EP1949012B1 - Tubes rainures pour echangeurs thermiques a resistance a l'expansion amelioree - Google Patents

Tubes rainures pour echangeurs thermiques a resistance a l'expansion amelioree Download PDF

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EP1949012B1
EP1949012B1 EP06831091A EP06831091A EP1949012B1 EP 1949012 B1 EP1949012 B1 EP 1949012B1 EP 06831091 A EP06831091 A EP 06831091A EP 06831091 A EP06831091 A EP 06831091A EP 1949012 B1 EP1949012 B1 EP 1949012B1
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EP
European Patent Office
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tube
grooved
ribs
angle
rib
Prior art date
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EP06831091A
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German (de)
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EP1949012A1 (fr
Inventor
Pascal Leterrible
Gérard Lemaitre
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KME FRANCE Sas
Original Assignee
Trefimetaux SAS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • 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
    • F28F1/42—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being both outside and inside the tubular element
    • 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
    • F28F1/40—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only inside the tubular element
    • 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
    • F28F1/42—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being both outside and inside the tubular element
    • F28F1/422—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being both outside and inside the tubular element with outside means integral with the tubular element and inside means integral with the tubular element

Definitions

  • the invention relates to the field of tubes for heat exchangers, and more particularly the field of heat exchanger tubes using either a so-called “monophasic” fluid, that is to say a fluid for which the heat exchange does not include not a cycle of evaporation and condensation, a so-called “two-phase” fluid, that is to say a fluid that puts its stake latent heat of vaporization and condensation.
  • a so-called "monophasic” fluid that is to say a fluid for which the heat exchange does not include not a cycle of evaporation and condensation
  • a so-called "two-phase” fluid that is to say a fluid that puts its stake latent heat of vaporization and condensation.
  • Japanese demand no. 57-58088 discloses V-groove tubes, with H between 0.02 mm and 0.2 mm, and with an angle ⁇ between 4 ° and 15 °.
  • Neighboring tubes are described in Japanese Application No. 57-58094 .
  • Japanese demand JP 54-125563 discloses sloping U-shaped or V-grooved tubes, with H ranging from 0.002 to 0.2 mm, a pitch P ranging from 0.1 to 0.5 mm and an angle ⁇ ranging from 4 to 15 °.
  • Japanese demand no. 52-38663 discloses tubes with V or U grooves, with H between 0.02 and 0.2 mm, a pitch P between 0.1 and 0.5 mm and an angle ⁇ between 4 and 15 °.
  • the patent U.S. 4,044,797 describes grooved tubes in V or U adjacent to the preceding tubes.
  • Japanese utility model no. 55-180186 describes tubes with trapezoidal grooves and triangular ribs, with a height H of 0.15 to 0.25 mm, a pitch P of 0.56 mm, an apex angle ⁇ (angle called ⁇ in this document) typically equal to 73 °, an angle ⁇ of 30 °, and an average thickness of 0.44 mm.
  • Licences U.S. Patent No. 4,545,428 and no 4480684 describe tubes with V-grooves and triangular ribs, with the height H between 0.1 and 0.6 mm, a pitch P between 0.2 and 0.6 mm, an apex angle ⁇ of between 50 and 100 °, a helix angle ⁇ between 16 and 35 °.
  • Japanese Patent No. 62-25959 describes tubes with trapezoidal grooves and ribs, with a groove depth H of between 0.2 and 0.5 mm, a pitch P of between 0.3 and 1.5 mm, the average width of the grooves being at least equal to the average width of the ribs.
  • the pitch P is 0.70 mm and the helix angle ⁇ is 10 °.
  • JP 2001-074384 describing tubes with inclined ribs.
  • the European patent EP-B1-701 680 in the name of the applicant, describes grooved tubes, with flat-bottomed grooves and with ribs of different height H, with a helix angle ⁇ of between 5 and 50 °, with an apex angle ⁇ of between 30.degree. and 60 °, to obtain better performance after crimping the tubes and mounting in the exchangers.
  • grooved tubes can also be used in heat exchangers or batteries that include heat diffusing fins.
  • the tubes are secured to the fins by crimping which requires an expansion of the tube made by a mechanical part, typically a ball, of diameter chosen to achieve an expansion of the tube, which tends to crush mechanically or to bend said grooves during said expansion.
  • the tubes should be able to withstand increasingly severe crimping conditions so as to maximize the mechanical contact area between the tube and the fins, so as to simultaneously increase the strength of the batteries and the thermal conduction between the tubes and the fins.
  • another problem which is essential at the industrial level, is the possibility of manufacturing grooved tubes, because there may be profiles of grooved tubes which would be, in theory at least, excellent, but in practice if not impossible at least difficult to make, or impossible to manufacture from non-grooved tubes.
  • these tubes can be manufactured with sufficient productivity and with equipment or investment that is not greater than that of grooved pipes of the state of the art.
  • the Applicant has therefore researched and developed tubes and exchangers that can be used either in tubular heat exchangers, or in finned exchangers or batteries, the developed tubes having both a very high resistance to deformation during said expansion high heat exchange performance, a relatively low pressure drop so as to limit the power of the compressors and circulation pumps of the fluids circulating in said tubes, for applications or domains that use monophasic or biphasic fluids, and that can be manufactured with productivity and equipment as in the case of grooved tubes already industrialized.
  • These ribs are said oblique and inclined because they have a lateral side (CL 1 ) making an angle ⁇ 1 less than 90 ° with said groove bottom (30) adjacent. These ribs are typically identical to each other.
  • FIG. 1a schematically represents a grooved tube portion (1) of axial direction (10) internally bearing a plurality of helical ribs (2) with a helix angle ⁇ with respect to its axial direction (10), as shown in FIG. the left part of the figure in partial section along said axial direction (10).
  • the figure 1b is a partial section of the grooved tube (1) in a transverse plane perpendicular to said axial direction (10).
  • the figure 2a is a schematic representation, in section in the axial direction (10), to illustrate the expansion of a smooth tube during crimping of the tube (1) and the fins (5) by passing a ball (6) in the tube (1).
  • the figure 2b is a perspective view of a battery (4) formed by crimping a plurality of tubes (1) in a plurality of fins (5) oriented perpendicularly to the axial direction (10) of the tubes (1).
  • the Figure 2c is a sectional view of a tubular heat exchanger in which the tubes (1) forming a bundle do not have to be expanded as in the case of the battery (4) of the figure 2b .
  • the Figures 3a to 4b are partial sections of tubes, in section along a transverse plane perpendicular to said axial direction (10).
  • the Figures 3a and 3b relate to tubes (1) before expansion. These figures according to identical, and are distinguished in that the figure 3b carries measurement values for certain parameters.
  • FIGS. 5a and 5b are diagrams that illustrate the performance of a tube A according to the invention, compared to a grooved tube B of the state of the art and a non-grooved tube C, in evaporation at 8 ° C depending on the Reynolds number Re, the fluid being brine.
  • the figure 5a gives on the ordinate the exchange coefficient Hi (Wm 2 .K) as a function of the Reynolds number Re on the abscissa.
  • the figure 5b gives the ordinate the pressure drop (Pa / m) as a function of the Reynolds number Re on the abscissa.
  • the figure 6a is an axial section illustrating a device for grooving (7) tubes.
  • the Figures 6b and 6c are relative to a grooving mandrel (70) having a plurality of helical grooves (700), the pitch of these grooves (700) being on the left, these grooves also being inclined to the left.
  • the figure 6b is a composite view comprising a cross-sectional view in a plane perpendicular to the axial direction (10) and a perspective view from above for an observer placed at the rear of the grooving mandrel (70).
  • the Figure 6c is a top view, an oblique arrow pointing to the left indicating the inclination to the left of the grooves, another axial arrow indicating the direction of movement of the tube relative to the mandrel (70).
  • the figure 7 is a cross-sectional view of the grooved tube (1) formed by radial compression between the grooving mandrel (70) inside the tube, and the plurality of balls (711, 711 ') outside the tube.
  • said grooving mandrel (70) is that of Figures 6b and 6c , its cross-section being that represented on the lower part of the figure 6b , and the direction of rotation of the rotary cage (710) is the forward direction, in the clockwise direction, the observer looking in the axial direction (10) corresponding to the direction towards which said tube (1) is pulled.
  • the grooved tube (1) has a plurality of ribs (2) having no defect.
  • the Figures 8a and 8b are analogous to the Figures 6c and 7 .
  • the figure 8a represents a grooving mandrel (70) which differs from that of the Figure 6c in that the helical grooves (700) are inclined to the right, instead of being inclined to the left, an oblique arrow pointing to the right indicating the inclination to the right of the grooves.
  • the figure 8b is analogous to the figure 7 and differs therefrom in that the grooving mandrel (70), which is that of the figure 8a , has grooves (700) inclined to the right, instead of being inclined to the left, the direction of rotation of the rotary cage (710) being the forward direction.
  • the grooved tube (1) has a plurality of ribs (2) which have defects, the ribs being more or less poorly formed or incompletely formed.
  • the Figures 9a and 9b are similar to Figures 8a and 8b .
  • the figure 9a represents a grooving mandrel (70) identical to that of the Figure 6c , which has a plurality of helical grooves (700) inclined to the left and with a not on the left, an oblique arrow pointing to the left indicating the inclination to the left of the grooves.
  • the figure 9b is analogous to the figure 8b and differs therefrom in that the grooving mandrel (70), which is that of the figure 9a , has grooves (700) inclined to the left, instead of being inclined to the right and in that the direction of rotation of the rotary cage (710) is the opposite direction.
  • the grooving mandrel (70) which is that of the figure 9a , has grooves (700) inclined to the left, instead of being inclined to the right and in that the direction of rotation of the rotary cage (710) is the opposite direction.
  • the grooved tube (1) has a plurality of ribs (2) which have defects, the ribs being more or less poorly formed or incompletely formed.
  • the Figures 10a and 10b are analogous to the Figures 8a and 8b .
  • the figure 10a represents a grooving mandrel (70) identical to that of the figure 8a , an oblique arrow pointing to the right indicating the inclination to the right of the grooves.
  • the figure 10b is analogous to the figure 8b and is distinguished in that the direction of rotation of the rotary cage (710) is reversed instead of being direct.
  • the grooved tube (1) has a plurality of ribs (2) having no defect, as in the case of the tube obtained according to the Figures 6a to 7 .
  • FIGS 11a to 11c similar to Figures 3a and 3b , are partial sections, in section in the axial direction (10), of tubes (1) before expansion.
  • the figure 11a is identical to the figure 3a and illustrates the case where said ribs (2) are inclined or oblique ribs forming an angle ⁇ with said radial direction (11) making an angle of 90 ° with the outer wall of the tube and passing through the geometric center of the tube.
  • the figure 11b illustrates the case where said ribs (2) are in the form of an alternation of inclined ribs of height H1 and height H2 ⁇ H1.
  • the figure 11c illustrates the case where a straight rib (2 ") of height H ' ⁇ H are interposed between two inclined ribs (2).
  • said rib (2) may be a rib (2 ') having a tetragonal section comprising, in addition to its base B (20), an upper side S (21) facing said base B (20), and two lateral sides CL 1 (22) and CL 2 (23) forming between them said apex angle ⁇ , one of which CL 1 (22) makes an angle ⁇ 1 less than 90 ° with said adjacent groove bottom (30), and wherein the other CL 2 (23) makes an angle ⁇ 2 greater than 90 ° with said adjacent groove bottom (30).
  • said rib (2) may have a half-height width L N1 / 2 at least equal to N 0,65.L. Typically, said rib (2) may have a width at half height L N1 / 2 at least equal to 0.70.L N.
  • said rib (2) may have a half-height width L N1 / 2 at least equal to N 0,75.L.
  • the ribs (2) according to the invention have a shape quite far from the conventional triangular shape, so that the width at half height is only slightly less than the width of the base B (20) of the rib, the lateral sides being almost parallel.
  • Said apex angle ⁇ formed by said two lateral sides CL 1 (22) and CL 2 (23) can range from 10 ° to 35 °.
  • an angle ⁇ of 22.4 ° has been indicated, but the invention makes it possible to obtain industrially tubes with ribs (2, 2 ') having a much smaller angle ⁇ , typically 10-15 °.
  • said upper side S (21) may have a width of at least 0.3.L N , and a reference of at least 0.4.L N.
  • said upper side S (21) can be inclined relative to said base B (20) with an angle ⁇ ranging from 5 ° to 35 °.
  • Said angle ⁇ may have its top typically closer to said lateral side of the lateral side CL 2 (23) than the CL 1 side (22).
  • said ribs (2, 2 ') may advantageously be of height H such that H / De is equal to 0.020 ⁇ 0.005, H and De being expressed in mm.
  • the number N of ribs (2, 2 ') may be such that N / De is equal to 4.5 ⁇ 0.5, the corresponding pitch P being equal to ⁇ .Di / N, with Di equal to De -2.Tf, and De being expressed in mm.
  • Said helix angle ⁇ can range from 5 ° to 25 °. It is these parameter ranges that make it possible to obtain all the results obtained with the tubes according to the invention.
  • the thickness T f may be such that T f / De is equal to 0.03 ⁇ 0.005, T f and De being expressed in mm, with De ranging from 6 mm to 18 mm,
  • the P / H ratio can range from 1.5 to 3 and preferably from 1.7 to 2.3.
  • said lateral sides CL 1 (22) and CL 2 (23) can be connected to said adjacent groove bottoms (30) with radii of curvature R typically less than 100 microns, and typically less than 50 microns.
  • a straight rib (2 ) may be interposed between two adjacent oblique ribs (2Comm, 2 '), said right rib having a height H' ⁇ H or less than H1.
  • said rib (2) and said groove (3) may have substantially the shape of parallelograms, the ratio of the surfaces S N / S R being substantially equal to the ratio L N / L R, S N and S R denoting the surface respectively said rib (2) and said groove (3).
  • the geometrical shape of the ribs (2, 2 ') according to the invention does not prevent a certain deformation of these ribs and a certain crushing of these ribs, but, on the one hand, this deformation is relatively limited in view of the power and the resistance opposed by these ribs to crushing during the expansion of the tube, and secondly, once deformed, these ribs retain substantially the same shape, so that there is no significant decrease tube performance before and after expansion of the tube.
  • the tubes (1) can be Cu and Cu alloys, Al and Al alloys, Fe and Fe alloys.
  • These tubes (1) can be obtained typically by grooving tubes, or possibly by flat grooving of a metal strip and forming a welded tube.
  • These tubes may have a typically round cross section, oval or rectangular, depending on the manufacturing method, a round section being obtained by grooving a smooth round section tube.
  • Another object of the invention is constituted by heat exchangers or batteries (4) using fins (5) and expanded tubes (1 ') formed by expanding tubes (1) according to the invention.
  • Another object of the invention is constituted by a method of manufacturing tubes according to the invention, typically not fluted, obtained by flat grooving of a metal strip and forming a welded tube.
  • a copper tube (1) was manufactured as shown in figures 1b and 3a to 3b , by grooving a smooth tube, using the method according to the invention, using the grooving device illustrated on the Figures 6a to 7 using a grooving mandrel (70) having a plurality of grooves (700) inclined to the left, and rotating the rotary cage (710) in the forward direction.
  • Tubes according to the invention have also been manufactured using the grooving device illustrated in FIGS. Figures 10a and 10b using a grooving mandrel (70) having a plurality of grooves (700) inclined to the right, and rotating the rotary cage (710) in the opposite direction.
  • FIG. Figure 3a and 3b A cross-section of this tube (1) was made as shown in FIG. Figure 3a and 3b .
  • This tube (1) was measured in evaporation at 8 ° C. with brine (27% by weight) as fluid and for different values of Reynolds number Re.
  • the tube A is the tube (1) according to the invention.
  • the tube B is a tube similar to the tube A (same diameter De, same N, same H, same angle ⁇ , etc ...) but which differs in that the ribs are triangular ribs of apex angle ⁇ equal to 60 °, and in that the angle ⁇ is zero, the triangular ribs not being inclined.
  • Diagram 5a shows the great interest of a grooved tube (1) according to the invention. Moreover, in a large part of the range of the Reynolds number, the pressure drop of such a tube A is less than that of the corresponding tube B.
  • This tube was used to form a battery by expanding the tube in fins, as shown schematically on the Figures 2a and 2b .
  • a grooved tube (1) with 80 evenly spaced ribs has been manufactured: 40 being oblique ribs (2) and 40 being straight ribs (2 ").
  • the invention has great advantages. Indeed, it allows on the one hand to have heat exchanger tubes of high efficiency with regard to heat exchange with a very high exchange coefficient Hi, and this while maintaining a relatively low loss.
  • these tubes have a high resistance to deformation following the expansion of the tube to form batteries, and especially retain high performance after expansion.
  • the tubes according to the invention are suitable both for the manufacture of finned exchangers, as illustrated in FIG. figure 2b , and for tubular heat exchangers, as illustrated on the Figure 2c .
  • these tubes could be manufactured by grooving smooth tubes, at high speed as in the case of the manufacture of conventional grooved tubes.

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Description

    DOMAINE DE L'INVENTION
  • L'invention concerne le domaine des tubes pour échangeurs de chaleur, et plus spécialement le domaine des tubes à échangeurs de chaleur utilisant soit un fluide dit "monophasique", c'est-à-dire un fluide pour lequel l'échange thermique ne comprend pas un cycle d'évaporation et de condensation, soit un fluide dit "diphasique", c'est-à-dire un fluide qui met enjeu sa chaleur latente de vaporisation et de condensation.
    • ETAT DE LA TECHNIQUE
  • On connaît un grand nombre de documents décrivant la géométrie de tubes rainurés utilisés dans les échangeurs de chaleur.
  • A titre d'exemple, on peut citer la demande de brevet EP-A2-0 148 609 qui décrit des tubes à rainures triangulaires ou trapézoïdales présentant les caractéristiques suivantes :
    • un rapport H/Di compris entre 0,02 et 0,03, H désignant la profondeur des rainures (ou la hauteur des nervures), et Di le diamètre intérieur du tube rainuré,
    • un angle d'hélice β par rapport à l'axe de tube compris entre 7 et 30°,
    • un rapport S/H compris entre 0,15 et 0,40, avec S désignant la section transversale de la rainure,
    • un angle d'apex α des nervures compris entre 30 et 60°.
  • Ces caractéristiques de tubes sont adaptées à des fluides à transition de phase, les performances des tubes étant analysées de manière distincte lors de l'évaporation du fluide et lors de la condensation du fluide.
  • La demande japonaise n° 57-58088 décrit des tubes à rainures en V, avec H compris entre 0,02 mm et 0,2 mm, et avec un angle β compris entre 4° et 15°.
  • Des tubes voisins sont décrits dans la demande japonaise n° 57-58094 .
  • La demande japonaise JP 54-125563 décrit des tubes à rainures en U ou en V, inclinées, avec H allant de 0,002 à 0,2 mm, un pas P allant de 0,1 à 0,5 mm et un angle β allant de 4 à 15°.
  • La demande japonaise n° 52-38663 décrit des tubes à rainures en V ou U, avec H compris entre 0,02 et 0,2 mm, un pas P compris entre 0,1 et 0,5 mm et un angle β compris entre 4 et 15°.
    Le brevet US n° 4,044,797 décrit des tubes à rainures en V ou U voisins des tubes précédents.
  • Le modèle d'utilité japonais n° 55-180186 décrit des tubes à rainures trapézoïdales et nervures triangulaires, avec une hauteur H de 0,15 à 0,25 mm, un pas P de 0,56 mm, un angle d'apex α (angle appelé θ dans ce document) typiquement égal à 73°, un angle β de 30°, et une épaisseur moyenne de 0,44 mm.
  • Les brevets US n° 4,545,428 et n° 4,480,684 décrivent des tubes à rainures en V et nervures triangulaires, avec la hauteur H comprise entre 0,1 et 0,6 mm, un pas P compris entre 0,2 et 0,6 mm, un angle d'apex α compris entre 50 et 100°, un angle d'hélice β compris entre 16 et 35°.
  • Le brevet japonais n° 62-25959 décrit des tubes à rainures et nervures trapézoïdales, avec une profondeur de rainure H comprise entre 0,2 et 0,5 mm, un pas P compris entre 0,3 et 1,5 mm, la largeur moyenne des rainures étant au moins égale à la largeur moyenne des nervures. Dans un exemple, le pas P est de 0,70 mm et l'angle d'hélice β est de 10°.
  • On connaît la demande japonaise JP 2001-074384 décrivant des tubes à nervures inclinées.
  • On connaît aussi le brevet européen EP 1 061 318 décrivant des tubes à nervures triangulaires inclinées aptes à être déformées par pliage lorsque des ailettes externes au tube sont serties au tube afin de former des échangeurs de chaleur.
  • Enfin, le brevet européen EP-B1-701 680 , au nom de la demanderesse, décrit des tubes rainurés, avec rainures à fond plat et avec des nervures de hauteur H différente, d'angle d'hélice β compris entre 5 et 50°, d'angle d'apex α compris entre 30 et 60°, de manière obtenir de meilleures performances après le sertissage des tubes et montage dans les échangeurs.
  • D'une manière générale, les performances techniques et économiques des tubes, qui résultent du choix de la combinaison de moyens définissant les tubes (H, P, α, β, forme des rainures et nervures, etc...), sont généralement relatives à quatre types de considérations :
    • d'une part, les caractéristiques relatives au transfert de chaleur (coefficient d'échange thermique), domaine dans lequel les tubes rainurés sont très supérieurs aux tubes non rainurés, de sorte qu'à échange thermique équivalent, la longueur de tube rainurée nécessaire sera moindre que celle de tube non rainuré,
    • d'autre part, les caractéristiques relatives aux pertes de charge, de faibles pertes de charges permettant d'utiliser des pompes ou compresseurs de plus faible puissance, encombrement et coût,
    • en outre, la faisabilité industrielle des tubes et la vitesse de production qui conditionne le prix de revient du tube chez le fabricant de tubes,
    • enfin, les caractéristiques relatives aux propriétés mécaniques des tubes, typiquement en relation avec la nature des alliages utilisés ou avec l'épaisseur moyenne des tubes, épaisseur qui conditionne le poids du tube par unité de longueur, et donc influe sur son prix de revient.
    PROBLEMES POSES
  • D'une part, comme cela résulte de l'état de la technique, il y a un grand nombre et une très grande diversité d'enseignements en ce qui concerne les tubes rainurés, sachant qu'ils visent généralement l'optimisation de l'échange thermique et la diminution de la perte de charge.
    D'autre part, chacun de ces enseignements offre lui-même le plus souvent une large étendue de possibilités, les paramètres étant généralement définis par des plages de valeurs relativement larges, de sorte que l'homme du métier a déjà beaucoup de difficultés pour tirer la quintessence de l'état de la technique, parmi un si grand nombre de données, parfois contradictoires.
  • En outre, ces enseignements concernent le plus souvent des tubes rainurés considérés en tant que tels, tubes rainurés qui peuvent éventuellement être utilisés dans des échangeurs tubulaires.
  • Cependant, les tubes rainurés peuvent aussi être utilisés dans des échangeurs de chaleur ou batteries qui comprennent des ailettes diffusant la chaleur. Dans ce cas, les tubes sont solidarisés aux ailettes par sertissage qui nécessite une expansion du tube réalisée par une pièce mécanique, typiquement une bille, de diamètre choisi pour réaliser une expansion du tube, ce qui tend à écraser mécaniquement ou à faire fléchir lesdites rainures durant ladite expansion.
  • Certes, on a déjà essayé de fabriquer des tubes relativement résistants à l'écrasement, mais en règle générale, même ces tubes constituent un progrès par rapport à d'autres tubes, ils présentent néanmoins encore une déformation relativement importante qui diminue de manière très significative ses performances et ses capacités d'échange thermique.
  • De plus, il convient que les tubes puissent résister à des conditions de sertissage de plus en plus sévères de manière à augmenter au maximum la surface de contact mécanique entre le tube et les ailettes, de manière à, simultanément augmenter la solidité des batteries et la conduction thermique entre les tubes et les ailettes.
    Enfin, un autre problème, qui est essentiel sur le plan industriel, est la possibilité de fabriquer des tubes rainurés, car il peut exister des profils de tubes rainurés qui seraient, en théorie du moins, excellents, mais en pratique sinon impossibles du moins difficiles à fabriquer, ou encore impossibles à fabriquer à partir de tubes non rainurés.
    De plus, il convient que ces tubes puissent être fabriqués avec une productivité suffisante et avec un équipement ou un investissement qui ne soit pas supérieur à celui des tubes rainurés de l'état de la technique.
  • La demanderesse a donc recherché et mis au point des tubes et échangeurs qui peuvent être utilisés soit dans des échangeurs tubulaires, soit dans échangeurs à ailettes ou batteries, les tubes mis au point présentant à la fois une résistance très élevée à la déformation durant ladite expansion, des performances d'échange thermique élevées, une perte de charge relativement faible de manière à limiter la puissance des compresseurs et pompes de circulation des fluides circulant dans lesdits tubes, pour les applications ou domaines qui utilisent des fluides monophasiques ou biphasiques, et qui puissent être fabriqués avec une productivité et des équipements comme dans le cas de tubes rainurés déjà industrialisés.
    • DESCRIPTION DE L'INVENTION
  • Selon l'invention, le tube métallique rainuré, d'épaisseur Tf en fond de rainure, de diamètre extérieur De, typiquement destiné à la fabrication d'échangeurs de chaleur ou batteries utilisant un fluide frigoporteur ou caloporteur de type monophasique ou diphasique, ledit tube étant rainuré intérieurement par N nervures hélicoïdales, avec N allant de 20 à 80 selon le diamètre extérieur De, d'angle d'apex α, de hauteur H selon une direction radiale dudit tube, de base B de largeur LN et d'angle d'hélice β, deux nervures consécutives étant séparées par une rainure à fond typiquement plat de largeur LR, avec un pas P égal LR + LN, est caractérisé en ce que :
    1. a) lesdites largeurs LN et LR sont telles que LN / LR soit compris entre 0,40 et 0,80,
    2. b) lesdites N nervures présentent une largeur à mi-hauteur LN1/2 au moins égale à 2.LN/3
    3. c) lesdites N nervures sont des nervures obliques, inclinées, typiquement dans un même sens, d'un angle γ par rapport à ladite direction radiale allant de 10° à 35°, ledit angle γ étant l'angle formé entre ladite direction radiale et une droite médiane passant par le milieu de ladite base B de ladite nervure et par le milieu de la largeur de la nervure prise à sa mi-hauteur H/2,
    et dans ce tube, ladite nervure est une nervure qui présente une section tétragonale comprenant, outre sa base B, un côté sommital S en regard de ladite base B, et deux côtés latéraux CL1 et CL2 formant entre eux ledit angle d'apex α, dont l'un CL1 (22) fait un angle θ1 inférieur à 90° avec ledit fond de rainure (30) adjacent, et dont l'autre CL2 (23) fait un angle θ2 typiquement supérieur à 90° avec ledit fond de rainure (30) adjacent, ledit angle d'apex α allant de 10 à 35°,
    de manière à présenter une résistance élevée à l'écrasement, des capacités d'échange thermique élevées et une faible perte de charge, quand ledit tube est solidarisé à des ailettes de refroidissement dans une batterie.
  • Ces nervures sont dites obliques et inclinées parce qu'elles présentent un côté latéral (CL1) faisant un angle θ1 inférieur à 90° avec ledit fond de rainure (30) adjacent. Ces nervures sont typiquement identiques entre elles.
  • Les tubes selon l'invention résolvent les problèmes posés.
    En effet, la demanderesse a pu observer que, avec les tubes rainurés selon l'invention :
    • d'une part, après expansion, même dans les conditions les plus sévères, les nervures de ces tubes passent d'une hauteur H à une hauteur H' telle que H'/H est au moins égal à 0,85, alors qu'avec les tubes traditionnels, ce rapport est inférieur à 0,85.
    • d'autre part, comme cela apparaîtra avec les exemples, les performances présentent des capacités d'échange thermique élevées, et cela avec une perte de charge typiquement moindre.
    • enfin, en ce qui concerne la fabrication de ces tubes, elle peut être réalisée par rainurage de tubes non rainurés, ce qui est avantageux en pratique, et cela, avec une productivité et un équipement et une cadence analogues à ceux des procédés de fabrication des tubes rainurés traditionnels déjà industrialisés.
    DESCRIPTION DES FIGURES
  • La figure la représente schématiquement une portion de tube rainuré (1) de direction axiale (10), portant intérieurement une pluralité de nervures (2) hélicoïdales avec un angle d'hélice β par rapport à sa direction axiale (10), comme représenté sur la partie gauche de la figure selon une coupe partielle selon ladite direction axiale (10).
    La figure 1b est une coupe partielle du tube rainuré (1) selon un plan transversal perpendiculaire à ladite direction axiale (10).
  • La figure 2a est une représentation schématique, en coupe selon la direction axiale (10), pour illustrer l'expansion d'un tube lisse lors du sertissage du tube (1) et des ailettes (5) par passage d'une bille (6) dans le tube (1).
    La figure 2b est une vue en perspective d'une batterie (4) formée par sertissage d'une pluralité de tubes (1) dans une pluralité d'ailettes (5) orientées perpendiculairement à la direction axiale (10) des tubes (1).
  • La figure 2c est une vue en coupe d'un échangeur de chaleur tubulaire dans lequel les tubes (1) formant un faisceau n'ont pas à être expansés comme dans le cas de la batterie (4) de la figure 2b.
  • Les figures 3a à 4b sont des sections partielles de tubes, en coupe selon un plan transversal perpendiculaire à ladite direction axiale (10).
    Les figures 3a et 3b sont relatives à des tubes (1) avant expansion. Ces figures selon identiques, et se distinguent en ce que la figure 3b porte des valeurs de mesures pour certains paramètres.
  • Les figures 4a et 4b sont relatives aux mêmes tubes après expansion. Ces figures selon identiques, et se distinguent en ce que la figure 4b porte des valeurs de mesures pour certains paramètres.
  • Les figures 5a et 5b sont des diagrammes qui illustrent les performances d'un tube A selon l'invention, comparé à un tube rainuré B de l'état de la technique et à un tube C non rainuré, en évaporation à 8°C en fonction du nombre de Reynolds Re, le fluide étant de l'eau glycolée.
  • La figure 5a donne en ordonnée le coefficient d'échange Hi (W.m2.K) en fonction du nombre de Reynolds Re en abscisse.
    La figure 5b donne en ordonnée la perte de charge (Pa/m) en fonction du nombre de Reynolds Re en abscisse.
  • La figure 6a est une coupe axiale illustrant un dispositif de rainurage (7) de tubes.
    Les figures 6b et 6c sont relatives à un mandrin de rainurage (70) présentant une pluralité de rainures hélicoïdales (700), le pas de ces rainures (700) étant à gauche, ces rainures étant également inclinées à gauche.
    La figure 6b est une vue composite comprenant une vue en coupe transversale dans un plan perpendiculaire à la direction axiale (10) et une vue en perspective de dessus pour un observateur placé à l'arrière du mandrin de rainurage (70).
  • La figure 6c est une vue de dessus, une flèche oblique pointant à gauche indiquant l'inclinaison à gauche des rainures, une autre flèche axiale indiquant le sens de déplacement du tube par rapport au mandrin (70).
  • La figure 7 est une vue en coupe transversale du tube rainuré (1) formée par compression radiale entre le mandrin de rainurage (70) à l'intérieur du tube, et la pluralité de billes (711, 711') à l'extérieur du tube.
  • Sur cette figure, ledit mandrin de rainurage (70) est celui des figures 6b et 6c, sa section transversale étant celle représentée sur la partie basse de la figure 6b, et le sens de rotation de la cage rotative (710) est le sens direct, dans le sens des aiguilles d'une montre, l'observateur regardant dans la direction axiale (10) correspondant à la direction vers laquelle ledit tube (1) est tiré.
    Dans ces conditions, le tube rainuré (1) présente une pluralité de nervures (2) ne présentant pas de défaut.
  • Les figures 8a et 8b sont analogues respectivement aux figures 6c et 7.
    La figure 8a représente un mandrin de rainurage (70) qui se distingue de celui de la figure 6c en ce que les rainures hélicoïdales (700) sont inclinées à droite, au lieu d'être inclinées à gauche, une flèche oblique pointant à droite indiquant l'inclinaison à droite des rainures.
    La figure 8b est analogue à la figure 7 et s'en distingue en ce que le mandrin de rainurage (70), qui est celui de la figure 8a, présente des rainures (700) inclinées à droite, au lieu d'être inclinées à gauche, le sens de rotation de la cage rotative (710) étant le sens direct.
  • Dans ces conditions, le tube rainuré (1) présente une pluralité de nervures (2) qui présentent des défauts, les nervures étant plus ou moins mal formées ou incomplètement formées.
  • Les figures 9a et 9b sont analogues aux figures 8a et 8b.
    La figure 9a représente un mandrin de rainurage (70) identique à celui de la figure 6c, qui présente une pluralité de rainures hélicoïdales (700) inclinées à gauche et avec un pas à gauche, une flèche oblique pointant à gauche indiquant l'inclinaison à gauche des rainures.
  • La figure 9b est analogue à la figure 8b et s'en distingue en ce que le mandrin de rainurage (70), qui est celui de la figure 9a, présente des rainures (700) inclinées à gauche, au lieu d'être inclinées à droite et en ce que le sens de rotation de la cage rotative (710) est le sens inverse.
  • Dans ces conditions, le tube rainuré (1) présente une pluralité de nervures (2) qui présentent des défauts, les nervures étant plus ou moins mal formées ou incomplètement formées.
  • Les figures 10a et 10b sont analogues respectivement aux figures 8a et 8b.
    La figure 10a représente un mandrin de rainurage (70) identique à celui de la figure 8a, une flèche oblique pointant à droite indiquant l'inclinaison à droite des rainures.
    La figure 10b est analogue à la figure 8b et s'en distingue en ce que le sens de rotation de la cage rotative (710) est inverse au lieu d'être direct.
  • Dans ces conditions, le tube rainuré (1) présente une pluralité de nervures (2) ne présentant pas de défaut, comme dans le cas du tube obtenu selon les figures 6a à 7.
  • Les figures 11a à 11c, analogues aux figures 3a et 3b, sont des sections partielles, en coupe selon la direction axiale (10), de tubes (1) avant expansion.
  • La figure 11a est identique à la figure 3a et illustre le cas où lesdites nervures (2) sont des nervures inclinées ou obliques faisant un angle γ avec ladite direction radiale (11) faisant un angle de 90° avec la paroi extérieure du tube et passant par le centre géométrique du tube.
  • La figure 11b illustre le cas où lesdites nervures (2) se présentent sou la forme d'une alternance de nervures inclinées de hauteur H1 et de hauteur H2< H1.
  • La figure 11c, analogue à la figure 11a, mais à une échelle différente, illustre le cas où un nervure droite (2") de hauteur H'<H sont intercalées entre deux nervures inclinées (2).
    • DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
  • Selon la modalité de l'invention illustrée sur les figures 1b et 3a à 3b, ladite nervure (2) peut être une nervure (2') qui présente une section tétragonale comprenant, outre sa base B (20), un côté sommital S (21) en regard de ladite base B (20), et deux côtés latéraux CL1 (22) et CL2 (23) formant entre eux ledit angle d'apex α, dont l'un CL1 (22) fait un angle θ1 inférieur à 90° avec ledit fond de rainure (30) adjacent, et dont l'autre CL2 (23) fait un angle θ2 supérieur à 90° avec ledit fond de rainure (30) adjacent.
  • Selon l'invention, ladite nervure (2) peut présenter une largeur à mi-hauteur LN1/2 au moins égale à 0,65.LN.
    Typiquement, ladite nervure (2) peut présenter une largeur à mi-hauteur LN1/2 au moins égale à 0,70.LN.
  • De préférence, ladite nervure (2) peut présenter une largeur à mi-hauteur LN1/2 au moins égale à 0,75.LN.
    En effet, les nervures (2) selon l'invention ont une forme assez éloignée de la forme triangulaire classique, de sorte que la largeur à mi-hauteur est à peine inférieure à la largeur de la base B (20) de la nervure, les côtés latéraux étant presque parallèles.
  • Ledit angle d'apex α formé par lesdits deux côtés latéraux CL1 (22) et CL2 (23) peut aller de 10° à 35°.
    Sur la figure 3b, un angle α de 22,4° a été indiqué, mais l'invention permet d'obtenir industriellement des tubes dotés de nervures (2, 2') ayant un angle α beaucoup plus faible, typiquement de 10-15°.
  • Comme illustré également sur les figures 1b et 3a à 3b, ledit côté sommital S (21) peut présenter une largeur au moins égale à 0,3.LN, et de référence au moins égale à 0,4.LN.
  • En outre, ledit côté sommital S (21) peut être incliné par rapport à ladite base B (20) avec un angle δ allant de 5° à 35°.
  • Ledit angle δ peut avoir son sommet plus proche typiquement du dudit côté latéral du côté latéral CL2 (23) que du côté CL1 (22).
  • Selon l'invention, lesdites nervures (2, 2') peuvent avantageusement être de hauteur H telle que H/De soit égal à 0,020 ± 0,005, H et De étant exprimés en mm.
    De même, le nombre N de nervures (2, 2') peut être tel que N/De soit égal à 4,5 ± 0,5, le pas P correspondant étant égal à π.Di/N, avec Di égal à De-2.Tf, et De étant exprimé en mm.
  • Ledit angle d'hélice β peut aller de 5° à 25°.
    Ce sont ces plages de paramètres qui permettent d'obtenir l'ensemble des résultats obtenus avec les tubes selon l'invention.
  • Typiquement, l'épaisseur Tf peut être telle que Tf/De soit égal à 0,03± 0,005, Tf et De étant exprimés en mm, avec De allant 6 mm à 18 mm,
    Le rapport P/H peut aller de 1,5 à 3 et préférence de 1,7 à 2,3.
  • Comme illustré sur 1a figure 1b, lesdits côtés latéraux CL1 (22) et CL2 (23) peuvent se raccorder aux dits fonds de rainures (30) adjacents avec des rayons de courbure R typiquement inférieurs à 100 µm, et typiquement inférieure à 50 µm.
  • Comme illustré sur la figure 11b, lesdites nervures (2, 2') peuvent former une succession de nervures de hauteur H1=H et de hauteur H2 = a.Hl, avec a compris entre 0,1 et 0,9, la nervure de hauteur H1 étant la nervure principale, et la nervure de hauteur H2 étant la nervure secondaire, ces deux nervures étant séparées par une rainure à fond plat.
  • Avec cette modalité, qui peut être utile dans des cas particuliers, seule la nervure de plus grande hauteur H1 est touchée par l'expansion du tube, alors que la seconde de hauteur H2 reste intacte.
  • Comme illustré sur la figure 11c, une nervure droite (2") peut être intercalée entre deux nervures obliques adjacentes (2Comm, 2'), ladite nervure droite présentant une hauteur H' < H ou inférieure à H1.
  • Généralement, ladite nervure (2) et ladite rainure (3) peuvent avoir sensiblement la forme de parallélogrammes, le rapport des surfaces SN / SR étant sensiblement égal au rapport LN/LR, SN et SR désignant respectivement la surface de ladite nervure (2) et de ladite rainure (3).
  • Comme cela apparaît en comparant les figures 3a à 3b avec les figures 4a à 4b, la forme géométrique des nervures (2,2') selon l'invention n'évite pas une certaine déformation de ces nervures et un certain écrasement de ces nervures, mais, d'une part, cette déformation est relativement limitée compte tenu de la puissance et de la résistance opposée par ces nervures à l'écrasement durant l'expansion du tube, et d'autre part, une fois déformées, ces nervures conservent sensiblement la même forme, de sorte qu'il ne se produit pas de diminution importante des performances du tube avant et après expansion du tube.
  • Selon l'invention, les tubes (1) peuvent être en Cu et alliages de Cu, A1 et alliages d'Al, Fe et alliages de Fe.
  • Ces tubes (1), typiquement non cannelés, peuvent être obtenus typiquement par rainurage de tubes, ou éventuellement, par rainurage à plat d'une bande métallique puis formation d'un tube soudé.
  • Ces tubes peuvent présenter une section transversale typiquement ronde, ovale ou rectangulaire, en fonction du procédé de fabrication, une section ronde étant obtenue par rainurage d'un tube lisse de section ronde.
  • Un autre objet de l'invention est constitué par des échangeurs de chaleur ou batteries (4) utilisant des ailettes (5) et des tubes expansés (1') formés par expansion de tubes (1) selon l'invention.
  • Un autre objet de l'invention est constitué par un procédé de fabrication de tubes rainurés dans lequel on comprime radialement un tube non rainuré (1") sur un mandrin de rainurage (70) doté sur sa surface périphérique d'une pluralité de rainures (700), à l'aide d'un moyen de compression radiale (71), de manière à former un tube rainuré (1) doté d'une pluralité de nervures (2) sur sa surface intérieure, ledit tube rainuré ainsi formé (1) étant tiré par un moyen de traction (72) selon une direction dite axiale (10) de déplacement dudit tube rainuré (1), ledit moyen de compression radiale (71) et ledit mandrin de rainurage (70) restant fixes par rapport à ladite direction axiale (10), ledit mandrin de rainurage (70) étant un mandrin placé à l'intérieur dudit tube non rainuré (1") et solidaire d'un mandrin flottant (73) retenu en amont du mandrin de rainurage (70) par une filière de maintien (74), ledit moyen de compression radiale (71) comprenant une cage rotative (710) dotée d'une pluralité d'éléments (711), typiquement d'une pluralité de billes (711'), tournant autour dudit tube non rainuré (1") au droit dudit maridrin de rainurage (70) selon un sens de rotation prédéterminé par rapport à ladite direction axiale (10), caractérisé en ce que :
    1. a) lesdites rainures (700) de ladite pluralité de rainures sont des rainures hélicoïdales, de pas droit ou gauche, de manière à obtenir un tube rainuré (1) d'angle d'hélice β ≠ 0,
    2. b) lesdites rainures (700) de ladite pluralité de rainures sont des rainures inclinées, avec une inclinaison droite ou gauche, de manière à obtenir un tube rainuré (1) dont les nervures (2) présentent un angle d'inclinaison γ > 0°,
    3. c) on choisit ledit sens de rotation de ladite cage rotative (710), ledit sens étant direct ou inverse, en fonction notamment dé ladite inclinaison droite ou gauche desdites rainures (700), de manière à former ladite pluralité de nervures (2) desdits tubes rainurés (1) dans leur intégralité, ledit pas droit ou gauche dudit mandrin de rainurage (70), ladite inclinaison droite ou gauche desdites rainures (700) et ledit sens de rotation direct ou inverse de ladite cage rotative (710) étant déterminés relativement à un observateur placé à l'arrière et au-dessus dudit mandrin de rainurage (70) et regardant dans ladite direction axiale (10) de défilement dudit tube rainuré (1), ledit sens de rotation direct étant celui des aiguilles d'une montre.
      Ce procédé utilise un dispositif de rainurage, par exemple un dispositif de rainurage tel que décrit dans le brevet français n° 2 707 534 au nom de la demanderesse, la figure 6a qui schématise ce procédé correspondant à la figure 2a de ce brevet.
  • En effet, la demanderesse a observé que les conditions expérimentales avaient une grande influence sur le résultat obtenu.
    Une pluralité de nervures (2) n'est correctement formée que dans les conditions suivantes :
    1. a) lorsque ledit sens de rotation de ladite cage rotative (710) est direct, lesdites rainures hélicoïdales (700) dudit mandrin de rainurage (70) présentent une inclinaison gauche, ledit pas dudit mandrin de rainurage (70) étant droit ou gauche, comme illustré sur les figures 6b à 7,
    2. b) lorsque ledit sens de rotation de ladite cage rotative (710) est inverse, lesdites rainures hélicoïdales (700) dudit mandrin de rainurage (70) présentent une inclinaison droite, ledit pas étant droit ou gauche, comme illustré sur les figures 10a et 10b.
      Lorsque ces conditions ne sont pas respectées, la demanderesse a observé que les rainures (700) se remplissaient mal ou de manière incomplète, de sorte que les nervures (2) correspondantes du tube rainuré (1) étaient défectueuses.
  • Un autre objet de l'invention est constitué par un procédé de fabrication de tubes selon l'invention, typiquement non cannelés, obtenus par rainurage à plat d'une bande métallique puis formation d'un tube soudé.
    • EXEMPLES DE REALISATION
  • On a fabriqué un tube (1) en cuivre, comme illustré sur les figures 1b et 3a à 3b, par rainurage d'un tube lisse, à l'aide du procédé selon l'invention, à l'aide du dispositif de rainurage illustré sur les figures 6a à 7 en utilisant un mandrin de rainurage (70) doté d'une pluralité de rainures (700) inclinées vers la gauche, et en faisant tourner la cage rotative (710) dans le sens direct.
  • On a également fabriqué des tubes selon l'invention à l'aide du dispositif de rainurage illustré sur les figures 10a et 10b en utilisant un mandrin de rainurage (70) doté d'une pluralité de rainures (700) inclinées vers la droite, et en faisant tourner la cage rotative (710) dans le sens inverse.
  • Des essais conduits, selon les figures 9a et 9b, avec ce même mandrin de rainurage (70), mais en faisant tourner la cage rotative (710) dans le sens inverse ont été négatifs.
    De même, des essais conduits selon les figures 8a et 8b, avec un mandrin de rainurage (70) doté d'une pluralité de rainures (700) inclinées à droite, et en faisant tourner la cage rotative (710) dans le sens direct, ont été négatifs.
  • Ce tube (1) présente un diamètre extérieur De de 15,87 mm et une épaisseur à fond de rainure Tf de 0,51 mm.
    La hauteur H de rainures est de 0,32 mm.
    Le nombre N de rainures est de 75.
    Le diamètre Di, égal à De-2.Tf, vaut 14,85 mm.
    Le pas P, égal à π.Di/N, vaut 0,62 mm.
    Le rapport LN/LR vaut 0,59, de sorte que la base B (20) présente une largeur LN qui vaut environ 0,23 mm.
    Ladite nervure (2) présente une largeur à mi-hauteur LN1/2 égale à égale à 0,77.LN.
    En ce qui concerne les angles :
    • l'angle d'apex α vaut 22°
    • l'angle d'hélice β vaut 20°.
    • l'angle γ vaut 15°. Cet angle est formé entre ladite direction radiale (11) et la droite médiane (24) passant par le milieu de ladite base B (20) de ladite nervure (2) et par le milieu de la largeur de la nervure (2) prise à sa mi-hauteur H/2.
    • l'angle δ vaut environ 18°.
  • On a réalisé une coupe transversale de ce tube (1), comme représenté sur la figure 3a et 3b.
  • On a mesuré les performances de ce tube (1) en évaporation à 8°C avec de l'eau glycolée (27% en masse) comme fluide et pour différentes valeurs du nombre de Reynolds Re.
  • Les résultats ont été représentés sur les figures 5a et 5b.
    Le tube A est le tube (1) selon l'invention.
  • Le tube B est un tube analogue au tube A (même diamètre De, même N, même H, même angle β, etc...) mais qui en diffère en ce que les nervures sont des nervures triangulaires d'angle d'apex α égal à 60°, et en ce que l'angle γ vaut zéro, les nervures triangulaires n'étant pas inclinées.
  • Le diagramme 5a montre le grand intérêt d'un tube rainuré (1) selon l'invention. De plus, dans une large part du domaine du nombre de Reynolds, la perte de charge d'un tel tube A est moindre que celle du tube correspondant B.
  • On a utilisé ce tube pour former une batterie par expansion du tube dans des ailettes, comme schématisé sur les figures 2a et 2b.
  • Après expansion, on a réalisé une coupe transversale selon les figures 4a et4b.
    On a observé que :
    • la hauteur H a diminué d'environ 13 %
    • la largeur des rainures a augmenté d'environ 16%
    • l'angle δ est devenu nul.
      Comme on peut le voir en comparant les figures 3a à 3b et 4a à 4b, les nervures sont devenues un peu plus "trapues" après expansion du tube, mais elles ont conservé leur forme générale et leur inclinaison γ a été peu modifiée.
      Les mesures de performances effectuées sur ces tubes ont montré une très faible diminution des performances mesurées sur tubes avant expansion.
  • On a également fabriqué des tubes rainurés (1) analogues dotés de nervures obliques de différentes hauteurs, comme illustré sur la figure 11, avec H2= 0,85. H1.
  • On a également fabriqué des tubes rainurés (1) analogues dotés de nervures droites (2"), comme illustré sur la figure 11c, toute nervure droite (2") étant intercalée entre deux nervures obliques (2).
  • Dans ce cas, on a fabriqué un tube rainuré (1) doté de 80 nervures régulièrement espacées : 40 étant des nervures obliques (2) et 40 étant des nervures droites (2").
    • AVANTAGES DE L'INVENTION
  • L'invention présente de grands avantages.
    En effet, elle permet d'une part d'avoir des tubes échangeurs d'une grande efficacité en ce qui concerne l'échange thermique grâce à un coefficient d'échange Hi très élevé, et cela tout en conservant une perte relativement faible.
  • Par ailleurs, ces tubes présentent une résistance élevée à la déformation suite à l'expansion du tube pour former des batteries, et surtout conservent des performances élevées après expansion. En effet, les tubes selon l'invention conviennent à la fois pour la fabrication d'échangeurs à ailettes, comme illustré sur la figure 2b, et pour les échangeurs tubulaires, comme illustré sur la figure 2c.
  • Enfin, ces tubes ont pu être fabriqués par rainurage de tubes lisses, à grande cadence comme dans le cas de la fabrication de tubes rainurés classiques.
    • LISTE DES REPERES DES FIGURES
  • Tube rainuré 1
    Tube expansé 1'
    Tube non rainuré 1"
    Direction axiale 10
    Direction radiale 11
    Nervure oblique 2
    Nervure inclinée tétragonale 2'
    Nervure droite 2"
    Base B 20
    Côté sommital S 21
    Côté latéral CL1 22
    Côté latéral CL2 23
    Droite médiane 24
    Rainure 3
    Fond de rainure 30
    Batterie 4
    Ailette 5
    Moyen d'expansion - bille 6
    Dispositif de rainurage 7
    Mandrin de rainurage 70
    Rainures de 70 700
    Moyen de compression radiale 71
    Cage rotative 710
    Eléments tournants, billes 711,711'
    Moyen de traction de 1 72
    Mandrin flottant 73
    Filière de maintien 74

Claims (23)

  1. Tube métallique (1) rainuré, d'épaisseur Tf en fond de rainure, de diamètre extérieur De, typiquement destiné à la fabrication d'échangeurs de chaleur ou batteries (4) utilisant un fluide frigoporteur ou caloporteur de type monophasique ou diphasique, ledit tube (1) étant rainuré intérieurement par N nervures hélicoïdales, avec N allant de 20 à 80 selon le diamètre extérieur De, d'angle d'apex α, de hauteur H selon une direction radiale (11) dudit tube, de base B de largeur LN et d'angle d'hélice β, deux nervures consécutives étant séparées par une rainure (3) à fond (30) typiquement plat de largeur LR, avec un pas P égal LR + LN, caractérisé en ce que :
    a) lesdites largeurs LN et LR sont telles que LN / LR soit compris entre 0,40 et 0,80,
    b) lesdites N nervures présentent une largeur à mi-hautetar LN1/2 au moins égale à 2.LN/3
    c) lesdites N nervures sont des nervures obliques (2), inclinées, typiquement dans un même sens, d'un angle y par rapport à ladite direction radiale (11) allant de 10° à 35°, ledit angle γ étant l'angle formé entre ladite direction radiale (11) et une droite médiane (24) passant par le milieu de ladite base B (20) de ladite nervure (2) et par le milieu de la largeur de la nervure (2) prise à sa mi-hauteur H/2,
    et dans lequel ladite nervure (2) est une nervure (2) qui présente une section tétragonale comprenant, outre sa base B (20), un côté sommital S (21) en regard de ladite base B (20), et deux côtés latéraux CL1 (22) et CL2 (23) formant entre eux ledit angle d'apex α, dont l'un CL1 (22) fait un angle θ1 inférieur à 90° avec ledit fond de rainure (30) adjacent, et dont l'autre CL2 (23) fait un angle θ2 typiquement supérieur à 90° avec ledit fond de rainure (30) adjacent, ledit angle d'apex allant de 10° à 35°
    de manière à présenter une résistance élevée à l'écrasement, des capacités d'échange thermique élevées et une faible perte de charge, quand ledit tube est solidarisé à des ailettes de refroidissement dans une batterie,
  2. Tube métallique selon la revendication 1 dans lequel ledit côté latéral CL2 fait un angle θ2 supérieur à 90° avec ledit fond de rainure (30) adjacent.
  3. Tube métallique selon une quelconque des revendication 1 à 2 dans lequel ladite nervure (2) présente une largeur à mi-hauteur LN1/2 au moins égale à 0,70.LN.
  4. Tube métallique selon la revendication 3 dans lequel ladite nervure (2) présente une largeur à mi-hauteur LN1/2 au moins égale à 0,75.LN.
  5. Tube métallique selon une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel ledit côté sommital S (21) présente une largeur au moins égale à 0,3.LN, et de référence au moins égale à 0,4.LN.
  6. Tube selon une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel ledit côté sommital S (21) est incliné par rapport à ladite base B (20) avec un angle δ allant de 5° à 35°.
  7. Tube selon la revendication 6 dans lequel ledit angle δ a son sommet plus proche du côté latéral CL2 (23) que du côté CL1 (22).
  8. Tube selon une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel lesdites nervures (2, 2') sont de hauteur H telle que H/De soit égal à 0,020 ± 0,005, H et De étant exprimés en mm.
  9. Tube selon une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel le nombre N de nervures (2, 2') est tel que N/De soit égal à 4,5 ± 0,5, le pas P correspondant étant égal à π.Di/N, avec Di égal à De-2.Tf, et De étant exprimé en mm.
  10. Tube selon une quelconque des revendications 1 à 9 dans lequel ledit angle d'hélice β va de 5° à 25°.
  11. Tube selon une quelconque des revendications 1 à 10 dont l'épaisseur Tf est telle que Tf /De soit égal à 0,03± 0,005, Tf et De étant exprimés en mm, avec De allant 6 mm à 18 mm.
  12. Tube selon une quelconque des revendications 1 à 11 dans lequel le rapport P/H va de 1,5 à 3 et préférence de 1,7 à 2,3.
  13. Tube selon une quelconque des revendications 1 à 12 dans lequel lesdits côtés latéraux CL1 (22) et CL2 (23) se raccordent aux dits fonds de rainures (30) adjacents avec des rayons de courbure R typiquement inférieurs à 100 µm, et typiquement inférieure à 50 µm.
  14. Tube selon une quelconque des revendications 1 à 13 dans lequel lesdites nervures (2, 2') forment une succession de nervures de hauteur H1=H et de hauteur H2 = a.H1, avec a compris entre 0,1 et 0,9, la nervure de hauteur H1 étant la nervure principale, et la nervure de hauteur H2 étant la nervure secondaire, ces deux nervures étant séparées par une rainure à fond plat.
  15. Tube selon une quelconque des revendications 1 à 14 dans lequel une nervure droite (2") est intercalée entre deux nervures obliques adjacentes (2, 2'), ladite nervure droite présentant une hauteur H' < H ou inférieure à H1.
  16. Tube selon une quelconque des revendications 1 à 15 dans lequel ladite nervure (2) et ladite rainure (3) ont sensiblement la forme de parallélogrammes, le rapport des surfaces SN / SR étant sensiblement égal au rapport LN/LR, SN et SR désignant respectivement la surface de ladite nervure (2) et de ladite rainure (3).
  17. Tube selon une quelconque des revendications 1 à 16 en Cu et alliages de Cu, Al et alliages d'Al, Fe et alliages de Fe.
  18. Tube selon une quelconque des revendications 1 à 17 de section transversale typiquement ronde, ovale ou rectangulaire.
  19. Echangeur de chaleur ou batterie (4) utilisant des ailettes (5) et des tubes expansés (1') formés par expansion de tubes (1) selon une quelconque des revendications 1 à 18.
  20. Procédé de fabrication de tubes rainurés selon une quelconque des revendications 1 à 18 dans lequel on comprime radialement un tube non rainuré (1") sur un mandrin de rainurage (70) doté sur sa surface périphérique d'une pluralité de rainures (700), à l'aide d'un moyen de compression radiale (71), de manière à former un tube rainure (1) doté d'une pluralité de nervures (2) sur sa surface intérieure, ledit tube rainuré ainsi formé (1) étant tiré par un moyen de traction (72) selon une direction dite axiale (10) de déplacement dudit tube rainuré (1), ledit moyen de compression radiale (71) et ledit mandrin de rainurage (70) restant fixes par rapport à ladite direction axiale (10), ledit mandrin de rainurage (70) étant un mandrin placé à l'intérieur dudit tube non rainuré (1") et solidaire d'un mandrin flottant (73) retenu en amont du mandrin de rainurage (70) par une filière de maintien (74), ledit moyen de compression radiale (71) comprenant une cage rotative (710) dotée d'une pluralité d'éléments (711), typiquement d'une pluralité de billes (711'), tournant autour dudit tube non rainuré (1") au droit dudit mandrin de rainurage (70) selon un sens de rotation prédéterminé par rapport à ladite direction axiale (10), caractérisé en ce que :
    a) lesdites rainures (700) de ladite pluralité de rainures sont des rainures hélicoïdales, de pas droit ou gauche, de manière à obtenir un tube rainuré (1) d'angle d'hélice β ≠ 0,
    b) lesdites rainures (700) de ladite pluralité de rainures sont des rainures inclinées, avec une inclinaison droite ou gauche, de manière à obtenir un tube rainuré (1) dont les nervures (2) présentent un angle d'inclinaison γ,
    c) on choisit ledit sens de rotation de ladite cage rotative (710), ledit sens étant direct ou inverse, en fonction notamment de ladite inclinaison droite ou gauche desdites rainures (700), de manière à former ladite pluralité de nervures (2) desdits tubes rainurés (1) dans leur intégralité, ledit pas droit ou gauche dudit mandrin de rainurage (70), ladite inclinaison droite ou gauche desdites rainures (700) et ledit sens de rotation direct ou inverse de ladite cage rotative (710) étant déterminés relativement à un observateur placé à l'arrière et au-dessus dudit mandrin de rainurage (70) et regardant dans ladite direction axiale (10) de défilement dudit tube rainuré (1), ledit sens de rotation direct étant celui des aiguilles d'une montre.
  21. Procédé selon la revendication 20 dans lequel, lorsque ledit sens de rotation de ladite cage rotative (710) est direct, lesdites rainures hélicoïdales (700) dudit mandrin de rainurage (70) présentent une inclinaison gauche, ledit pas dudit mandrin de rainurage (70) étant droit ou gauche.
  22. Procédé selon la revendication 20 dans lequel, lorsque ledit sens de rotation de ladite cage rotative (710) est inverse, lesdites rainures hélicoïdales (700) dudit mandrin de rainurage (70) présentent une inclinaison droite, ledit pas étant droit ou gauche.
  23. Procédé de fabrication de tubes rainurés selon une quelconque des revendications 1 à 18, typiquement non cannelés, obtenus par rainurage à plat d'une bande métallique puis formation d'un tube soudé.
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