EP0176407B1 - Collecteur pour échangeur de chaleur, et échangeur de chaleur comprenant ce collecteur - Google Patents

Collecteur pour échangeur de chaleur, et échangeur de chaleur comprenant ce collecteur Download PDF

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EP0176407B1 EP85401713A EP85401713A EP0176407B1 EP 0176407 B1 EP0176407 B1 EP 0176407B1 EP 85401713 A EP85401713 A EP 85401713A EP 85401713 A EP85401713 A EP 85401713A EP 0176407 B1 EP0176407 B1 EP 0176407B1
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tubes
water box
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/0219—Arrangements for sealing end plates into casing or header box; Header box sub-elements
    • F28F9/0224—Header boxes formed by sealing end plates into covers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2255/00—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes
    • F28F2255/02—Flexible elements

Definitions

  • the invention relates to a manifold for a tube bundle heat exchanger, as well as a heat exchanger comprising this manifold and intended in particular for use in the automotive industry.
  • a collector, or tube plate, of such a heat exchanger can be constituted, in known manner, by a flat plate of rectangular shape, comprising holes in which the ends of the tubes are mounted for sealing, these holes being able to be defined by cylindrical tubular collars projecting from the plate, to improve the tightness of the mounting of the ends of the tubes.
  • the manifold can be made of plastic, which allows the ends of the sealing tubes to be mounted in the holes or collars of the manifold directly and without interposition of seals.
  • the water box which, conventionally, is mounted on the collector, is itself generally made of plastic material and is fixed in leaktight manner to the collector by welding.
  • This water box often includes an internal partition which extends perpendicularly to the collector and the free edge of which must be applied in leaktightness to the collector so as to divide the internal volume of the water box into two separate chambers in a substantially sealed manner.
  • This groove is intended to receive the free edge of the internal partition of the water box fixed to the collector.
  • the internal partition eventually deforms, its free edge always remains maintained in the groove of the manifold, between the two parallel ribs thereof, which guarantees a substantially sealed separation between the two chambers of the water box.
  • the invention provides a manifold for a heat exchanger, of the type described in the aforementioned document, which also has additional advantages.
  • the manifold for a tube bundle heat exchanger is characterized in that the opposite face of the manifold comprises two ribs parallel and identical to the ribs on the other face, the holes of said plate being defined by tubular collars projecting on each face of the plate, the ribs and the collars being identical and symmetrical on the two faces of the collector.
  • the collector can thus have a symmetrical structure, its two faces being identical to each other, which eliminates the risk of errors during the assembly of the heat exchanger.
  • the ribs which are formed on the face of the collector opposite the water box come to bear on the end fin of the bundle of tubes by forming a barrier opposing the circulation. air between the manifold and the beam end fin, in a direction perpendicular to that of the ribs.
  • said ribs when the holes are defined by tubular collars projecting from the collector, said ribs have, on each face of the collector, substantially the same height as the aforementioned collars and extend longitudinally on the collector .
  • the longitudinal orientation of the ribs can be defined as being perpendicular to the air flow which crosses the bundle when the exchanger is in service.
  • the ribs which are formed on the face of the collector opposite to the water box, and which have the same height as the collars, can come into contact with the end fin of the tube bundle and oppose an air flow, between the manifold and this end fin, in a transverse direction, that is to say perpendicular to the direction of said ribs.
  • the invention also relates to a tube bundle heat exchanger, comprising a collector of the aforementioned type and a water box fixed to the collector, this water box being formed with an internal partition which is perpendicular to the collector and whose edge is received in the groove formed by the aforementioned ribs of the collector.
  • This edge of the internal partition of the water box is advantageously fixed to sealing, for example by welding, in the groove of the collector.
  • the manifold 10, or tube plate, represented in FIGS. 1 and 2 consists of a flat molded plastic plate, with a rectangular outline, comprising cylindrical holes 12 arranged in rows and columns parallel to the edges of the plate 10 , and defined by tubular cylindrical collars 14 projecting on either side of the plate and thus having a height greater than the thickness of the plate.
  • the ends of the collars 14 can be chamfered internally, so that the ends of the holes 12 are slightly flared.
  • Each large face of the collector comprises two parallel ribs 16 projecting, defining between them a groove 18 and extending longitudinally on the collector and for example along the median longitudinal axis 20 thereof.
  • the ribs 16 terminate in the vicinity of the ends of the manifold and therefore extend over most of the length thereof.
  • the height of the ribs 16 projecting from the plate 10 forming the manifold is substantially equal to that of the collars 14, preferably.
  • the ribs 16 formed on one side of the manifold 10 are strictly identical to those formed on the other side and symmetrical thereof, so that the two faces of the manifold are strictly identical one to the other.
  • these ribs 16 could be offset from one another from one face to the other of the manifold.
  • This collector is intended for a heat exchanger shown partially in Figure 3, and which comprises a bundle of parallel tubes 22 which are provided with flat and parallel fins 24 crossed perpendicularly by the tubes 22 and fixed to the latter for example by crimping.
  • the ends of the tubes 22 are mounted in leaktight manner in the holes 12 of the manifold, for example using the elasticity of the plastic material constituting the manifold.
  • This known technique consists in introducing the ends of the tubes 22 into the holes of the collectors, then in radially expanding the ends of the tubes by deforming them plastically, but without exceeding the elastic limit of the material of the collector, then by canceling the forces of expansion radial ends of tubes.
  • the collars 14 defining the holes of the collector return to their initial shape, by radially contracting the parts 26 of tube lying between two parts 28 and 30 of tube which are not in contact with the collector and which remain radially expanded. This ensures simultaneous sealing between the ends of the tubes and the manifold, and the locking of the tubes in the holes of the manifold.
  • the end fin 24 of the tube bundle is applied over the entire length of the ribs 16 formed on the face of the manifold 10 facing towards said fins, l the end fin 24 is also applied, from place to place, on the ends of the collars 14 as shown in FIG. 3, when the ribs 16 and the collars 14 have the same height projecting from the collector 10.
  • a water box 32 of a conventional type, of which only a part is shown in FIG. 3, is then mounted on the collector 10 and fixed to the latter by welding, for example by ultrasound, the water box 32 having at this indeed a peripheral rim 34 welded on the corresponding face of the collector 10 in the vicinity of the periphery thereof.
  • the water box 32 is formed by molding with an internal partition 36 whose free edge 38 is received and welded in the groove 18 delimited by the ribs 16 of the corresponding face of the manifold 10.
  • the edge 38 of the internal partition 36 of the water box remains engaged between the ribs 16 of the manifold, and guarantees the sealing of the separation between the two chambers delimited in the water box by said internal partition 36.
  • the deformations of this partition 36 exert a stress at the weld between the edge 38 of this partition and the collector, but are not large enough for this edge 38 to come completely out of the groove bounded by the ribs 16.
  • the latter can be mounted in one direction or the other between the water box 32 and the tube bundle, which prevents any risk of error during assembly. of the exchanger.

Description

  • L'invention concerne un collecteur pour échangeur de chaleur à faisceau de tubes, ainsi qu'un échangeur de chaleur comprenant ce collecteur et destiné en particulier à être utilisé dans l'industrie automobile.
  • Un collecteur, ou plaque à tubes, d'un tel échangeur de chaleur peut être constitué, de façon connue, par une plaque plane de forme rectangulaire, comprenant des trous dans lesquels sont montées à étanchéité les extrémités des tubes, ces trous pouvant être définis par des collets cylindriques tubulaires en saillie sur la plaque, pour améliorer l'étanchéité du montage des extrémités des tubes.
  • De façon connue, le collecteur peut être réalisé en matière plastique, ce qui permet de monter les extrémités des tubes à étanchéité dans les trous ou collets du collecteur directement et sans interposition de joints d'étanchéité.
  • La boîte à eau qui, de façon classique, est montée sur le collecteur, est elle-même en général réalisée en matière plastique et est fixée de façon étanche au collecteur par soudure. Cette boîte à eau comprend souvent une cloison interne qui s'étend perpendiculairement au collecteur et dont le bord libre doit être appliqué à étanchéité sur le collecteur de façon à partager en deux chambres séparées de façon sensiblement étanche le volume interne de la boîte à eau.
  • Lors de l'utilisation de l'échangeur de chaleur, un liquide circule dans cet échangeur et, en particulier, dans la boîte à eau précitée, les deux faces de la cloison interne de celle-ci étant alors constamment en contact avec le liquide, ce qui, à la longue, finit par provoquer des déformations de cette cloison interne dont le bord libre se sépare de la face du collecteur sur lequel elle était appliquée ou fixée de façon sensiblement étanche, de sorte que la séparation étanche entre les deux chambres de la boîte à eau n'est plus assurée.
  • Pour remédier à cet inconvénient, il est connu, d'après le document FR-A-2 369 076, de prévoir un collecteur pour échangeur de chaleur à faisceau de tubes, ce collecteur étant constitué par une plaque de matière plastique comprenant des trous de montage des extrémités des tubes et, sur sa face extérieure au faisceau de tubes, deux nervures parallèles définissant entre elles une rainure qui s'étend entre les trous.
  • Cette rainure est destinée à recevoir le bord libre de la cloison interne de la boîte à eau fixée sur le collecteur. Ainsi, même si la cloison interne finit à la longue par se déformer, son bord libre reste toujours maintenu dans la rainure du collecteur, entre les deux nervures parallèles de celui-ci, ce qui garantit une séparation sensiblement étanche entre les deux chambres de la boîte à eau.
  • L'invention propose un collecteur pour échangeur de chaleur, du type décrit dans le document précité, qui présente encore des avantages supplémentaires.
  • Selon l'invention, le collecteur pour échangeur de chaleur à faisceau de tubes est caractérisé en ce que la face opposée du collecteur comprend deux nervures parallèles et identiques aux nervures de l'autre face, les trous de ladite plaque étant définis par des collets tubulaires en saillie sur chaque face de la plaque, les nervures et les collets étant identiques et symétriques sur les deux faces du collecteur.
  • Le collecteur peut ainsi avoir une structure symétrique, ses deux faces étant identiques l'une à l'autre, ce qui élimine les risques d'erreurs lors de l'assemblage de l'échangeur de chaleur.
  • Au surplus, lorsque l'échangeur est assemblé, les nervures qui sont formées sur la face du collecteur opposée à la boîte à eau viennent en appui sur l'ailette d'extrémité du faisceau de tubes en formant une barrière s'opposant à la circulation de l'air entre le collecteur et l'ailette d'extrémité du faisceau, dans une direction perpendiculaire à celle des nervures.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, lorsque les trous sont définis par des collets tubulaires en saillie sur le collecteur, lesdites nervures ont, sur chaque face du collecteur, sensiblement la même hauteur que les collets précités et s'étendent longitudinalement sur le collecteur. L'orientation longitudinale des nervures peut être définie comme étant perpendiculaire à l'écoulement d'air qui traverse le faisceau quand l'échangeur est en service.
  • Lorsque l'échangeur est assemblé, les nervures qui sont formées sur la face du collecteur opposée à la boîte à eau, et qui ont la même hauteur que les collets, peuvent venir en contact avec l'ailette d'extrémité du faisceau de tubes et s'opposer à un écoulement d'air, entre le collecteur et cette ailette d'extrémité, dans une direction transversale, c'est-à-dire perpendiculaire à la direction desdites nervures.
  • L'invention concerne également un échangeur de chaleur à faisceau de tubes, comprenant un collecteur du type précité et une boîte à eau fixée sur le collecteur, cette boîte à eau étant formée avec une cloison interne qui est perpendiculaire au collecteur et dont un bord est reçu dans la rainure formée par les nervures précitées du collecteur.
  • Ce bord de la cloison interne de la boîte à eau est avantageusement fixé à étanchéité, par exemple par soudure, dans la rainure du collecteur.
  • Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, dans lesquels :
    • - la figure 1 est une vue en plan d'un collecteur selon l'invention ;
    • - la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne II-II de la figure 1 ;
    • - la figure 3 est une vue partielle en coupe d'un échangeur de chaleur comprenant un collecteur selon l'invention.
  • Le collecteur 10, ou plaque à tubes, représenté dans les figures 1 et 2 est constitué d'une plaque plane en matière plastique moulée, à contour rectangulaire, comprenant des trous cylindriques 12 agencés en rangées et en colonnes parallèles aux bords de la plaque 10, et définis par des collets cylindriques tubulaires 14 faisant saillie de part et d'autre de la plaque et ayant ainsi une hauteur supérieure à l'épaisseur de la plaque.
  • Comme représenté dans les figures 1 et 2, les extrémités des collets 14 peuvent être chanfreinées intérieurement, de sorte que les extrémités des trous 12 sont légèrement évasées.
  • Chaque grande face du collecteur comprend deux nervures parallèles 16 en saillie, définissant entre elles une rainure 18 et s'étendant longitudinalement sur le collecteur et par exemple selon l'axe longitudinal médian 20 de celui-ci. Les nervures 16 se terminent au voisinage des extrémités du collecteur et s'étendent donc sur la majeure partie de la longueur de celui-ci. La hauteur des nervures 16 en saillie sur la plaque 10 formant le collecteur est sensiblement égale à celle des collets 14, de préférence.
  • Dans l'exemple de réalisation représenté, les nervures 16 formées sur une face du collecteur 10 sont strictement identiques à celles formées sur l'autre face et symétriques de celles-ci, de sorte que les deux faces du collecteur sont strictement identiques l'une à l'autre. Toutefois, ces nervures 16 pourraient être décalées les unes par rapport aux autres d'une face à l'autre du collecteur.
  • Ce collecteur est destiné à un échangeur de chaleur représenté partiellement en figure 3, et qui comprend un faisceau de tubes parallèles 22 qui sont munis d'ailettes planes et parallèles 24 traversées perpendiculairement par les tubes 22 et fixées à ces derniers par exemple par sertissage.
  • Les extrémités des tubes 22 sont montées à étanchéité dans les trous 12 du collecteur en utilisant par exemple pour cela l'élasticité de la matière plastique constituant le collecteur. Cette technique connue consiste à introduire les extrémités des tubes 22 dans les trous des collecteurs, puis à expanser radialement les extrémités des tubes en les déformant plastiquement, mais sans dépasser la limite élastique de la matière du collecteur, puis en annulant les forces d'expansion radiales des extrémités de tubes. Sous l'effet de leur élasticité, les collets 14 définissant les trous du collecteur reviennent à leur forme initiale, en contractant radialement les parties 26 de tube se trouvant entre deux parties 28 et 30 de tube qui ne sont pas en contact avec le collecteur et qui restent radialement expansées. On assure ainsi, simultanément, l'étanchéité entre les extrémités de tubes et le collecteur, et le verrouillage des tubes dans les trous du collecteur.
  • Lorsque les extrémités des tubes sont ainsi montées à étanchéité dans les trous du collecteur, l'ailette d'extrémité 24 du faisceau de tubes se trouve appliquée sur toute la longueur des nervures 16 formées sur la face du collecteur 10 tournée vers lesdites ailettes, l'ailette d'extrémité 24 étant également appliquée, de place en place, sur les extrémités des collets 14 comme représenté en figure 3, lorsque les nervures 16 et les collets 14 ont la même hauteur en saillie sur le collecteur 10.
  • Une boîte à eau 32 d'un type classique, dont seule une partie est représentée en figure 3, est ensuite montée sur le collecteur 10 et fixée à celui-ci par soudure, par exemple par ultrasons, la boîte à eau 32 présentant à cet effet un rebord périphérique 34 soudé sur la face correspondante du collecteur 10 au voisinage de la périphérie de celui-ci.
  • La boîte à eau 32 est formée de moulage avec une cloison interne 36 dont le bord libre 38 est reçu et soudé dans la rainure 18 délimitée par les nervures 16 de la face correspondante du collecteur 10.
  • Ainsi, en cours d'utilisation de l'échangeur de chaleur, le bord 38 de la cloison interne 36 de la boîte à eau reste engagé entre les nervures 16 du collecteur, et garantit l'étanchéité de la séparation entre les deux chambres délimitées dans la boîte à eau par ladite cloison interne 36. Les déformations de cette cloison 36, dont les deux faces sont en contact permanent avec le liquide circulant dans l'échangeur, exercent une contrainte au niveau de la soudure entre le bord 38 de cette cloison et le collecteur, mais ne sont pas suffisamment importantes pour que ce bord 38 sorte complètement de la rainure limitée par les nervures 16.
  • Comme indiqué plus haut, les nervures 16 formées sur l'autre face du collecteur et qui sont en appui sur l'ailette d'extrémité 24 du faisceau de tubes, forment une barrière s'opposant à la circulation de l'air entre le collecteur 10 et l'ailette d'extrémité 24 du faisceau, dans une direction perpendiculaire à celle des nervures 16.
  • Lorsque les deux grandes faces du collecteur 10 sont identiques, celui-ci peut être monté dans un sens ou dans l'autre entre la boîte à eau 32 et le faisceau de tubes, ce qui interdit tout risque d'erreur lors de l'assemblage de l'échangeur.

Claims (5)

1. Collecteur pour échangeur de chaleur à faisceau de tubes, ce collecteur étant constitué par une plaque de matière plastique comprenant des trous (12) de montage des extrémités des tubes (22) et, sur sa face extérieure au faisceau de tubes, deux nervures parallèles (16) définissant entre elles une rainure (18) qui s'étend entre les trous (12), caractérisé en ce que la face opposée du collecteur (10) comprend deux nervures (16) parallèles et identiques aux nervures (16) de l'autre face, les trous (12) de ladite plaque étant définis par des collets tubulaires (14) en saillie sur chaque face de la plaque, les nervures (16) et les collets (14) étant identiques et symétriques sur les deux faces du collecteur.
2. Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la rainure définie par deux nervures parallèles (16) s'étend selon l'axe longitudinal médian (20) du collecteur.
3. Collecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les nervures (16) ont sensiblement la même hauteur que les collets (14).
4. Echangeur de chaleur à faisceau de tubes, comprenant un collecteur selon l'une des revendications précédentes et une boîte à eau fixée sur le collecteur, caractérisé en ce que la boîte à eau (32) est formée avec une cloison interne (36) qui est perpendiculaire au collecteur (10) et dont un bord (38) est reçu dans ladite rainure formée par les nervures précitées (16) du collecteur, et en ce que les nervures (16) formées sur la face du collecteur opposée à la boîte à eau (32) sont appliquées sur une ailette d'extrémité (24) associée aux tubes (22) du faisceau, ces nervures (16) s'opposant ainsi au passage de l'air entre le collecteur (10) et l'ailette d'extrémité (24) dans une direction perpendiculaire à la direction des nervures.
5. Echangeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le bord (38) de la cloison interne (36) de la boite à eau est fixé à étanchéité, par exemple par soudure, dans ladite rainure (18).
EP85401713A 1984-09-14 1985-09-03 Collecteur pour échangeur de chaleur, et échangeur de chaleur comprenant ce collecteur Expired EP0176407B1 (fr)

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