EP1376039A1 - Echangeurs multitubulaires et procédé de fabrication de ces échangeurs - Google Patents

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EP1376039A1
EP1376039A1 EP03358008A EP03358008A EP1376039A1 EP 1376039 A1 EP1376039 A1 EP 1376039A1 EP 03358008 A EP03358008 A EP 03358008A EP 03358008 A EP03358008 A EP 03358008A EP 1376039 A1 EP1376039 A1 EP 1376039A1
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shell
calender
cavity
exchanger according
tubular
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Gérard Mota
Jean-Claude Ebren
Michel Cremieux
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MOTA
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
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    • F28F2265/00—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction
    • F28F2265/32—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for limiting movements, e.g. stops, locking means

Definitions

  • the present invention relates to improvements made to the shell-and-tube heat exchangers and methods of manufacturing these exchangers.
  • the invention is particularly applicable to heat exchangers between a first fluid flowing in a plurality of tubes forming a multitubular bundle, and a second fluid circulating around the tubes, in a delimited cylindrical cavity by a hollow body (or calender) in which the bundle of tubes extends;
  • the invention particularly applies to exchangers for internal combustion engines, gearboxes, inverters, compressors, hydraulic units ...; in this type of exchanger, the transfer of thermal energy between the hot source and the cold source is carried out in particular by conduction through the wall of the tubes; in order to get a flow of energy transfer (and / or a heat exchange coefficient) sufficient,
  • the tubes are made of a material having a high thermal conductivity, such as an alloy metal based on copper, aluminum, nickel, titanium or stainless steels.
  • the invention applies in particular to such exchangers comprising two tubular plates pierced with a plurality of orifices; each of the two ends of each of the tubes is engaged in one of the orifices of a tube plate and is sealingly secured to this plate, in particular by brazing, welding or swaging.
  • the tubular bundle may comprise, in addition to the tubes and the tube plates end, baffles for guiding the flow of the second fluid to inside the hollow body; these baffles are usually basically formed by thin plates extending transversely to the tubes and parallel to the end tube plates, are evenly spaced along tubes and close part of the cross section - usually circular - hollow body, for guiding the second fluid; the beam may also include fins crimped or otherwise bound to the outer surface of the tubes of the bundle; he may have other secondary surfaces.
  • Such exchangers generally comprise, in addition, at each of its two longitudinal ends, a cap (water box) covering respectively a said tubular plates, and allowing either the connection of the exchanger to two conduits (external to the exchanger) for transporting the first fluid, ie the guiding of this fluid in the case of a cap "blind", ie devoid of connection to a external conduit.
  • the hollow body is provided with an inlet orifice of the second fluid in the said cavity as well as an outlet of this fluid;
  • the hollow body is usually consisting of a generally tubular piece provided with each of its two longitudinal ends of an annular flange; each flange is pierced with several orifices extending along the longitudinal axis of the exchanger and receiving screws - or similar fastening members - for securing to the body, in a sealed manner, at least one of the tubular plates and the two caps.
  • the body of small exchangers (especially of larger smaller diameter 0.25 meter) is usually made by casting (without pressure) an alloy metal, the body and the flanges being molded in one piece; this technique has drawbacks: the internal face of the body must be machined all over its length to have roughness and geometric quality compatible with the use made of it; the outer faces of the flanges must also be erect; these moldings frequently have defects in their mass resulting in a porosity that is incompatible with the function of the watertight wall must complete; in addition, these defects can not be validly controlled only after mechanical machining (boring, turning ...); we are thus led to put waste expensive parts; the technique of molding without pressure (in sand molds) further prevents thin walls.
  • An object of the invention is to propose such exchangers which are improved, as well as a method of manufacturing these exchangers which makes it possible to reduce the cost.
  • the invention consists in proposing such exchangers in which a mutual engagement of the shell and the beam forms a stop to inside the cavity defined by the grille, which prevents or restricts a displacement the beam with respect to the shell; generally, this reciprocal commitment at least partly results from an enlargement of at least one part of the beam tube, either of a narrowing of the cavity delimited by the shell, or of a combination of the two, so as to form a positioning stop for the multitubular beam.
  • This mutual commitment may result from a deformation of a part of the beam and / or part of the shell, or the insertion of a member abutment (or shoulder) inside the cylindrical cavity defined by the calender; in all cases, these deformations and / or insertions are made after the beam was introduced and correctly positioned inside the grille.
  • baffles that do not have a central symmetry, as is the case for baffles in disc form described in EP 1 146 310; this allows in particular to use baffles in the shape of a disk portion - or disc cut - and a multitubular bundle comprising one or more tubes extending according to - or immediate proximity to - the central longitudinal axis of the beam; therefore, the distribution and / or number of beam tubes can be improved (increased) - for a cavity of determined volume -, and the efficiency and / or compactness of the exchanger is thus also increased.
  • this stop is partly at least achieved by a protrusion provided on the inside of the shell of the shell, so that it is not necessary to manufacture for this purpose a separate part of the calender.
  • this protrusion or narrowing forming an abutment extends over only part of the inner transverse circular contour of the shell.
  • the realization of this stop is further simplified by making it around one of the orifices fluid inlet and outlet into the cavity defined in the shell, in particular by pushing at least a portion of a flange towards the inside of the cavity; in complement or alternatively, the projection can be made on the periphery of a wall thin beam, in particular a tab integral with a tube plate of the beam, by pushing this thin wall or tongue towards the outside of the cavity, to obtain either a rigid frictional connection between the beam and the shell, or blockage by penetration of the wall or tongue into an orifice formed in the wall the calender, in particular in one of said fluid inlet or outlet ports.
  • this projection can be incorporated into the end of a connecting piece of the shell to a conduit of this transport fluid - hereinafter referred to as second fluid -; for example, this projection may consist in a tubular portion extending a connection screwed into a threaded hole provided in the shell of the shell this can make it possible to obtain a rigid connection between the beam and the grille, which is reversible (removable).
  • this projection is essentially constituted by a portion of the wall of the shell, and is provided (and / or extends) around one of said orifices (fluid inlet and outlet) at least; preferably, the abutment or projection is capable of engaging in a depression or indentation provided for in periphery of a part of the tubular bundle - preferably at the periphery of a part of a tubular plate.
  • this piece which includes a first part in the form of disc pierced with through holes and beam tube attachment, and a second tube-shaped part or circular flange extending longitudinally to from the inner face of the first disc-shaped part, preferably an indentation or depression of substantially circular profile and a diameter adapted to the dimensions of the protruding abutment on the inner face of the calender, this notch or depression being integrated in the second part of the tubular plate.
  • such integral protruding abutments are realized by deformation of a flange provided in the wall of the shell, at the inner end a conduit for passing the second fluid provided in this wall; this method of achievement is particularly simple and inexpensive; this deformation must usually be done after putting the tube bundle at its location in the cavity defined by the shell.
  • the invention proposes a beam exchanger tubular shell and multitubular, the bundle having two tubular plates, at least one plate - and preferably each - plate comprising: i) a first disk-shaped portion pierced with orifices receiving the tubes of the bundle; the case (ii) a second part extending from the inside of the first part and incorporating either a housing adapted to receive a stop projecting from the inner face of the shell, an expansive wall or tongue designed for engage - after deformation - in an orifice formed in the wall of the shell; iii) a third portion of tubular form extending from the outer face of the first part, and intended to be engaged in one end of a transport of the first fluid fixed to the third part of the plate by fitting forced and / or by strapping; preferably, the third tubular portion comprises at this effect an external annular rib.
  • the exchanger 1 comprises a calender 2 of axis longitudinal 3, and a tubular bundle housed in the cavity defined in the shell; the shell has a plurality of flat outer faces 4 to 13 (see FIG. 3) elongate and parallel to the axis 3; on the face 10 open two channels 14 and 15 of connecting the cavity defined by the shell to a fluid such as oil to cool.
  • the calender is obtained by extrusion of aluminum; the resulting profile is quenched and cut into sections such as that illustrated in FIGS. 2 and 3; each end longitudinal axis is machined to obtain a chamfer 16, 17 facilitating the introduction of the tubular bundle equipped with two annular sealing seals (pins 19, 20 in FIG. 8) in the cavity 18 defined by the shell without damaging the seals.
  • the walls 10 to 12 delimit a longitudinal rib 23 parallel to the axis 3, in which are drilled the channels 14, 15 of axes 21 and 22 radial.
  • each duct 14, 15 comprises a portion external threaded end 24 extending from the face 10 to allow the screwing of a fitting not shown; the internal part of the conduit through which it leads to the cylindrical inner face 25 of the cavity 18, has a diameter 26 less than diameter 27 of the orifice through which the conduit opens on the face 10; this results from the presence of an annular collar 28 formed in the wall 23 during the drilling of conduits 14, 15 by a profiled drill for this purpose; the flange 28 has a thickness 29 sufficiently weak (for example of the order of 1 to 2 millimeters) to be able to be deformed by the action of a tool pressed on the inner face 30 inclined, according to the arrow Figure 4; this allows to pass at least part of this collar of the initial configuration - reference 28 figure 4 - where the flange is flush with face 25, at the final configuration - marked 28a figure 4 - where the deformed flange protrudes relative to the face 25, a value 32, for example close to one or two millimeters
  • This mode of deformation of the collar requires the use of a material having sufficient elongation at break, for producing the calender; at this effect, the use of extruded and tempered aluminum is more favorable than of cast aluminum and / or injected.
  • the hollow section (or tubular bar) used to form the shell can be obtained by plastic extrusion, or by hot-spinning or cold-drawing of a metal, in particular an aluminum alloy, copper or steel.
  • the beam 34 comprises a plurality of tubes 35 parallel to its longitudinal axis 33, a plurality of baffles 36, 37 planes perpendicular to the axis 33, and two end pieces 38.
  • the contour of the baffles 36, 37 is largely circular (in diameter adapted to that of the cavity 18) and partly rectilinear 36a, 37a, so that the baffles have a truncated disc shape; the baffles 36 having their edge rectilinear 36a in the lower part are arranged, along the axis 33, alternately with the baffles 37 having their straight edge 37a at the top, so that these baffles delimit with the grille a labyrinth forcing the second fluid following a winding path 39 figure 5.
  • Each piece 38 has a first portion 380 in the form of a thick disc in which holes are drilled receiving the ends 350 of the tubes 35; this part, which extends transversely to the axis 33, form the tube plate cleanly called.
  • the first part 380 is extended at the periphery of its internal face 3800 by a second portion 381 of the piece 38, which is shaped like a short stretch of thin tube of axis 33; at one end of this section, a notch 3810 is formed in the tubular wall of the section, which extends in a circular pattern whose diameter 40 is adapted to the dimensions (in particular to the diameter) of the projection 28a ( Figure 4) formed on the inner face of the calender.
  • the first part 380 of the piece 38 is further extended on the periphery of its outer face 3801 by a third part 382 of the part 38 which is roughly in the form of a section of tubular shaft 33 and whose outer face has a groove ring 41 provided for receiving one of the seals (19, 20 FIG. calender, and an annular rib 42 protruding from the portion 3820 central of that Part 382; the latter can thus, as illustrated in FIG. 7, receive one end of a connecting tube 43 force-fitted around the rib 42 and the cylindrical portion 3820 against which the tube 43 can be held tight by a strapping collar not shown.
  • each of the notches provided in the end pieces is arranged respectively opposite the inlet and outlet ports 14, 15 and receives a portion of the annular projections extending these openings, so that the beam is immobilized in the calender.
  • the tubular portion 381 of axis 33 extending the tubular plate 380 of the bundle comprises a tongue-shaped portion 3811 which has been deformed after positioning the beam in the shell, so that it extends inside the orifice 14 of fluid passage, bearing against the wall delimiting this orifice; the tongue 3811 prevents a sliding of the beam in the calender, according to their common axis 3, 33 in the direction marked by the arrow 100; in further equipping the second tubular plate (not shown) of the same exchanger of such a tongue, it is also forbidden such a sliding in the opposite direction, as well as a rotation of the beam.
  • a tubular sleeve 99 extends to the inside of the conduit 14 of fluid passage pierced in the rib 23 of the shell, along the axis 21 of the conduit 14, on the walls of which leads this sleeve rests.
  • the sleeve 99 protrudes from the inner face of the calender; from this done, it is engaged in a notch 3810 identical or similar to that described above, so that it limits the sliding of the beam in the calender; by equipping in addition a second duct (as marked 15) by a second sleeve protruding inside the grille, the sliding and rotation of the beam in the grille.

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Abstract

La présente invention est relative à un échangeur (1) à faisceau multitubulaire et calandre (2), qui comporte un engagement mutuel de la calandre et du faisceau, qui forme une butée à l'intérieur de la cavité délimitée par la calandre, qui empêche ou limite un déplacement du faisceau par rapport à la calandre. Elle concerne également un procédé de fabrication d'un tel échangeur (1) de chaleur. <IMAGE>

Description

La présente invention est relative à des améliorations apportées aux échangeurs de chaleur multitubulaires à calandre et à des procédés de fabrication de ces échangeurs.
L'invention s'applique particulièrement aux échangeurs de chaleur entre un premier fluide circulant dans une pluralité de tubes formant un faisceau multitubulaire, et un deuxième fluide circulant autour des tubes, dans une cavité cylindrique délimitée par un corps creux (ou calandre) dans lequel s'étend le faisceau de tubes ; l'invention s'applique notamment aux échangeurs pour moteurs thermiques, réducteurs, inverseurs, compresseurs, groupes hydrauliques... ; dans ce type d'échangeur, le transfert d'énergie thermique entre la source chaude et la source froide s'effectue notamment par conduction au travers de la paroi des tubes ; afin d'obtenir un flux de transfert d'énergie (et/ou un coefficient d'échange thermique) suffisant, les tubes sont réalisés en un matériau ayant une conductivité thermique élevée, tel qu'un alliage métallique à base de cuivre, d'aluminium, de nickel, de titane ou d'aciers inoxydables.
L'invention s'applique en particulier à de tels échangeurs comportant deux plaques tubulaires percées d'une pluralité d'orifices ; chacune des deux extrémités de chacun des tubes est engagée dans un des orifices d'une plaque tubulaire et est solidarisé de façon étanche à cette plaque notamment par brasage, soudage ou dudgeonnage.
Le faisceau tubulaire peut comporter, outre les tubes et les plaques tubulaires d'extrémité, des chicanes pour le guidage de l'écoulement du deuxième fluide à l'intérieur du corps creux ; ces chicanes sont généralement essentiellement constituées par des plaques minces s'étendant transversalement aux tubes et parallèlement aux plaques tubulaires d'extrémité, sont régulièrement espacées le long des tubes et ferment une partie de la section transversale - généralement circulaire - du corps creux, pour guider le deuxième fluide ; le faisceau peut également comporter des ailettes serties ou autrement liées à la surface externe des tubes du faisceau ; il peut comporter d'autres surfaces secondaires.
De tels échangeurs comportent généralement en outre, à chacune de ses deux extrémités longitudinales, une calotte (boíte à eau) recouvrant respectivement une desdites plaques tubulaires, et permettant soit le raccordement de l'échangeur à deux conduits (externes à l'échangeur) de transport du premier fluide, soit le guidage de ce fluide dans le cas d'une calotte « borgne », c'est à dire dénuée de raccordement à un conduit externe.
Le corps creux est doté d'un orifice d'entrée du deuxième fluide dans ladite cavité ainsi que d'un orifice de sortie de ce fluide ; le corps creux est généralement constitué par une pièce de forme générale tubulaire pourvue à chacune de ses deux extrémités longitudinales d'une bride annulaire ; chaque bride est percée de plusieurs orifices s'étendant selon l'axe longitudinal de l'échangeur et recevant des vis - ou organes similaires de fixation - permettant de solidariser au corps, de façon étanche, au moins une des plaques tubulaires ainsi que les deux calottes.
Le corps des petits échangeurs (en particulier de plus grand diamètre inférieur à 0,25 mètre) est généralement fabriqué par moulage (sans pression) d'un alliage métallique, le corps et les brides étant moulés en une seule pièce ; cette technique présente des inconvénients : la face interne du corps doit être usinée sur toute sa longueur pour présenter une rugosité et une qualité géométrique compatibles avec l'usage qui en est fait ; les faces extérieures des brides doivent également être dressées ; ces pièces moulées présentent fréquemment des défauts dans leur masse d'où résulte une porosité incompatible avec la fonction de paroi étanche qu'elles doivent remplir ; au surplus, ces défauts ne peuvent être valablement contrôlés qu'après usinage mécanique (alésage, tournage...) ; on est ainsi amené à mettre au rebut des pièces coûteuses ; la technique de moulage sans pression (dans des moules en sable) empêche en outre de réaliser des parois minces.
Il a été proposé dans le brevet FR 623 803 un échangeur multitubulaire dont le corps est constitué d'un tronçon de tuyau ordinaire et est dénué de brides d'extrémité ; cette technique rend difficile et/ou coûteuse la réalisation de raccords étanches d'entrée et de sortie du deuxième fluide dans la cavité.
Il a été décrit dans le document EP-A-1 146 310 un échangeur dont la calandre extrudée présente une nervure externe dans laquelle sont prévus les orifices d'entrée et de sortie du deuxième fluide, qui remédie à ce problème ; cet échangeur ne comporte pas de moyen de liaison rigide entre le corps creux et le faisceau tubulaire, la liaison mécanique entre ces éléments résultant essentiellement des forces de contact (d'appui) s'exerçant entre ces deux pièces par l'intermédiaire d'organes d'étanchéité tels que deux joints toriques, qui sont aplatis (comprimés) entre deux faces cylindriques d'appui (ou portées) prévues respectivement sur chacune de ces deux pièces ; en l'absence de ces organes d'étanchéité, le faisceau peut librement coulisser dans la cavité du corps ; en présence de ces organes d'étanchéité le faisceau peut coulisser dans la cavité sous l'action d'un effort suffisant, en particulier sous l'action de l'allongement des tubes du faisceau, du fait de leur dilatation thermique ; chacun des organes d'étanchéité est logé dans une gorge annulaire prévue sur la face externe des plaques tubulaires ; ceci permet d'éviter la réalisation de gorges sur la face interne de la paroi du corps creux qui ne nécessite alors que la réalisation d'un chanfrein à son (ses) extrémité(s) interne(s) ; cela permet d'introduire par coulissement un faisceau dont la plaque tubulaire est munie du joint d'étanchéité sans détériorer ce joint et en facilitant son écrasement.
Un objectif de l'invention est de proposer de tels échangeurs qui soient améliorés, ainsi qu'un procédé de fabrication de ces échangeurs qui permet d'en réduire le coût.
Selon un premier aspect, l'invention consiste à proposer de tels échangeurs dans lesquels un engagement mutuel de la calandre et du faisceau forme une butée à l'intérieur de la cavité délimitée par la calandre, qui empêche ou limite un déplacement du faisceau par rapport à la calandre ; généralement, cet engagement réciproque résulte, en partie au moins, soit d'un élargissement d'une pièce au moins du faisceau tubulaire, soit d'un rétrécissement de la cavité délimitée par la calandre, soit d'une combinaison des deux, de façon à former une butée de positionnement pour le faisceau multitubulaire.
Cet engagement mutuel peut résulter d'une déformation d'une pièce du faisceau et/ou d'une partie de la calandre, ou bien de l'insertion d'un organe formant butée (ou épaulement) à l'intérieur de la cavité cylindrique délimitée par la calandre ; dans tous les cas, ces déformations et/ou insertions sont effectuées après que le faisceau a été introduit et correctement positionné à l'intérieur de la calandre.
Ceci permet d'empêcher ou de limiter la rotation et/ou la translation du faisceau tubulaire à l'intérieur de la calandre. Ceci permet par conséquent d'utiliser des chicanes ne présentant pas une symétrie centrale comme c'est le cas des chicanes en forme de disques décrites dans le document EP 1 146 310 ; ceci permet notamment d'utiliser des chicanes en forme de portion de disque - ou de disque coupé -, et un faisceau multitubulaire comportant un ou plusieurs tubes s'étendant selon - ou à proximité immédiate de - l'axe longitudinal central du faisceau ; par conséquent, la répartition et/ou le nombre des tubes du faisceau peut être amélioré (augmenté) - pour une cavité de volume déterminé -, et le rendement et/ou la compacité de l'échangeur est ainsi également augmenté(e).
De préférence, cette butée est en partie au moins réalisée par une saillie prévue sur la face interne de la paroi de la calandre, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de fabriquer à cet effet une pièce séparée de la calandre.
De préférence encore, cette saillie ou rétrécissement formant butée s'étend sur une partie seulement du contour circulaire transversal interne de la calandre. La réalisation de cette butée est encore simplifiée en la réalisant autour d'un des orifices d'entrée et de sortie de fluide dans la cavité délimitée dans la calandre, en particulier en repoussant une partie au moins d'une collerette, vers l'intérieur de la cavité ; en complément ou alternativement, la saillie peut être réalisée à la périphérie d'une paroi mince du faisceau, en particulier d'une languette solidaire d'une plaque tubulaire du faisceau, en repoussant cette paroi mince ou languette vers l'extérieur de la cavité, de façon à obtenir soit une liaison rigide par friction entre le faisceau et la calandre, soit un blocage par pénétration de la paroi ou languette dans un orifice formé dans la paroi de la calandre, en particulier dans un desdits orifices d'entrée ou de sortie de fluide.
Selon un autre mode possible de réalisation, cette saillie peut être incorporée à l'extrémité d'une pièce de raccordement de la calandre à un conduit de transport de ce fluide - ci-avant dénommé deuxième fluide - ; par exemple, cette saillie peut consister en une portion tubulaire prolongeant un raccord vissé dans un trou taraudé prévu dans la paroi de la calandre ; ceci peut permettre d'obtenir une liaison rigide entre le faisceau et la calandre, qui est réversible (démontable).
Selon un mode préféré de réalisation, cette saillie est essentiellement constituée par une portion de la paroi de la calandre, et est prévue (et/ou s'étend) autour d'un desdits orifices (d'entrée et de sortie de fluide) au moins ; de préférence, la butée ou saillie est apte à s'engager dans une dépression ou échancrure prévue à la périphérie d'une pièce du faisceau tubulaire - de préférence à la périphérie d'une partie d'une plaque tubulaire.
Dans ce dernier cas, cette pièce qui comporte une première partie en forme de disque percée de trous de passage et de fixation des tubes du faisceau, et une deuxième partie en forme de tube ou bride circulaire s'étendant longitudinalement à partir de la face interne de la première partie en forme de disque, comporte de préférence une échancrure ou dépression de profil sensiblement circulaire et d'un diamètre adapté aux dimensions de la butée saillante sur la face interne de la calandre, cette échancrure ou dépression étant intégrée à la deuxième partie de la plaque tubulaire.
Dans le cas où deux telles butées saillantes faisant partie intégrante de la calandre sont prévues autour de chacun des deux orifices de passage du deuxième fluide, ces butées coopérant respectivement avec deux échancrures prévues dans deux plaques tubulaires, le faisceau ne peut alors être extrait de la cavité, la liaison étant généralement irréversible.
De préférence, de telles butées saillantes intégrées sont réalisées par déformation d'une collerette prévue dans la paroi de la calandre, à l'extrémité interne d'un conduit de passage du deuxième fluide prévu dans cette paroi ; ce procédé de réalisation est particulièrement simple et peu coûteux ; cette déformation doit généralement être réalisée après avoir mis le faisceau tubulaire à son emplacement définitif dans la cavité délimitée par la calandre.
Ainsi, selon un autre aspect, l'invention propose un procédé de fabrication d'un échangeur à faisceau multitubulaire et calandre, dans lequel on provoque un engagement mutuel de la calandre et du faisceau afin de former à l'intérieur de la cavité délimitée par la calandre, une butée limitant ou empêchant un déplacement du faisceau dans la calandre ; selon un mode particulier de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, pour fabriquer un échangeur de chaleur multitubulaire comportant une calandre extrudée et un faisceau multitubulaire comportant deux plaques tubulaires équipées d'une dépression ou échancrure à leur périphérie, on effectue successivement les opérations suivantes :
  • On perce la paroi de la calandre d'un orifice d'entrée et d'un orifice de sortie de fluide de façon à réaliser deux conduits de passage du fluide dans cette paroi, chaque conduit présentant, du côté de la face interne de la calandre, une ouverture rétrécie résultant d'une collerette annulaire obtenue lors du perçage de la paroi à l'aide d'un foret profilé (épaulé),
  • On taraude une partie de chaque conduit de passage - à l'exclusion de la collerette -, de façon à permettre le vissage d'un raccord dans chaque orifice taraudé,
  • On engage le faisceau dans la calandre et on positionne les échancrures ou dépressions dans le prolongement respectif de chaque conduit de passage percé dans la calandre,
  • En empêchant le déplacement du faisceau dans la calandre, on déforme chaque collerette en exerçant sur elles - à l'aide d'un outil présentant de préférence une portée sphérique - un effort (radial) suffisant, jusqu'à ce qu'une partie au moins de chaque collerette faisant saillie sur la face interne de la paroi de la calandre, soit respectivement engagée dans la dépression ou échancrure correspondante, de sorte que le faisceau est immobilisé dans la calandre.
Selon un autre aspect, l'invention propose un échangeur à faisceau multitubulaire et à calandre tubulaire, le faisceau comportant deux plaques tubulaires, au moins une plaque - et de préférence chaque - plaque comportant : i) une première partie en forme de disque percé d'orifices recevant les tubes du faisceau ; le cas échéant ii) une deuxième partie s'étendant à partir de la face interne de la première partie et incorporant soit un logement prévu pour recevoir une butée faisant saillie sur la face interne de la calandre, soit une paroi ou languette expansible prévue pour s'engager - après déformation - dans un orifice formé dans la paroi de la calandre ; iii) une troisième partie de forme tubulaire s'étendant à partir de la face externe de la première partie, et prévue pour être engagée dans une extrémité d'un conduit de transport du premier fluide fixé à la troisième partie de la plaque par emmanchement forcé et/ou par cerclage ; de préférence, la troisième partie tubulaire comporte à cet effet une nervure annulaire externe.
Ceci permet notamment de diminuer le nombre de joints d'étanchéité nécessaires.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront compris au travers de la description suivante qui se réfère aux dessins annexés, et qui illustre sans aucun caractère limitatif des modes préférentiels de réalisation de l'invention.
  • La figure 1 est une vue en perspective d'un mode préféré de réalisation d'un échangeur selon l'invention.
  • La figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'une calandre d'un échangeur selon l'invention.
  • La figure 3 est une vue en coupe transversale - selon III - de la calandre illustrée figure 2 ; la figure 4 est une vue de détail à échelle agrandie - selon IV - d'un des passages de fluide percés dans la paroi de la calandre illustrée figure 2.
  • La figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'un faisceau tubulaire d'un échangeur selon l'invention.
  • La figure 6 est une vue schématique en coupe transversale - selon VI - VI du faisceau illustré figure 5.
  • La figure 7 est une vue de côté d'une pièce formant plaque tubulaire et manchon de raccordement, qui comporte une échancrure demi-circulaire de positionnement à sa périphérie interne.
  • La figure 8 est une vue de côté montrant schématiquement l'assemblage du faisceau et de la calandre.
  • Les figures 9 et 10 illustrent une variante de réalisation de l'invention dans laquelle une languette solidaire d'une plaque tubulaire du faisceau est engagée dans un orifice de passage de fluide percé dans une nervure de la calandre ; la figure 10 est une vue en coupe longitudinale - selon X-X- de la figure 9 ; cette dernière est une vue de dessus d'une extrémité d'un échangeur.
  • Les figures 11 et 12 illustrent une variante de réalisation de l'invention dans laquelle un manchon tubulaire de raccordement servant de butée d'immobilisation du faisceau est engagé dans un orifice de passage de fluide percé dans une nervure de la calandre ; la figure 12 est une vue en coupe longitudinale - selon XII-XII- de la figure 11 ; cette dernière est une vue de dessus d'une extrémité d'un échangeur.
    • Sauf indication contraire, des éléments, pièces et organes identiques ou similaires illustrés sur plusieurs figures, sont repérés par un repère invariable d'une figure à une autre.
    Par référence à la figure 1, l'échangeur 1 comporte une calandre 2 d'axe longitudinal 3, et un faisceau tubulaire logé dans la cavité délimitée dans la calandre ; la calandre présente une pluralité de faces externes planes 4 à 13 (voir figure 3) allongées et parallèles à l'axe 3 ; sur la face 10 débouchent deux canaux 14 et 15 de raccordement de la cavité délimitée par la calandre à un fluide tel que de l'huile à refroidir.
    La calandre est obtenue par extrusion d'aluminium ; le profilé résultant est trempé et coupé en tronçons tels que celui illustré figures 2 et 3 ; chaque extrémité longitudinale est usinée pour obtenir un chanfrein 16, 17 facilitant l'introduction du faisceau tubulaire équipé de deux joints annulaires d'étanchéité (repères 19, 20 figure 8) dans la cavité 18 délimitée par la calandre, sans détériorer les joints.
    Les parois 10 à 12 délimitent une nervure longitudinale 23 parallèle à l'axe 3, dans laquelle sont percés les canaux 14, 15 d'axes 21 et 22 radiaux.
    Par référence aux figures 2 à 4, chaque conduit 14, 15 comporte une partie externe 24 filetée s'étendant à partir de la face 10 pour permettre le vissage d'un raccord non représenté ; la partie interne du conduit par laquelle celui-ci débouche sur la face interne cylindrique 25 de la cavité 18, présente un diamètre 26 inférieur au diamètre 27 de l'orifice par lequel le conduit débouche sur la face 10 ; ceci résulte de la présence d'une collerette 28 annulaire formée dans la paroi 23 lors du perçage des conduits 14, 15 par un foret profilé à cet effet ; la collerette 28 présente une épaisseur 29 suffisamment faible (par exemple de l'ordre de 1 à 2 millimètres) pour pouvoir être déformée par l'action d'un outil appuyé sur la face interne 30 inclinée, selon la flèche 31 figure 4 ; ceci permet de faire passer une partie au moins de cette collerette de la configuration initiale - repère 28 figure 4 - où la collerette est affleurante à la face 25, à la configuration finale - repérée 28a figure 4 - où la collerette déformée fait saillie par rapport à la face 25, d'une valeur 32, par exemple voisine d'un ou deux millimètres ; dans cette dernière configuration, la collerette est engagée dans une dépression prévue à la périphérie de la plaque tubulaire - comme décrit ci-après - de sorte qu'elle immobilise le faisceau dans la calandre.
    Ce mode de déformation de la collerette nécessite d'utiliser un matériau présentant un allongement à la rupture suffisant, pour la réalisation de la calandre ; à cet effet, l'utilisation d'aluminium extrudé et trempé est plus favorable que celle d'aluminium moulé et/ou injecté.
    Selon des variantes de réalisation, le profilé creux (ou barre tubulaire) utilisé pour former la calandre peut être obtenu par extrusion de matière plastique, ou par filage à chaud ou étirage à froid d'un métal, en particulier un alliage d'aluminium, de cuivre ou d'acier.
    Par référence aux figures 5 à 7 en particulier, le faisceau 34 comporte une pluralité de tubes 35 parallèles à son axe longitudinal 33, une pluralité de chicanes 36, 37 planes perpendiculaires à l'axe 33, et deux pièces 38 d'extrémité.
    Le contour des chicanes 36, 37 est en grande partie circulaire (de diamètre adapté à celui de la cavité 18) et en partie rectiligne 36a, 37a, de sorte que les chicanes ont une forme de disque tronqué ; les chicanes 36 présentant leur bord rectiligne 36a en partie inférieure sont disposées, le long de l'axe 33, en alternance avec les chicanes 37 présentant leur bord rectiligne 37a en partie supérieure, de sorte que ces chicanes délimitent avec la calandre un labyrinthe obligeant le deuxième fluide à suivre un trajet sinueux 39 figure 5.
    Chaque pièce 38 comporte une première partie 380 en forme de disque épais dans laquelle sont percés des orifices recevant les extrémités 350 des tubes 35 ; cette partie, qui s'étend transversalement à l'axe 33, forme la plaque tubulaire proprement dite.
    La première partie 380 est prolongée à la périphérie de sa face interne 3800 par une deuxième partie 381 de la pièce 38, qui est en forme d'un court tronçon de tube mince d'axe 33 ; à une extrémité de ce tronçon, une encoche 3810 est formée dans la paroi tubulaire du tronçon, qui s'étend selon un tracé circulaire dont le diamètre 40 est adapté aux dimensions (en particulier au diamètre) de la saillie 28a (figure 4) formée sur la face interne de la calandre.
    La première partie 380 de la pièce 38 est en outre prolongée à la périphérie de sa face externe 3801 par une troisième partie 382 de la pièce 38 qui est grossièrement en forme d'un tronçon de tube d'axe 33 et dont la face externe comporte une rainure annulaire 41 prévue pour recevoir un des joints (19, 20 figure 8) d'étanchéité avec la calandre, ainsi qu'une nervure 42 annulaire qui fait saillie par rapport à la portion 3820 centrale de cette partie 382 ; cette dernière peut ainsi, comme illustré figure 7, recevoir une extrémité d'un tube 43 de raccordement emmanché en force autour de la nervure 42 et de la partie cylindrique 3820 contre laquelle le tube 43 peut être maintenu serré par un collier de cerclage non représenté.
    Dans la configuration d'assemblage illustrée figure 8, chacune des encoches prévues dans les pièces d'extrémité est disposée respectivement en regard des orifices d'entrée et de sortie 14, 15 et reçoit une partie des saillies annulaires prolongeant-ces orifices, de sorte que le faisceau est immobilisé dans la calandre.
    Par référence aux figures 9 et 10, la partie tubulaire 381 d'axe 33 prolongeant la plaque tubulaire 380 du faisceau, comporte une portion 3811 en forme de languette qui a été déformée après positionnement du faisceau dans la calandre, de sorte qu'elle s'étend à l'intérieur de l'orifice 14 de passage de fluide, en appui contre la paroi délimitant cet orifice ; la languette 3811 empêche un coulissement du faisceau dans la calandre, selon leur axe commun 3, 33 dans la direction repérée par la flèche 100 ; en équipant en outre la deuxième plaque tubulaire (non représentée) du même échangeur d'une telle languette, on interdit également un tel coulissement dans la direction opposée, ainsi qu'une rotation du faisceau.
    Par référence aux figures 11 et 12, un manchon tubulaire 99 s'étend à l'intérieur du conduit 14 de passage de fluide percé dans la nervure 23 de la calandre, selon l'axe 21 du conduit 14, sur les parois duquel conduit ce manchon s'appuie.
    Le manchon 99 fait saillie par rapport à la face interne 25 de la calandre ; de ce fait, il est engagé dans une encoche 3810 identique ou similaire à celle décrite ci-avant, de sorte qu'il limite le coulissement du faisceau dans la calandre ; en équipant en outre un deuxième conduit (tel que repéré 15) par un deuxième manchon faisant saillie à l'intérieur de la calandre, on empêche le coulissement et la rotation du faisceau dans la calandre.

    Claims (18)

    1. Echangeur (1) à faisceau (34) multitubulaire et calandre (2), caractérisé en ce qu'un engagement mutuel de la calandre et du faisceau forme une butée à l'intérieur de la cavité (18) délimitée par la calandre, qui empêche ou limite un déplacement du faisceau par rapport à la calandre, ledit engagement mutuel résultant en partie au moins, soit d'un élargissement du faisceau, soit d'un rétrécissement de la cavité.
    2. Echangeur selon la revendication 1, dans lequel la calandre est essentiellement constituée d'au moins un tronçon de profilé creux délimitant une cavité cylindrique.
    3. Echangeur selon la revendication 2, dans lequel le profilé est en métal étiré, extrudé ou filé.
    4. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la calandre présente un orifice (14) d'entrée de fluide dans la cavité et un orifice (15) de sortie de fluide hors de la cavité, et dans lequel une saillie (28a) disposée autour d'au moins un desdits orifices forme, en partie au moins, ladite butée.
    5. Echangeur selon la revendication 4, dans lequel la calandre présente au moins une nervure (23) externe dans la(les)quelle(s) sont percés les orifices (14, 15).
    6. Echangeur selon la revendication 4 ou 5, dans lequel au moins une partie de ladite saillie fait partie intégrante de la calandre.
    7. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel au moins une partie de la saillie est solidaire d'un organe (99) de raccordement coopérant avec l'un des orifices (14, 15).
    8. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le faisceau comporte des chicanes (36, 37) en forme de disques coupés et/ou en forme de portions de disques, et dans lequel le rétrécissement forme une butée empêchant ou limitant une rotation et/ou une translation du faisceau dans la cavité.
    9. Échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le faisceau comporte une plaque (380) tubulaire d'extrémité et une calotte (382) de raccordement de l'échangeur à un conduit (43) de transport de fluide circulant dans les tubes du faisceau, et dans lequel la plaque tubulaire et la calotte forment une seule pièce (38).
    10. Echangeur selon la revendication 9, dans lequel la calotte présente une nervure annulaire (42) située sur une portion cylindrique et/ou tubulaire externe de la calotte, de façon à permettre la solidarisation par emmanchement et/ou cerclage du conduit (43) à la calotte.
    11. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel la butée coopère avec une partie (381) solidaire d'une plaque tubulaire du faisceau pour empêcher ou limiter le coulissement et/ou la rotation du faisceau tubulaire dans la cavité.
    12. Echangeur selon la revendication 11, dans lequel la plaque tubulaire présente une dépression ou échancrure (3810) coopérant avec une butée faisant saillie sur la face interne de la paroi de la calandre.
    13. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel le faisceau (34) comporte deux plaques (38, 380) tubulaires chacune dotée sur sa face externe d'une gorge (41) annulaire recevant un joint d'étanchéité s'appuyant sur une portée cylindrique de la calandre.
    14. Procédé de fabrication d'un échangeur (1) à faisceau (34) multitubulaire et calandre (2), en particulier un procédé de fabrication d'un échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel on provoque un engagement mutuel de la calandre et du faisceau afin de former à l'intérieur de la cavité délimitée par la calandre une butée limitant ou empêchant un déplacement du faisceau dans la calandre.
    15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel on déforme une partie (3811) du faisceau pour provoquer l'engagement mutuel.
    16. Procédé selon la revendication 14 ou 15, dans lequel on déforme une partie de la calandre pour provoquer l'engagement mutuel.
    17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 16, dans lequel on insère et on positionne le faisceau dans la cavité, puis on insère dans la cavité un organe (99) formant butée.
    18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 17 de fabrication d'un échangeur (1) de chaleur multitubulaire comportant une calandre (2) et un faisceau (34) multitubulaire comportant deux plaques tubulaires équipées d'une dépression ou échancrure (3810) à leur périphérie, dans lequel on effectue successivement les opérations suivantes:
      On perce la paroi (23) de la calandre d'un orifice (14) d'entrée et d'un orifice (15) de sortie de fluide de façon à réaliser deux conduits de passage du fluide dans cette paroi, chaque conduit présentant, du côté de la face interne de la calandre, une ouverture rétrécie résultant d'une collerette (28) annulaire obtenue lors du perçage de la paroi à l'aide d'un foret profilé,
      On taraude une partie de chaque conduit de passage - à l'exclusion de la collerette -, de façon à permettre le vissage d'un raccord dans chaque orifice taraudé,
      On engage le faisceau dans la calandre et on positionne les échancrures ou dépressions dans le prolongement respectif de chaque conduit de passage percé dans la calandre,
      En empêchant le déplacement du faisceau dans la calandre, on déforme une partie au moins de chaque collerette en exerçant sur elles un effort suffisant, jusqu'à ce qu'une partie au moins de chaque collerette faisant saillie (28a) sur la face interne (25) de la paroi de la calandre, soit respectivement engagée dans la dépression ou échancrure correspondante, de sorte que le faisceau est immobilisé dans la calandre.
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