EP0546969A1 - Enceinte cylindrique de grand diamètre destinée à recevoir des organes devant être refroidis - Google Patents

Enceinte cylindrique de grand diamètre destinée à recevoir des organes devant être refroidis Download PDF

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EP0546969A1
EP0546969A1 EP92440076A EP92440076A EP0546969A1 EP 0546969 A1 EP0546969 A1 EP 0546969A1 EP 92440076 A EP92440076 A EP 92440076A EP 92440076 A EP92440076 A EP 92440076A EP 0546969 A1 EP0546969 A1 EP 0546969A1
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EP
European Patent Office
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fins
enclosure
fin
ribbon
smooth
Prior art date
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EP92440076A
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German (de)
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EP0546969B1 (fr
Inventor
Christian Carlier
Pierre Desert
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Hamon Spiro Gills SA
Original Assignee
Hamon Spiro Gills SA
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C37/00—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape
    • B21C37/06—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape of tubes or metal hoses; Combined procedures for making tubes, e.g. for making multi-wall tubes
    • B21C37/15—Making tubes of special shape; Making tube fittings
    • B21C37/22—Making finned or ribbed tubes by fixing strip or like material to tubes
    • B21C37/26—Making finned or ribbed tubes by fixing strip or like material to tubes helically-ribbed tubes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
    • F28F1/34—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending obliquely
    • F28F1/36—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending obliquely the means being helically wound fins or wire spirals

Definitions

  • the present invention relates to a cylindrical enclosure of large diameter intended to receive members to be cooled by an external fluid such as in particular devices of the power electronics of a high speed train.
  • enclosures are used which must be cooled by an external fluid. These enclosures are intended in particular to contain different types of devices or apparatus necessary for the control or command of industrial installations as well as that of the power cars.
  • these fins must have the largest possible heat exchange surface in order to allow a satisfactory heat exchange efficiency.
  • a first type of fins used consists of straight fins.
  • These fins are produced by a metal ribbon which has been previously wound on a suitable machine, a ribbon which is wound on the body of the tube of small diameter by exerting a significant pressure to ensure their maintenance while forming a seat by knurling each side of the fin.
  • Such methods are limited to very small tubes, the diameter of which can only go up to a few centimeters.
  • the first disc provides a groove on the smooth face of the tube while the second disc guides the metal strip inside the said groove by exerting sufficient pressure on only one side of the fin in order to maintain it.
  • these fins can only be placed on tubes of small diameters.
  • they have the disadvantage of not being sufficiently maintained in the groove so that in certain types of use, this considerably reduces the efficiency of the heat exchange and therefore the calorific efficiency of the device.
  • This poor mechanical strength of the connection can also have the consequence of releasing the smooth surface of the tube so that this smooth surface is then subject to corrosion.
  • the present invention aims to remedy the drawbacks of the devices currently known by providing a large-diameter enclosure whose external surface is smooth which has excellent thermal efficiency, good resistance against corrosion as well as good mechanical resistance of the fins between them.
  • a surprising advantage of such enclosures lies in the fact that the fins have a distribution of localized radial undulations, which promotes the flow of the fluid, in particular by vortex phenomenon, this flow of the fluid causing an increase in the thermal efficiency.
  • the cylindrical enclosure to be cooled by an external heat transfer fluid is characterized in that it comprises a smooth external surface of large diameter covered on at least part of its external exchange surface thermal fins under tension by overlapping at least partially on at least part of their surface.
  • one of the aims of this process makes it possible to install fins, at a high and continuous rate, on large diameter cylindrical enclosures whose external surface is smooth without connecting the strip and therefore without causing loss of material, which considerably reduces the cost.
  • Another advantage of this process is that it is particularly well suited for enclosures which have a large diameter and whose surface is smooth.
  • Another advantage is that it allows an adjusted fitting of the fins ensuring that they are kept under tension between them.
  • Another object of this process is that it allows efficient recovery of the heat exchange surface.
  • the present invention relates to a cylindrical enclosure of large diameter intended to receive organs or devices to be cooled by an external fluid as well as a method of producing such enclosures and a device for its implementation.
  • the enclosure 1 is more particularly adapted to receive organs of the power electronics of a high speed train as will emerge from the description which follows.
  • this application is in no way limiting, and the size as well as the shape of the enclosure can vary to be adapted to receive other types of devices.
  • this enclosure can be applied in other heat transfer devices or any other cooling system.
  • an enclosure intended to receive the power electronics of a TGV has a diameter D of between 150 and 350 mm and a height H of between 400 and 800 mm.
  • the enclosure 1 has an outer surface 2 perfectly smooth and an inner surface 3 can also be smooth. It is made of all types of materials. In a preferred embodiment, it is made of aluminum but it could also be made of any other material or alloys of suitable materials according to requirements such as, for example, stainless steel, copper, copper-nickel alloy, tinned copper, etc.
  • the enclosure 1 has an annular groove 5 intended to receive a seal 6 when it is in the assembled position.
  • This distribution of fins 7 completely covers the heat exchange surface which corresponds to the part of the surface of the enclosure situated between the two ends 3 and 4.
  • These fins 7 are made of a material identical to that of the enclosure 1, that is to say aluminum. However, depending on requirements, these fins could be made of any other type of metal or metal alloy such as in particular copper, copper-nickel alloy, carbon steel or stainless steel, etc.
  • These fins 7 are arranged in a helical winding whose pitch A is determined.
  • the pitch A is determined as being the distance separating two successive fins 7 as it is more particularly illustrated in FIG. 2.
  • the pitch A which is a function of various parameters and in particular of the desired thermal efficiency as well as the nature and the shape of the fins 7, is adapted according to the use.
  • the pitch A and the number of fins which is on the enclosure 1 must be determined with precision.
  • the enclosure 1 must have 357 fins per meter with a tolerance of more or less 3 fins, that is to say that this enclosure 1 must have between 354 and 360 fins per meter.
  • step A Any excessive drop in step A also has the consequence of causing a pressure drop and therefore of reducing the transmission of energy. calorific.
  • each fin 7 may have the consequence of reducing the retention of the fins 7 between them as will be described later, as well as reducing the protection of the smooth external surface 2 of the enclosure 1 against corrosion.
  • Each fin 7, as more particularly illustrated in FIG. 3, has a body 10 which has a L-shaped cross-section.
  • This body 10 has a foot 11 and a base 12 whose dimensions are variable depending on the proper dimension of the fins and desired use.
  • the base 12 has knurling 13 on at least part of its surface to allow tensioning and effective recovery of each fin 7 by covering this knurling 13 by the lower part of the foot 11 of the adjacent fin 7.
  • this knurling 13 is arranged on a part of the surface of the base 12 sufficient to ensure its effective recovery by the foot 11 of the adjacent fin on a covering surface corresponding substantially to the knurled surface.
  • This overlap ensures that the fins are held together on the smooth external surface 2 of the enclosure 1 corresponding to the entire surface of the heat exchange.
  • This covering also ensures perfect mechanical strength which allows the enclosure to be used in all conditions.
  • the fins 7 have in cross section a shape of double L as more particularly shown in FIG. 4.
  • each fin 7 has a body 14 which comprises on the one hand a foot 15 and a base 16 covered by a base 17 and a foot 18 of the adjacent fin 7 and, on the other hand, a foot 19 and a base 20 intended to be covered also by a base and by a foot of another fin 7.
  • the base 16 and the base 20 also have a knurling 22 disposed on a part of the surface in order to increase the maintenance under tension of the fins 7 between them.
  • the fins 7 are adapted to present a large heat exchange surface which is maintained over time, as well as perfect mechanical strength of the fins 7 between them on the external surface 2 of the pregnant 1.
  • a surprising and unexpected aspect of the invention resides in the particular conformation of the fins as shown in FIG. 5.
  • the base 24 has over its entire periphery substantially in the vicinity of the base 25 a regular distribution of radial ripples 26.
  • This regular distribution of radial ripples 26 results, as will be described later, of the manufacturing process.
  • corrugations 26 offer an important advantage by allowing improved circulation of the heat transfer fluid, in particular by the effects of turbulence and eddies, which makes it possible to increase the heat exchange efficiency.
  • the invention also relates to a method for producing the enclosures 1.
  • the tension exerted, during the fitting of the fins 7, be sufficient so that they are held in a coherent manner with one another and that they cannot shift relative to one another which whatever the conditions of use.
  • Enclosure 1 is made using techniques conventional within the reach of the skilled person to allow to obtain enclosures 1 of large diameter whose external surface 2 is smooth over at least part of their total external surface corresponding to the heat exchange surface.
  • the pressure exerted during the fitting of the fins 7 is regulated by exerting a sufficient tensile force on the metal strip. 30 during the formation of the body 10 of the fin 7 and of its knurling while also exerting a retained action, synchronized or not, on the movement of the mechanical tape 30. These two actions combined, according to a force whose intensity is controlled, ensures tensioning of the fins 7 on the external surface 2 of the enclosure 1.
  • the critical tension must in this case be reached in order to ensure effective and homogeneous retention of the fins 7 as well as a precise adjustment of their position on the smooth external surface 2 of the enclosure 1.
  • the fins 7 are not sufficiently held together on the external surface 2 of the enclosure 1 so that they can separate during use. This separation is particularly frequent when these enclosures are subjected to significant mechanical or thermal stresses. This separation has the consequence of freeing an area from the surface 2 of the enclosure 1, which is therefore subject to corrosion. It follows that this corrosion can cause the formation of micro-cracks and therefore break the seal of the enclosure 1 which can lead to the stop of the operation of the high speed train.
  • the fins 7 by winding under pressure on the smooth external surface 2 of the enclosure 1 driven by a rotational movement, the fins 7 according to a distribution which here is helical.
  • the speed of rotation of the enclosure 1 is determined in order to ensure a desired distribution according to a determined pitch of the fins 7.
  • the metal is heated to an appropriate temperature by transmitting to the metal strip 30 sufficient heat energy during the operation of forming the body of the fin 7 and knurling the fin 7.
  • the metal strip is heated to a temperature between 20 and 50 ° C.
  • the speed of rotation of the cylindrical enclosure 1 is linked with that of the unwinding of the metal strip 30.
  • a surprising unexpected aspect of this process resides in the shape of the fins.
  • This radial distribution of corrugations 26 promotes the flow by turbulence of the fluids and therefore increases the heat exchange properties of the enclosure 1.
  • the invention also relates to a device for implementing the method.
  • This device comprises means 40 for producing the enclosure 1 of large diameter, the external surface 2 of which is smooth.
  • These means are of a conventional type and known to those skilled in the art and they will not be described in detail.
  • This device also comprises means 41 for storing the metallic strip 30 in the form of a reel.
  • These means 41 consist of a horizontal magazine 42, the dimensions of which may be adjustable as a function of those of the coil of metal tape 30. Of course, one could envisage the presence of several magazines of different sizes possibly superimposed or arranged side by side.
  • Means 43 are provided to exert an attraction on the metallic strip 30 which runs continuously. These means 43 are constituted by a wheel 45 rotated around a shaft actuated by motor members of a conventional type.
  • the speed of rotation of the wheel 45 and its size are: adjustable by conventional means within the reach of ordinary skill in the art.
  • Means 46 for exerting a retention of the continuous scrolling of the metallic strip 30 are provided. These means 46 consist of two pressure rollers 47 inside which the metal strip 30 passes.
  • the drive of the rollers 47 is independent of that of the wheel 45, but the combined action of these rollers 47 and of the wheel 45 has the consequence that the traction exerted by the wheel 45 associated with the retention of the metallic strip 30 exerted by the pressure rollers 47 makes it possible to place the fin 7 on the salt enclosure at a determined pressure and tension.
  • the device also has means 48 for forming the body 10 of the fin and for knurling this body 10.
  • These means 48 are constituted here by the rollers 47 which have on a part of its surface in the vicinity of its periphery a knurling and by a horizontal support table.
  • the passage of the metallic strip 30 on this horizontal table 49 and the combined action of the rollers 47 ensure both the formation of the body 10 of the fin in L or in double L as well as its knurling on a part of its surface.
  • the distribution and the dimension of the knurling, over a part of the surface of the body 10 of the fin 7 is of course adjustable to allow positioning and overlapping of the fins 7 ensuring satisfactory mechanical resistance of the different fins 7 between them when they are energized on the external surface 2 of the enclosure 1.
  • the device has means 50 for holding the cylindrical enclosure 1.
  • These means 50 consist of a mandrel 51 whose diameter is complementary to that of the enclosure 1.
  • the mandrel 51 is driven by a regular rotational movement synchronized or not with that of the knurled wheel 45 in order to allow regular positioning of the fins 7 on the smooth external surface 2 of the enclosure 1.
  • the mandrel 51 is driven by a regular rotational movement synchronized or not with that of the knurled wheel 45 in order to allow the fins 7 to be put in place at a determined pitch A.
  • the speed of rotation of the mandrel 51 is 7 to 8 revolutions per minute.
  • it is adjustable according to the desired step A.
  • the knurled wheel 45 includes means such as an electrical conductor allowing the passage of a current, an electrical resistance 52 or any other equivalent device.
  • the metal strip 30 passes in contact with the knurled wheel 45, it receives a certain amount of heat. It then becomes more malleable and can be more easily formed in L or double L.
  • Means 53 for controlling, regulating and synchronizing the operation of the device are also provided to ensure operation of the device under desired conditions of use.

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Abstract

1. Enceinte cylindrique devant être refroidie par un fluide caloporteur.
Selon l'invention, elle présente un grand diamètre et comporte une surface externe (2) lisse recouverte sur au moins une partie de sa surface d'échanges thermiques d'ailettes (7) mises sous tension en se recouvrant au moins partiellement sur au moins une partie de leur surface.
L'invention a également pour objet un procédé pour la réalisation de telles enceintes et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
Application à la mise en place d'organes devant être refroidis par un fluide externe et notamment d'appareils de l'électronique de puissance de moyens de transport.

Description

  • La présente invention a pour objet une enceinte cylindrique de grand diamètre destinée à recevoir des organes devant être refroidis par un fluide externe tel que notamment des appareils de l'électronique de puissance d'un train à grande vitesse.
  • Elle trouvera son application dans tous les domaines où il faut utiliser une enceinte devant contenir des appareils, éventuellement de précision, qui doivent être refroidis par un fluide caloporteur externe.
  • Dans de nombreux secteurs industriels tels que l'industrie chimique ou pétrochimique, l'industrie du traitement des déchets, l'industrie de l'énergie nucléaire ou de l'énergie classique, de même que dans celui de l'industrie du conditionnement d'air et du transport ferroviaire, on utilise des enceintes qui doivent être refroidies par un fluide externe. Ces enceintes sont destinées notamment à contenir différents types de dispositifs ou d'appareillages nécessaires au' contrôle, ou à la commande des installations industrielles ainsi qu'à celui des motrices.
  • Pour permettre cet échange thermique, on a par exemple recours à des ailettes disposées régulièrement sur la périphérie de la surface externe d'un tube, selon une répartition et une distribution variables en fonction de la nature de l'utilisation.
  • En outre, ces ailettes doivent présenter une surface d'échange thermique la plus importante possible afin de permettre un rendement d'échange thermique satisfaisant.
  • Pour cela, on connaît actuellement différents types d'ailettes dont la forme, la nature et la constitution dépendent en outre de leur utilisation et du résultat souhaité.
  • Ces ailettes sont placées sur des tubes de faibles diamètres ce qui en limite considérablement les possibilités d'utilisation.
  • C'est ainsi, que de tels tubes ne peuvent être utilisés que pour contenir des appareils de faibles dimensions ou pour assurer la circulation de fluides.
  • Un premier type d'ailettes utilisées est constitué par des ailettes droites.
  • Ces ailettes sont réalisées par un ruban métallique qui a été préalablement enroulé sur une machine adaptée, ruban que l'on enroule sur le corps du tube de faible diamètre en exerçant une pression importante pour assurer leur maintien tout en formant une assise par moletage de chaque côté de l'ailette. De tels procédés sont limités à des tubes de très faibles dimensions dont le diamètre peut aller uniquement jusqu'à quelques centimètres.
  • On peut également utiliser pour réaliser de telles ailettes, un dispositif qui comporte deux disques non coupants disposés perpendiculairement au corps du tube à recouvrir. Le premier disque ménage sur la face lisse du tube une rainure tandis que le second disque guide le ruban métallique à l'intérieur de la dite rainure en exerçant une pression suffisante d'un côté seulement de l'ailette afin d'assurer son maintien.
  • Dans une variante de réalisation, on peut également creuser une rainure non plus droite mais hélicoïdale sur la face externe de l'enceinte et repousser de part et d'autre le métal à l'intérieur de cette rainure. Pour ce faire, on introduit dans cette rainure le ruban métallique pré-enroulé en le tendant fortement. Les arêtes formées de part et d'autre sont écrasées et refoulées de chaque côté de l'ailette.
  • Quel que soit le mode de réalisation, ces ailettes ne peuvent être placées que sur des tubes de faibles diamètres. De plus elles présentent l'inconvénient de n'être pas suffisamment maintenues dans la rainure de sorte que dans certains types d'utilisation, cela diminue considérablement l'efficacité de l'échange thermique et donc le rendement calorifique du dispositif.
  • Cette mauvaise tenue mécanique de la liaison peut également avoir pour conséquence de libérer la surface lisse du tube de sorte que cette surface lisse est alors sujette à la corrosion.
  • Cette corrosion étant d'autant plus accentuée lorsque de tels tubes sont utilisés dans des atmosphères humides ou lorsque le fluide caloporteur est lui-même corrosif.
  • Pour remédier à ces inconvénients, on a pensé à réaliser des ailettes qui présentent un corps, en section transversale de L.
  • Pour ce faire, on réalise tout d'abord un moletage de la face externe du tube de faible diamètre puis on enroule le ruban métallique que l'on forme en L et que l'on molette en exerçant une pression sur le pied du L de manière à imbriquer chaque pied de L les uns dans les autres.
  • Grâce à ce contre-moletage de l'ailette en L ou en double L par rapport à la surface externe du tube, on réalise des tubes de faible diamètre dont les ailettes sont parfaitement maintenues à leur surface.
  • Cela permet d'assurer une bonne transmission de calories avec un minimum de pertes de charge.
  • De plus, avec de tels types d'ailettes, on obtient une meilleure protection de la surface externe du tube contre la corrosion ainsi qu'une possibilité d'utilisation dans des températures plus élevées.
  • Toutefois, de tels tubes doivent nécessairement avoir une surface externe que l'on peut moleter. Or, dans de nombreux types d'application, il est impossible de moleter la surface externe du tube puisqu'elle doit contenir des dispositifs ou des organes très fragiles voire précis qui sont disposés selon une configuration déterminée n'autorisant aucun moletage de la paroi externe du tube.
  • C'est notamment le cas d'enceintes qui doivent contenir des appareils d'électronique de puissance pour des trains à grande vitesse.
  • Avec de telles enceintes, on est donc confronter à un problème qui est celui de la mise en place d'ailettes qui doivent présenter une parfaite tenue mécanique malgré la surface lisse de l'enceinte.
  • Par ailleurs, il faut également que de telles enceintes permettent d'obtenir d'excellents résultats de rendement d'échanges thermiques quelles que soient les conditions d'utilisation.
  • Ce problème est encore accru car toutes ces enceintes sont généralement de très grands diamètres. Elles doivent en outre impérativement être protégées contre tout type d'agression chimique ou mécanique.
  • Dans ce cas, la solution des ailettes droites empilées voire soudées n'est pas satisfaisante.
  • Par ailleurs, lorsque de telles ailettes sont utilisées pour réaliser ces enceintes de grands diamètres, il est nécessaire d'avoir recours à des procédés qui génèrent une perte de matière importante ce qui accroît considérablement leur coût.
  • Il faut également noter que l'étanchéité de ces enceintes doit être totale vis-à-vis du fluide intérieur ainsi que vis-à-vis de l'atmosphère extérieure.
  • Enfin, ces enceintes sont soumises à des contraintes mécaniques qui peuvent être importantes et notamment à des vibrations pouvant générer une désolidarisation des ailettes par rapport au tube.
  • La présente invention vise à remédier aux inconvénients des dispositifs actuellement connus en fournissant une enceinte de grand diamètre dont la surface externe est lisse qui présente un excellent rendement thermique, une bonne tenue contre la corrosion ainsi qu'une bonne tenue mécanique des ailettes entre elles.
  • Par ailleurs, un avantage surprenant de telles enceintes réside dans le fait que les ailettes présentent une répartition d'ondulations radiales localisées, qui favorise l'écoulement du fluide notamment par phénomène de tourbillon, cet écoulement du fluide entraînant un accroissement du rendement thermique.
  • A cette fin, selon l'invention, l'enceinte cylindrique devant être refroidie par un fluide caloporteur externe est caractérisée par le fait qu'elle comporte une surface externe lisse de grand diamètre recouverte sur au moins une partie de sa surface externe d'échanges thermiques d'ailettes mises sous tension en se recouvrant au moins partiellement sur au moins une partie de leur surface.
  • L'invention a également pour objet un procédé de réalisation d'enceinte qui se caractérise par le fait que :
    • on réalise une enceinte cylindrique de grand diamètre dont la surface externe est lisse sur au moins la surface d'échange thermique ;
    • on déroule en continu un ruban métallique selon une vitesse déterminée ;
    • on applique sur le ruban une traction en réalisant un corps d'une ailette et un moletage du dit corps de l'ailette tout en exerçant une rétention du défilement du ruban ;
    • on dispose sous tension sur la surface externe lisse de l'enceinte cylindrique les dites ailettes selon une répartition déterminée.
  • L'invention a également pour objet un dispositif de mise en oeuvre du procédé qui se caractérise par le fait qu'il comporte :
    • des moyens pour réaliser une enceinte cylindrique de grand diamètre dont la surface externe est lisse ;
    • des moyens pour stocker un ruban métallique ;
    • des moyens pour exercer une traction, selon une vitesse déterminée sur le ruban métallique ;
    • des moyens pour retenir le dit ruban accouplé aux moyens pour exercer la traction du dit ruban ;
    • des moyens pour former le corps d'une ailette et moleter le dit corps de l'ailette ;
    • des moyens pour supporter l'enceinte cylindrique animée d'un mouvement de rotation ;
  • D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre qui n'est cependant donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter.
  • En outre, un des buts de ce procédé permet de réaliser une mise en place d'ailettes, selon une cadence élevée et en continu, sur des enceintes cylindriques de grand diamètre dont la surface externe est lisse sans raccordement du feuillard et donc sans entraîner de perte de matière, ce qui en réduit considérablement le coût.
  • Un autre avantage de ce procédé est qu'il est particulièrement bien adapté pour des enceintes qui présentent un grand diamètre et dont la surface est lisse.
  • Un autre avantage est qu'il permet une mise en place ajustée des ailettes assurant leur maintien sous tension entre elles.
  • Un autre but de ce procédé est qu'il permet un recouvrement efficace de la surface d'échange thermique.
  • L'invention sera bien comprise par la description qui va suivre accompagnée des dessins en annexe parmi lesquels :
    • la figure 1 est une vue schématique illustrant une enceinte conforme à l'invention,
    • la figure 2 est une vue schématique illustrant une enceinte conforme à l'invention dont on a partiellement coupé la face avant,
    • la figure 3 est une vue en coupe transversale d'une ailette en forme de double L,
    • la figure 4 est une vue schématique en coupe transversale d'une ailette en forme de double L,
    • la figure 5 est une vue schématique illustrant plus particulièrement une ailette,
    • la figure 6 est une vue schématique illustrant un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention.
  • La présente invention a pour objet une enceinte cylindrique de grand diamètre destinée à recevoir des organes ou des dispositifs devant être refroidis par un fluide externe ainsi qu'un procédé de réalisation de telles enceintes et un dispositif pour sa mise en oeuvre.
  • Elle trouvera son application dans tous les domaines où il est nécessaire de loger un appareil ou un dispositif, éventuellement complexe, fragile et de précision qui doit être refroidi par un fluide caloporteur externe.
  • L'enceinte 1 conforme à l'invention est plus particulièrement adaptée pour recevoir des organes de l'électronique de puissance d'un train à grande vitesse comme il ressortira de la description qui va suivre. Bien entendu, cette application n'est aucunement limitative, et la dimension ainsi que la forme de l'enceinte peuvent varier pour être adaptées à recevoir d'autres types de dispositifs.
  • C'est ainsi, que cette enceinte pourra s'appliquer dans d'autres dispositifs de transfert thermique ou tout autre système de refroidissement.
  • En se référant à la figure 1, on voit une enceinte 1 cylindrique de grand diamètre et d'une hauteur déterminée. A titre d'exemple, une enceinte destinée à recevoir l'électronique de puissance d'un TGV présente un diamètre D compris entre 150 et 350 mm ainsi qu'une hauteur H comprise entre 400 et 800 mm.
  • En se reportant à la figure 2, l'enceinte 1 présente une surface externe 2 parfaitement lisse et une surface interne 3 pouvant également être lisse. Elle est réalisée en tous types de matériaux. Dans un mode de réalisation préférentielle, elle est en aluminium mais elle pourrait être également en tout autre matériau ou alliages de matériaux appropriés en fonction des besoins tels que par exemple en acier inoxydable, en cuivre, en alliage cuivre-nickel, en cuivre étamé, etc.
  • A chacune de ses extrémités 3 et 4, l'enceinte 1 présente une gorge annulaire 5 destinée à recevoir un joint d'étanchéité 6 lorsqu'elle se trouve en position montée.
  • En effet, il est impératif dans l'utilisation de telles enceintes 1 pour réaliser des armoires électriques de train à grande vitesse que le fluide réfrigérant circule à l'extérieur de l'enceinte 1 sans pouvoir pénétrer à l'intérieur de celle-ci.
  • En outre, quelles que soient les conditions d'utilisation, liées aux variations de température ou de contrainte mécanique telles que vibrations, ces enceintes 1 doivent toujours restées parfaitement étanches. Toute introduction même minime d'un agent extérieur non désiré aurait par conséquence d'endommager l'électronique de puissance et donc d'immobiliser le train.
  • Sur la surface externe lisse 2 de l'enceinte 1 sont placées régulièrement espacées selon une répartition une superposition d'ailettes 7 conformes à l'invention.
  • Cette répartition d'ailettes 7 recouvre totalement la surface d'échange thermique qui correspond à la partie de la surface de l'enceinte située entre les deux extrémités 3 et 4.
  • Bien entendu, cette surface d'échange thermique peut varier en fonction des utilisations.
  • Ces ailettes 7 sont réalisées en un matériau identique à celui de l'enceinte 1 c'est-à-dire en aluminium. Toutefois, en fonction des besoins, ces ailettes pourraient être réalisées en tout autre type de métal ou d'alliage métallique tel que notamment en cuivre, en alliage cuivre-nickel, en acier carboné ou en acier inoxydable, etc.
  • Ces ailettes 7 sont disposées selon un enroulement hélicoïdal dont le pas A est déterminé. Le pas A, est déterminé comme étant la distance séparant deux ailettes 7 successives comme il l'est plus particulièrement illustré à la figure 2.
  • Le pas A, qui est fonction de différents paramètres et notamment du rendement thermique désiré ainsi que de la nature et de la conformation des ailettes 7, est adapté en fonction de l'utilisation.
  • Toutefois, il faut noter que, dans le cadre de l'application décrite, le pas A et le nombre d'ailettes qui se trouve sur l'enceinte 1 doivent être déterminés avec précision. A titre d'exemple, l'enceinte 1 doit comporter 357 ailettes par mètre avec une tolérance de plus ou moins 3 ailettes, c'est-à-dire que cette enceinte 1 doit comporter entre 354 et 360 ailettes au mètre.
  • En effet, dans ce type d'application, il est souhaitable d'avoir un nombre précis d'ailettes 7 disposées sur la surface externe lisse de l'enceinte 1 puisqu'il est impossible d'effectuer des raccordements.
  • Toute baisse trop importante du pas A a également pour conséquence d'entraîner une perte de charge et donc de diminuer la transmission de l'énergie calorifique.
  • Par ailleurs, l'écartement entre chaque ailette 7 s'il est trop important, peut avoir pour conséquence de diminuer le maintien des ailettes 7 entre elles comme il sera décrit ultérieurement, ainsi que de diminuer la protection de la surface externe lisse 2 de l'enceinte 1 contre la corrosion.
  • Chaque ailette 7, comme plus particulièrement illustrée à la figure 3, présente un corps 10 qui a en section transversale une forme de L. Ce corps 10 présente un pied 11 et une base 12 dont les dimensions sont variables en fonction de la dimension propre des ailettes et de l'utilisation désirée.
  • La base 12 présente sur au moins une partie de sa surface un moletage 13 pour permettre une mise sous tension et un recouvrement efficace de chaque ailette 7 par un recouvrement de ce moletage 13 par la partie inférieure du pied 11 de l'ailette 7 adjacente.
  • Dans un mode de réalisation, ce moletage 13 est disposé sur une partie de la surface de la base 12 suffisante pour assurer son recouvrement efficace par le pied 11 de l'ailette adjacente sur une surface de recouvrement correspondant sensiblement à la surface moletée.
  • Ce recouvrement permet d'assurer un maintien des ailettes entre elles sur la surface externe lisse 2 de l'enceinte 1 correspondant à toute la surface de l'échange thermique. Ce recouvrement assure également une parfaite tenue mécanique qui permet une utilisation de l'enceinte dans toutes les conditions.
  • Dans une variante de réalisation, pour accroître le maintien mécanique des ailettes 7 entre elles, sur la surface extérieure 2 de l'enceinte, les ailettes 7 présentent en section transversale une forme de double L comme plus particulièrement montré à la figure 4.
  • Dans ce cas, chaque ailette 7 présente un corps 14 qui comporte d'une part un pied 15 et une base 16 recouverte par une base 17 et un pied 18 de l'ailette adjacente 7 et, d'autre part, un pied 19 et une base 20 destinée à être recouverte également par une base et par un pied d'une autre ailette 7.
  • La base 16 et la base 20 présentent également un moletage 22 disposé sur une partie de la surface afin d'accroître le maintien sous tension des ailettes 7 entre-elles.
  • Quelle que soit la forme de réalisation des ailettes 7, elles sont adaptées pour présenter une surface d'échange thermique importante qui se maintient dans le temps, ainsi qu'une tenue mécanique parfaite des ailettes 7 entre elles sur la surface externe 2 de l'enceinte 1.
  • Un aspect surprenant et inattendu de l'invention réside dans la conformation particulière des ailettes telle que montrée à la figure 5.
  • En se référant à la figure 5, on voit que la base 24 présente sur toute sa périphérie sensiblement au voisinage du pied 25 une répartition régulière d'ondulations radiales 26. Cette répartition régulière d'ondulations radiales 26 résulte, comme il sera décrit ultérieurement, du procédé de fabrication.
  • Ces ondulations 26 offrent un avantage important en permettant une circulation améliorée du fluide caloporteur notamment par des effets de turbulences et de tourbillons, ce qui permet d'accroître le rendement d'échange thermique.
  • L'invention a également pour objet un procédé de réalisation des enceintes 1.
  • Un facteur important intervenant dans la réalisation de ces enceintes 1 réside dans la difficulté de mise en place sous tension des ailettes 7 sur une enceinte lisse de grand diamètre afin qu'elles se tiennent mécaniquement les unes aux autres.
  • En outre, il est souhaitable que la tension exercée, lors de la mise en place des ailettes 7, soit suffisante pour qu'elles soient maintenues de façon cohérente entre elles et qu'elles ne puissent pas se décaler les unes par rapport aux autres quelles que soient les conditions d'utilisation.
  • On réalise l'enceinte 1 par des techniques classiques à la portée de l'Homme de Métier pour permettre d'obtenir des enceintes 1 de grand diamètre dont la surface externe 2 est lisse sur au moins une partie de leur surface externe totale correspondant à la surface d'échange thermique.
  • Puis on déroule en continu un ruban mécanique 30 selon une vitesse déterminée.
  • Pour assurer une mise en place des ailettes 7 sous tension, sur la surface externe 2 lisse de l'enceinte 1, on régule la pression exercée au cours de la mise en place des ailettes 7 en exerçant une force de traction suffisante sur le ruban métallique 30 au cours de la formation du corps 10 de l'ailette 7 et de son moletage tout en exerçant également une action retenue, synchronisée ou non, sur le défilement du ruban mécanique 30. Ces deux actions combinées, selon une force dont l'intensité est contrôlée, permet d'assurer une mise en tension des ailettes 7 sur la surface externe 2 de l'enceinte 1.
  • La tension critique doit dans ce cas être atteinte pour assurer un maintien efficace et homogène des ailettes 7 ainsi qu'un ajustement précis de leur position sur la surface externe lisse 2 de l'enceinte 1.
  • En effet, si une tension insuffisante est exercée, les ailettes 7 ne sont pas suffisamment maintenues entre elles sur la surface externe 2 de l'enceinte 1 de sorte qu'elles peuvent se désolidariser au cours de l'utilisation. Cette désolidarisation est notamment fréquente lorsque ces enceintes sont soumises à des contraintes mécaniques ou thermiques importantes. Cette désolidarisation a pour conséquence de libérer une zone de la surface 2 de l'enceinte 1, qui de ce fait est soumise à la corrosion. Il en résulte que cette corrosion peut entraîner la formation de micro-fissures et donc rompre l'étanchéité de l'enceinte 1 ce qui peut conduire à l'arrêt du fonctionnement du train à grande vitesse.
  • De même, cette désolidarisation des ailettes 7 a pour conséquence de diminuer l'efficacité du rendement thermique de l'enceinte.
  • De même, si une tension trop importante est exercée sur le ruban métallique 30, en raison de sa faible épaisseur, il se déforme, et l'on ne peut plus alors réaliser d'ailettes 7.
  • On dispose ensuite, en enroulant sous pression sur la surface externe lisse 2 de l'enceinte 1 animée d'un mouvement de rotation, les ailettes 7 selon une répartition qui ici est hélicoïdale. La vitesse de rotation de l'enceinte 1 est déterminée afin d'assurer une répartition désirée selon un pas déterminé des ailettes 7.
  • Pour faciliter les déformations suffisantes du métal, on chauffe celui-ci à une température appropriée en transmettant au ruban métallique 30 une énergie calorifique suffisante lors de l'opération de formation du corps de l'ailette 7 et du moletage de l'ailette 7. A titre d'exemple, pour l'aluminium, on chauffe le ruban métalliques à une température comprise entre 20 et 50°C.
  • Il faut également noter que la vitesse de rotation de l'enceinte 1 cylindrique est liée avec celle du déroulement du ruban métallique 30. En effet, c'est notamment en fonction de cette vitesse de rotation de l'enceinte 1 que le pas A de l'ailette 7 est déterminé et que le positionnement correct des ailettes 7, c'est-à-dire le chevauchement et le recouvrement partiel de leur pied et de la base est parfaitement obtenu pour assurer un maintien sous pression des dites ailettes 7.
  • Par ailleurs, un aspect surprenant inattendu de ce procédé réside dans la forme des ailettes. En effet, en raison de la tension exercée sur le ruban métallique 30 lors de la mise sous tension des ailettes 7 sur la surface externe lisse 2 de l'enceinte 1, il apparait sur ces ailettes 7, une répartition radiale d'ondulations 26. Cette répartition radiale d'ondulations 26 favorise l'écoulement par turbulence des fluides et donc accroit les propriétés d'échanges thermiques de l'enceinte 1.
  • L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé.
  • Ce dispositif comporte des moyens 40 pour réaliser l'enceinte 1 de grand diamètre dont la surface externe 2 est lisse. Ces moyens sont d'un type classique et connu de l'Homme de l'Art et ils ne seront pas décrits en détails.
  • Ce dispositif comprend également des moyens 41 pour stocker le ruban métallique 30 sous la forme d'une bobine. Ces moyens 41 sont constitués par un magasin horizontal 42 dont les dimensions sont éventuellement ajustables en fonction de celles de la bobine de ruban métallique 30. Bien entendu, on pourrait envisager la présence de plusieurs magasins de tailles différentes éventuellement superposés ou disposés côte à côte. Des moyens 43 sont prévus pour exercer une attraction sur le ruban métallique 30 qui défile en continu. Ces moyens 43 sont constitués par une roue 45 entraînée en rotation autour d'un arbre actionnée par des organes moteurs d'un type classique.
  • La vitesse de rotation de la roue 45 ainsi que sa dimension sont: ajustables par des moyens classiques à la portée de l'Homme de l'Art.
  • Des moyens 46 pour exercer une retenue du défilement en continu du ruban métallique 30 sont prévus. Ces moyens 46 sont constitués par deux galets presseurs 47 à l'intérieur duquel le ruban métallique 30 passe.
  • L'entraînement des galets 47 est indépendant de celui de la roue 45, mais l'action combinée de ces galets 47 et de la roue 45 a pour conséquence que la traction exercée par la roue 45 associée à la retenue du ruban métallique 30 exercée par les galets presseurs 47 permet de placer l'ailette 7 sur l'enceinte sel on une pression et une tension déterminées.
  • Le dispositif présente également des moyens 48 pour former le corps 10 de l'ailette et pour moleter ce corps 10. Ces moyens 48 sont constitués ici par les galets 47 qui présentent sur une partie de sa surface au voisinage de sa périphérie un moletage et par une table support horizontale. Le passage du ruban métallique 30 sur cette table horizontale 49 et l'action combinée des galets 47 assurent à la fois la formation du corps 10 de l'ailette en L ou en double L ainsi que son moletage sur une partie de sa surface.
  • La répartition et la dimension du moletage, sur une partie de la surface du corps 10 de l'ailette 7 est bien entendu ajustable pour permettre un positionnement et un recouvrement des ailettes 7 assurant une tenue mécanique satisfaisante des différentes ailettes 7 entre elles lorsqu'elles sont mises sous tension sur la surface externe 2 de l'enceinte 1.
  • Par ailleurs, le dispositif possède des moyens 50 pour maintenir l'enceinte cylindrique 1. Ces moyens 50 sont constitués par un mandrin 51 dont le diamètre est complémentaire de celui de l'enceinte 1. Le mandrin 51 est entraîné par un mouvement de rotation régulier synchronisé ou non avec celui de la roue moletée 45 afin de permettre une mise en place régulière des ailettes 7 sur la surface externe 2 lisse de l'enceinte 1.
  • En outre, le mandrin 51 est animé par un mouvement de rotation régulier synchronisé ou non avec celui de la roue moletée 45 afin de permettre une mise en place des ailettes 7 selon un pas A déterminé. C'est ainsi que par exemple la vitesse de rotation du mandrin 51, est de 7 à 8 tours par minute. Bien entendu, il est ajustable en fonction du pas A désiré.
  • Pour assurer une transmission d'énergie calorifique, la roue moletée 45 comporte des moyens tels qu'un conducteur électrique permettant le passage d'un courant, une résistance électrique 52 ou tout autre dispositif équivalent.
  • Ainsi, lorsque le ruban métallique 30 passe au contact de la roue moletée 45, il reçoit une certaine quantité de chaleur. Il devient alors plus maléable et peut être plus facilement formé en L ou en double L.
  • Des moyens 53 pour commander, réguler et synchroniser le fonctionnement du dispositif sont également prévus pour assurer un fonctionnement du dispositif dans des conditions d'utilisation désirées.
  • L'invention n'est pas limitée à la seule forme de réalisation qui a été décrite ci-dessus, mais au contraire, elle en embrase toutes les variantes de réalisation.

Claims (11)

  1. Enceinte cylindrique 1 devant être refroidie par un fluide caloporteur, caractérisée en ce qu'elle présente un grand diamètre et comporte une surface externe (2) lisse recouverte sur au moins une partie de sa surface d'échanges thermiques d'ailettes (7) mises sous tension en se recouvrant au moins partiellement sur au moins une partie de leur surface.
  2. Enceinte selon la revendication 1, caractérisée en ce que les ailettes sont régulièrement réparties le long de la paroi externe lisse (2) selon les dispositions hélicoïdales à pas A déterminés.
  3. Enceinte selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps (10) de l'ailette (7) présente en section transversale une configuration sensiblement de L.
  4. Enceinte selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps (10) de l'ailette (7) en section transversale présente une configuration sensiblement de double L.
  5. Enceinte selon la revendication 1, caractérisée en ce que la base (12) de chaque ailette (7) présente sur au moins une partie de sa surface un moletage (13).
  6. Enceinte selon la revendication 1, caractérisée en ce que les ailettes présentent une répartition régulière d'ondulations radiales (26).
  7. Procédé de réalisation d'enceintes selon la revendication 1, caractérisé en ce que :
    - on réalise une enceinte (1) cylindrique de grand diamètre dont la surface externe (2) est lisse sur au moins la surface d'échange thermiques ;
    - on déroule en continu un ruban métallique (30) selon une vitesse déterminée ;
    - on applique au ruban (30) une traction en réalisant un corps (10) d'une ailette (7) et un moletage du dit corps (7) tout en exerçant en même temps une rétention du défilement du dit ruban (30) ;
    - on dispose sous tension selon une répartition déterminée sur la surface externe (2) de l'enceinte cylindrique (1) des ailettes (7).
  8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on dispose selon une répartition hélicoïdale à pas A déterminé les ailettes (7).
  9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on transmet une énergie calorifique au ruban métallique (30) pour faciliter la formation du corps (10) de l'ailette (7).
  10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on synchronise la vitesse de mise en place des ailettes (7) avec la vitesse de défilement du ruban (30).
  11. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte :
    - des moyens (40) pour réaliser une enceinte cylindrique de grand diamètre dont la surface externe 2 est lisse,
    - des moyens (41) pour stocker un rouleau de ruban métallique,
    - des moyens (43) pour exercer une traction, selon une vitesse déterminée sur le ruban (30),
    - des moyens (46) pour retenir le ruban accouplé au moyen (43) pour exercer une traction sur le dit ruban (30),
    - des moyens (48) pour former et moleter le ruban (30) sous la forme d'une ailette (7),
    - des moyens (50) pour maintenir l'enceinte cylindrique animée d'un mouvement de rotation,
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