque partie de liaison à laquelle elle est reliée, et étant approximativement perpen diculaire à l'une des faces de ladite paire de faces de cette partie de liaison que cette sec tion transversale intersecte, cette face de la dite paire de faces étant décalée vers l'inté rieur du fil métallique, à partir de la surface de celui-ci, et des jointures desdites parties de liaison avec les parties intermédiaires étant facilement pliables,
de manière à permettre de plier l'ensemble selon une forme sinusoï dale en faisant osciller chaque partie intermé diaire dans le sens des aiguilles d'une montre autour de sa jointure avec l'une des parties de liaison auxquelles .elle est reliée et dans le sens contraire de celui des aiguilles d'une montre. autour de sa jointure avec l'autre de ces parties de liaison.
Il est bien connu dans la technique du brasage au four qu'afin d'obtenir un raccord intime et efficace, il doit y avoir une surface notable de contact étroit entre les pièces. Cela n'est pas possible Jdans les échangeurs de cha leur du type de base à chevilles dans lesquels des chevilles de relativement petit diamètre s'étendent entre des plaques ou tubes à partir de telles plaques ou de tels tubes.
On a cons taté qu'on pouvait obtenir un élément de transfert de chaleur facile à braser en formant, à partir de fil métallique de base, un élément sinueux comprenant des jambes en forme de colonnes et qui peuvent présenter la même sec tion transversale que le fil métallique original, ces jambes étant réunies les unes aux autres à leurs extrémités par des parties de liaison apla ties faites d'une pièce ,avec elles. Chaque jambe est de préférence perpendiculaire aux plans des parties de liaison aplaties coopé rantes.
Les bords de l'élément sinueux cons titués par les parties de liaison aplaties peu vent être formés de façon à se trouver dans des plans écartés l'un de l'autre et ces parties de liaison forment des pieds de surface nota ble susceptibles d'être facilement brasés à une paroi métallique plane, incurvée ou tubulaire.
Lorsque les éléments sinueux sont assemblés à des éléments destinés à constituer des bases et sont chauffés, la matière de brasage s'écoule facilement entre les parties de liai son aplaties et les plaques ou tubes, établis sant une liaison brasée de qualité irréprocha ble. Etant donné que les parties de liaison ne servent qu'à assurer une liaison préliminaire entre les chevilles, elles peuvent être très min ces, si bien qu'elles ne gênent pas appréciable- ment l'écoulement d'un fluide et que, en fait, elles peuvent remplir le but utile de favoriser une turbulence.
L'ensemble d'échange de cha leur achevé se rapproche énormément de l'en semble idéal de laboratoire dans lequel des chevilles distinctes sont reliées à des plaques ou à des tubes ou entre des plaques ou tubes et il peut, en fait, âtre supérieur à cet ensem ble idéal à cause de l'effet de turbulence pro duit par les parties de liaison.
Un ensemble d'échange de chaleur du type à plaques ou à tubes formé de la sorte présente l'avantage que les chevilles servent de support et empêchent les parois ou les tu bes en feuille métallique de s'écarter sous l'action d'un fluide sous pression.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, deux formes d'exécution et plu sieurs variantes de l'élément à chevilles faisant l'objet de l'invention.
Les fig. 1 à 6 illustrent différents stades d'une série d'opérations de formation de cette forme d'exécution.
La fig. 1 est une vue latérale d'un tron çon de fil métallique après une opération d'aplatissage. La fig. 2 est une vue de face d'une partie de liaison aplatie.
La fig. 3 représente le tronçon de fil mé tallique après une première opération de pliage.
La fig. 4 représente le fil métallique après une seconde opération de pliage.
La fig. 5 est une vue latérale de l'élément achevé.
La fig. 6 en est une vue en plan.
La fig. 7 est une vue latérale montrant un tronçon d'élément fixé entre des plaques. La fig. 8 est une vue de bout d'un ensem ble d'échange de chaleur du type à plaques. La fig. 9 est une vue schématique d'un noyau d'un échangeur de chaleur à écoule ments croisés comprenant des éléments à che villes.
La fig. 10 montre une variante d'éléments à chevilles enroulés autour et à l'intérieur de tubes. La fig. 11 montre un élément à chevilles fixé entre des bandes. La fig. 12 représente une deuxième va riante de la première forme d'exécution.
La fig. 13 représente une deuxième forme d'exécution dans laquelle les surfaces expo sées à l'écoulement d'un fluide peuvent étre recouvertes d'une matière résistant à la cor rosion. La fig. 14 représente plusieurs ensembles de chevilles disposés axialement le long d'un tube. La fig. 15 représente un tronçon de fil métallique après l'opération d'aplatissage que comprend la fabrication d'une troisième va riante d'élément sinueux à chevilles.
La fig. 16 est une vue en plan de la va riante obtenue à partir du tronçon de fil mé tallique représenté à la fig. 15.
La fig. 17 est une vue latérale de ladite variante. La fig. 18 en est une vue de bout. La fig. 19 est une vue partielle en plan et en coupe d'une quatrième variante compre nant des chevilles profilées.
La fig. 20 est une vue analogue d'une cin quième variante à chevilles profilées ; et la fig. 21 est une vue en élévation laté rale d'une sixième variante dans laquelle les surfaces des chevilles sont augmentées.
Les fig. 1 à 6 représentent une première forme d'exécution d'élément à chevilles et il lustrent divers stades de la fabrication de cet élément.
La première opération de la fabrication de l'élément à chevilles consiste à aplatir du fil métallique à intervalles réguliers, comme re présenté à la fig. 1, de manière à produire un organe allongé en forme de fil métallique com prenant des jambes 10 dont la section trans versale est celle du fil métallique original et des parties de liaison 11 qui sont aplaties. Bien que ce ne soit pas indispensable, il est préférable que chaque partie de liaison 11 comporte une partie aplatie striée 12 avec des encoches 13 sur sa surface opposée, ces parties de liaison étant automatiquement dé calées par rapport aux parties intermédiaires ou jambes 10.
L'opération d'aplatissage peut être exécutée de n'importe quelle manière ap propriée sur le fil métallique ondulé, comme représenté à la fig. 1. Les parties de liaison 11 sont beaucoup plus larges et beaucoup plus minces que les jambes 10, leur épaisseur étant tout au plus égale à la moitié ou encore mieux au quart du diamètre des jambes 10, et leur largeur étant notablement supérieure au diamètre desdites jambes.
Une seconde opération est exécutée en pliant le fil métallique en sens inverse, aux encoches 13, de façon à lui donner la forme représentée à la fig. 3. On remarquera que les parties d'extrémité 14 des jambes 10 se trouvent au voisinage du plan de la partie de liaison adjacente opposé à la surface striée 12 de cette partie.
La troisième opération ilustrée par la fig. 4 consiste à plier l'élément représenté à la fig. 3, de manière à le raccourcir et à amener les jambes 10 à être parallèles les unes aux au tres, leurs extrémités 14 étant alignées au voi sinage immédiat des bords extérieurs des par ties de liaison 11.
L'élément sinueux achevé S est représenté aux fig. 5 et 6. Les surfaces extérieures des parties de liaison sont aplaties et se trouvent dans le même plan que les extrémités plates adjacentes 14 des jambes 10, formant ainsi des surfaces planes 16 susceptibles d'être fa cilement brasées ou reliées de toute autre fa çon à un organe de support, le procédé de fixation utilisé dépendant de la composition des métaux à relier l'un à l'autre.
Bien que l'élément sinueux représenté aux fig. 5 et 6 puisse être d'utilité générale comme élément de construction, on estime qu'un tel élément est particulièrement utile lorsqu'au moins un de ses bords, c'est-à-dire une ou les deux rangées de parties de liaison 11 sont reliées à des feuilles-de support,- à des plaques ou à des tubes pour former un élément cons tituant en même temps un élément de cons truction et un dispositif d'échange de chaleur efficace. Par exemple, comme représenté à la fig. 7, l'élément sinueux S est soudé entre des plaques ou bandes 21 métalliques pour former un assemblage A.
Les parties de liaison 11 présentent une grande surface susceptible de venir en prise avec les bandes 21 avec les quelles l'élément S peut être relié par brasage au four.
Dans l'assemblage A, les jambes 10 servent de colonnes qui sont reconnues comme étant l'utilisation la plus efficace de métal pour ré sister à des charges de compression aussi bien que de traction. Ainsi, un assemblage tel que celui représenté à la fig. 7 peut être exécuté sous forme d'une feuille composite et être uti lisé comme élément de construction chaque fois qu'on a besoin d'une plaque légère et ro buste, par exemple pour un tablier de pont, pour un panneau destiné à être utilisé à bord d'un aéronef ou pour des applications analo gues. L'assemblage A se rapproche aussi énormément de la forme idéale pour un élé ment d'échangeur de chaleur qui, ainsi qu'on l'a déjà dit, comporte des chevilles s'étendant à partir de plaques et de tubes ou entre de telles plaques et de tels tubes.
Les parties de liaison 11 n'opposent qu'une très faible résistance à l'écoulement d'un fluide entre les plaques. De plus, les jam bes 10 servent de renforts empêchant la sépa ration des plaques au cas où le fluide circu lant entre celles-ci se trouve sous une pres sion élevée.
La fig. 8 est une vue en bout d'un élé ment H d'un échangeur de chaleur du type à plaques tel que celui représenté à la fig. 9. Les éléments sinueux S sont brasés au four entre des feuilles de tôle supérieure et infé rieure 22, et des parois latérales 23 forcent le fluide de s'écouler à travers l'élément.
Comme représenté à la fig. 9, plusieurs éléments H peuvent être disposés de façon alternée avec des éléments semblables<I>HI</I> pour former, comme indiqué par les flèches, un échangeur de chaleur du type à plaques et à écoulements croisés. Les éléments<I>HI</I> com prennent des parois latérales 23a qui sont dis posées perpendiculairement aux parois latéra les 23 des éléments H, de manière à diriger les écoulements des fluides de façon adéquate. Un échangeur de chaleur construit de la fa çon indiquée à la fig. 9 est non seulement ef ficace, mais peut être fabriqué rapidement et économiquement et être assemblé dans un four de brasage continu, de façon appropriée pour sa production en masse.
Les éléments sinueux S peuvent égale ment être disposés autour ou à l'intérieur de conduits tubulaires pour du fluide. Par exem ple, comme représenté à la fig. 10, un tube intérieur 31 porte un élément sinueux SI dis posé en spirale et relié à sa surface intérieure. Cet élément SZ présente une rangée extérieure de parties de liaison lla qui sont plus longues que les parties de liaison 11b de la rangée in térieure, de sorte que les jambes 10 s'éten dent dans des directions générales radiales.
Une rangée extérieure d'éléments sinueux S@ est reliée à la surface extérieure du tube 31, ses parties de liaison intérieures 11a étant également plus courtes que ses parties de liai son extérieures 11b. Pour délimiter un con duit pour l'écoulement du fluide extérieur d'échange de chaleur, un tube extérieur 32 est relié aux parties de liaison llb des éléments à chevilles S2. Il est évident qu'on pourrait supprimer l'un ou l'autre des tubes 31 et 32 ou l'une ou l'autre des rangées d'éléments à chevilles sinueux et qu'on pourrait aussi ajou ter d'autres rangées comportant des tubes sup plémentaires, selon l'utilisation à laquelle on désire affecter l'ensemble.
Pour certaines applications, et comme re présenté à la fig. 11, il peut être désirable de relier initialement les éléments à chevilles S entre des bandes parallèles 41 qui peuvent à leur tour être disposées côte à côte et étre re liées entre des feuilles, si on le désire. Ce mode de construction est utile lorsque les élé ments S sont faits d'un métal difficile à bra ser au four, par exemple d'acier inoxydable. Dans de telles conditions, les bandes 41 peu vent être faites d'une matière facile à braser, telle que l'acier ordinaire, et être soudées par résistance aux parties de liaison 11 des élé ments S.
L'assemblage A ainsi obtenu peut à son tour être brasé au four entre des feuilles d'une matière appropriée à ce procédé de liai son, parce que les bandes 41 sont également faites d'une matière facile à braser. Dans cer taines conditions, on peut également faire cou ler de la matière de brasage entre les soudu res des parties de liaison 11 aux bandes 41.
Afin de pouvoir l'utiliser à des tempéra tures élevées ou dans des applications dans lesquelles des fluides corrosifs passent sur les éléments d'échange de chaleur, il peut être dé sirable de s'assurer que toutes les surfaces de l'élément à chevilles soumises à l'action des fluides corrosifs soient faites d'une matière ré sistant à la corrosion, telle que de l'acier in oxydable. Comme mentionné ci-dessus, l'acier inoxydable ne convient pas pour les procédés ordinaires de brasage au four.
Cependant, selon la variante représentée à la fig. 12, il est possible de fabriquer un élément à chevilles résistant à la corrosion et dans lequel seules les surfaces soumises à l'action des agents corrosifs sont faites d'acier inoxydable, le reste de l'élément étant en acier ordinaire. Dans ce but, on fabrique l'élément à chevilles S3 en un métal résistant à la corrosion, par exemple en acier inoxydable. De plus, on forme des ban des composites 51 comprenant chacune une couche 52 d'un métal résistant à la corrosion et une couche 53 d'un métal facile à braser. Les couches 52 et 53 peuvent être reliées l'une à l'autre selon un procédé connu de placage ou selon n'importe quel autre procédé de liai son.
Les feuilles ou organes de séparation de fluides 54 peuvent être faits d'un métal facile à braser. Les éléments S3 sont tout d'abord soudés, de préférence par résistance, entre les bandes 51, celles-ci étant tournées de manière que les couches 52 résistant à la corrosion soient soudées aux parties de liaison 11.
Les éléments en forme de bandes ainsi constitués peuvent alors être disposés côte à côte entre les organes de séparation 54 et être reliés à ceux-ci de façon permanente, par bra sage ordinaire au four. La matière de brasage relie fermement les pièces, y compris les rac cords entre les bords des bandes 51. On se rend compte que, de la sorte, toutes les surfa ces soumises à l'action corrosive de fluides passant en contact avec l'élément d'échange de chaleur sont faites d'une matière résistant à la corrosion, mais que, néanmoins, l'assem blage et la liaison finale sont exécutés à grande vitesse par brasage au four au moyen d'un équipement commercial ordinaire et sans l'aide de fondants.
La fig. 13 représente une deuxième forme d'exécution d'éléments sinueux S4. Cet élé ment est obtenu en pliant les jambes 10 par rapport aux parties de liaison 11 dans le sens opposé à celui indiqué aux fig. 1 à 6. De la sorte, les extrémités 14 des jambes 10 sont amenées contre les extrémités des parties de liaison qui les recouvrent.
Les pièces sont reliées les unes aux autres par le métal de brasage qui coule entre les extrémités des jam bes 10 et les parties de liaison, de sorte que les extrémités de chaque partie de liaison qui se trouvent par-dessus les extrémités 14 des jambes 10 que cette partie de liaison relie entre elles forment respectivement des extré mités aplaties des jambes 10 résultantes.
Dans cette forme d'exécution comme dans la précédente, la chaleur peut librement cir culer à partir de et jusque dans chaque jambe, à travers la surface terminale de celle-ci. La fig. 14 représente un dispositif d'échan geur de chaleur tubulaire comprenant des ran gées d-'éléments sinueux S disposés dans le sens de leur longueur le long d'un tube 61, les parties de liaison 11 d'un des bords de cha que élément étant brasées sur la surface du tube. Il est évident que des éléments à che villes pourraient être brasés soit sur la surface intérieure, soit sur la surface extérieure du tube, et que d'autres tubes pourraient être ajoutés, comme représenté à la fig. 10.
Les fig. 15 à 18 représentent une variante présentant plusieurs avantages dont l'un, qui est important, consiste en ce que l'élément pré sente deux rangées de chevilles, ce qui réduit le nombre de pièces nécessaires pour fabri quer un échangeur de chaleur. Comme repré senté à la fig. 15, le fil métallique initial est façonné de manière à former des jambes 10 et des parties de liaison aplaties 11c. Cepen dant, au lieu d'être formées dans un même plan et d'être alternativement décalées comme dans les formes d'exécution décrites jusqu'ici, les parties de liaison successives 11c sont an- gulairement décalées les unes par rapport aux autres.
Dans la variante d'exécution représen tée, chaque partie de liaison est décalée de 450 par rapport à la précédente, de sorte qu'une première et une cinquième partie de liaison sont parallèles l'une à l'autre, mais sont décalées de 1800 et qu'une première et une neuvième partie de liaison sont parallèles et décalées de 360,), c'est-à-dire dans un même plan.
L'ébauche représentée à la fig. 15 est en roulée autour d'un mandrin approprié et est calibrée, et l'on obtient un élément sinueux et de section rectangulaire S4a dans lequel des rangées parallèles de jambes 10 sont reliées aux deux bords de l'élément par des parties de liaison 11c dont celles d'un bord sont parallè les les unes aux autres et s'étendent toutes dans une direction .telle qu'une ligne passant par les axes des deux jambes reliées entre elles par cette partie de liaison soit inclinée transversalement de 451) par rapport à la ran gée, comme représenté à la fig. 16.
Les par ties de liaison de l'autre bord de l'élément sont disposées selon une rangée qui s'étend dans le sens de la longueur de l'élément, ces parties de liaison étant parallèles les unes aux autres et s'étendant chacune dans une direc tion telle qu'une ligne passant par les axes respectifs des deux jambes reliées par cette partie de liaison soit inclinée transversalement par rapport à la rangée d'un angle différent de l'autre bord, le tout de façon que les pro jections desdites lignes inclinées sur une sur face parallèle aux bords de l'élément ait une forme de zigzag, comme représenté à la fig. 16.
Les angles donnés ci-dessus ne sont pas critiques, mais sont uniquement déterminés par l'angle de torsion entre les parties de liai son llc après la première opération d'apla- tissage. L'élément S4rz est un peu plus flexible que ceux représentés aux figures précédentes et peut facilement s'adapter pour être enroulé autour d'un tube ou à l'intérieur d'un tube. Semblablement, cet élément présente une base plus large et il est plus stable lorsqu'il forme une rangée entre des plaques ou des bandes. De plus, en fait, la mise en place de chacun de ces éléments à chevilles a pour résultat la mise en place de deux rangées de chevilles au lieu d'une seule.
La fig. 19 est une vue en coupe transver sale et à grande échelle des jambes 60 d'une variante d'élément à chevilles S5 dans laquelle le fil métallique initial utilisé présente une sec tion profilée. Les jambes produisent nécessai rement une turbulence dans un courant de fluide et, pour certaines applications, il peut être désirable de faciliter l'écoulement de fluide autour des chevilles en réduisant quel que peu la turbulence. 'est dans ce but que les jambes de l'élément S. ont une section pro- filée, le fluide s'écoulant en travers des par ties de liaison, comme représenté à la fig. 19.
Il est également possible de façonner les jambes au cours des opérations de fabrication d'un élément à chevilles sinueux, de manière à donner à ces jambes une section profilée. Dans ce cas, les éléments S6 peuvent être dis posés de manière que le fluide s'écoule paral lèlement aux parties de liaison, comme repré senté à la fig. 20.
Comme on peut le voir à la fig. 21, lors qu'on désire obtenir une efficacité de transfert de chaleur maximum, l'élément S7 comporte des jambes 62 façonnées de manière à présen ter une grande surface. A cet effet, les jambes sont, par exemple rainurées, filetées ou sou mises à des opérations analogues exécutées soit sur le fil métallique initial, soit au cours des opérations de façonnage de l'élément à chevilles sinueux. Il est évident que les dimensions relatives et les proportions de l'élément à chevilles dé crit dépendent de la nature et des fonctions de l'élément de construction ou d'échange de chaleur considéré.
Par exemple, pour des ap plications d'échange de chaleur, des propor tions et des dimensions typiques des chevil les peuvent être comprises entre 0,5 et 3,5 mm de diamètre, 3 et 20 mm de longueur et 1,5 et 8 mm de distance entre axes des chevilles. Il est évident qu'on pourrait aussi fabriquer des éléments à chevilles d'encore plus grandes dimensions.
Dans la présente description, on a mis l'accent sur les applications de l'élément à che villes à des échangeurs de chaleur. Cependant, ainsi qu'on l'a mentionné précédemment, on envisage également d'utiliser ces éléments pour fabriquer des panneaux de construction, des planchers, des parties de revêtement et des piè ces analogues excessivement légères et de construction particulièrement robuste.
On considère que le terme métal difficile à braser s'applique aux métaux dont les oxy des sont stables, c'est-à-dire présentent une faible pression de dissociation. Le chrome et ses alliages, par exemple, font partie de ce groupe. Inversement, l'expression métal fa cile à braser s'applique à un métal ou à un alliage dont les oxydes présentent une pres sion de dissociation élevée. Le cuivre, le fer, l'acier, etc., sont des exemples de métaux fai sant partie de ce groupe.