EP2342523B1 - Ailette pour echangeur de chaleur et echangeur de chaleur comportant une telle ailette - Google Patents

Ailette pour echangeur de chaleur et echangeur de chaleur comportant une telle ailette Download PDF

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EP2342523B1
EP2342523B1 EP09823102.0A EP09823102A EP2342523B1 EP 2342523 B1 EP2342523 B1 EP 2342523B1 EP 09823102 A EP09823102 A EP 09823102A EP 2342523 B1 EP2342523 B1 EP 2342523B1
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EP
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fin
heat exchanger
tubes
hole
tube
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EP09823102.0A
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EP2342523A1 (fr
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Patrick Boisselle
Erwan Vigneras
Gérard Gille
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Valeo Systemes Thermiques SAS
Original Assignee
Valeo Systemes Thermiques 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
    • F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
    • F28F1/24—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely
    • F28F1/32—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely the means having portions engaging further tubular elements
    • F28F1/325—Fins with openings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2240/00—Spacing means

Definitions

  • the invention relates to a fin for heat exchanger according to the preamble of claim 1 and a heat exchanger comprising such a fin.
  • Such a fin is known, for example, from FIG. EP 0 903 555 A2 .
  • a fin for a heat exchanger comprising a body provided with at least one hole for the passage of a tube of the heat exchanger and a means called spacing, fin in which the hole has an outline with two so-called large sides and two so-called small sides, and, wherein the spacing means is located on a small side of the contour of the passage hole of the tube.
  • Such a fin is used in a so-called mechanical type exchanger with reference to its method of assembly, for example an engine cooling radiator.
  • a mechanical type heat exchanger is generally composed of at least one heat exchange bundle comprising tubes and heat exchange elements, called fins.
  • the fins are placed parallel to each other and perpendicular to the tubes. In other words, the fins are superimposed on each other.
  • the fins are pierced with holes allowing the passage of the tubes, the number of holes being equal to the number of tubes of said row.
  • Maintaining the tubes-aillettes beam is made mechanically by means of a tool, also called olive, introduced inside the tubes so as to deform the walls of the tubes and forcibly apply against the holes made in the fins.
  • a tool also called olive
  • the fins are spaced two by two in a separation step, of the order of a millimeter, for example.
  • the ends of the tubes are then each inserted in a collector plate provided with openings for receiving the tubes.
  • the collector plates are subsequently capped by lids so as to form collector boxes.
  • a fin as described above is particularly known from the document US 3,771,595 .
  • the step of separation between two adjacent fins is carried out by means of spacing means.
  • This spacing means is obtained by cutting and perforating the metal strip constituting the fin in an identical cut the shape of the section of the tubes, while sparing pieces of material around the perimeter of the cut. These pieces of material, also called collars, are then raised to form the spacing means.
  • the heat exchanger of the document US 3,771,595 have oval section tubes.
  • the passage holes for the tubes of the fin are therefore also oval with two perpendicular axes of symmetry respectively having a large and a small dimension.
  • these fins have the disadvantage of being unable to be applied to heat exchangers in which the separation pitch between two fins is greater than the smallest dimension of the passage hole for the tube of the heat exchanger.
  • the separation pitch of the fin can not be greater than the small size of the passage hole of the tube.
  • the separation step is limited by the height of the collar.
  • the invention proposes a fin according to claim 1.
  • Such a fin makes it possible to obtain a separation pitch greater than the smallest dimension of the tube passage and this taking into account a possible recalibration of the separation step.
  • the bearing surface is located in the extension of the spacer means, which allows to adjust the separation step regardless of the height of the spacer or collar.
  • the invention also relates to a heat exchanger comprising at least one fin as described above and wherein the fin is traversed by heat exchange tubes.
  • a heat exchanger 1 of the mechanical type comprises two manifolds 2.
  • the manifolds 2 are placed in communication via at least one set of aligned tubes 4, in which a coolant circulates.
  • the heat exchanger 1 may in particular be used as a cooling radiator of the engine coolant.
  • the coolant is engine coolant such as, for example, water with added glycol.
  • the tubes 4 are oblong with two so-called large sides and two so-called small sides, the short sides being rounded.
  • the large opposite sides each have a concavity.
  • This form of tube is also called “bean” or "peanut” form.
  • the tubes 4 are aligned in parallel in a direction said first direction.
  • the first direction is, here, perpendicular to the direction of a flow of air F through the heat exchanger. In other words, the tubes are superimposed on each other in a first direction.
  • the coolant circulating in the tubes 4 exchanges calories with the air flow F.
  • a fin 6 is intended to be traversed by the air flow in a given direction said second direction.
  • the fins 6 are arranged transversely to the axis of the tubes 4 and parallel to the manifolds 2. In other words, the fins 6 are superimposed on each other, the distance separating two adjacent fins being designated by separation step.
  • the direction of superposition of the fins 6 is perpendicular to the direction of superposition of tubes 4.
  • the fins 6 are metal strips of substantially rectangular shape and have dimensions in width and length substantially equal to those of the manifolds 2. Each fin 6 extends substantially along a plane called general extension plane.
  • a fin 6 comprises a body provided with at least one hole 8 for the passage of a tube 4 of the heat exchanger 1. This hole is shown in FIG. figure 3 of this application.
  • the hole 8 has an outline, here elongated corresponding to the shape of the tube 4 passing through the fin 6.
  • the outline of the tube 8 comprises two so-called long sides 10 and two so-called small sides 12.
  • the contour of the hole 8 has, here, an oblong shape where each of the two long sides 10 has a concavity.
  • oblong shape means a shape longer than wide and having at both ends a rounded portion.
  • the fin 6 further comprises a so-called spacing means 14.
  • the spacing means 14, also called pin, is, here, located on a small side 12 of the contour of the passage hole 8 of the tube 4.
  • the spacing means 14 is placed perpendicular to the direction of the air flow F.
  • the spacing means 14 extends from the body of the metal band constituting the fin and this in a plane different from the general plane of extension of the fin 6.
  • the spacing means 14 extends substantially perpendicular to the general extension plane of the fin.
  • the spacing means 14 is here made from the material of the fin body 6.
  • the spacing means 14 is obtained by, in particular, punching and lifting the metal forming the fin 6. During punching, it is expected to leave two strands of material, these two strands are then raised to form the means of spacing 14.
  • the spacing means or collar 14 defines the separation step between two adjacent fins of the heat exchange bundle. As a reminder, separation step means the distance separating two fins in the direction of stacking them in the heat exchanger.
  • the collar 14 further comprises a surface 16 adapted to support another fin.
  • the spacing means 14 is provided with an outgrowth 16 extending in a plane different from the plane of extension of the latter.
  • the protrusion or bearing surface 16 of the spacer means extends substantially parallel to the general extension plane of the fin 6. This protrusion allows the maintenance of a regular separation pitch between the fins 6 of the heat exchanger 1.
  • a surface 16 adapted to support another fin can be seen as a protuberance unfolding in a plane different from that of the collar 14.
  • the surface 16 adapted to support another fin is made in the form of a raised edge or tongue 16.
  • the spacing means 14 has an end connected to the fin 6 and a the distal end of the end connected to the fin 6.
  • the distal end of the spacer means 14 comprises the bearing surface 16, which here extends substantially parallel to the general extension plane of the fin 6.
  • the tongue 16 is in the extension of the spacing means 14 and is substantially elongate in shape, flat and narrow.
  • the connection between the spacing means 14 and the tongue 16 is effected via, here, a radiated part.
  • the tongue 16 is connected to the collar 14.
  • the tongue 16 is made of material material from the spacing means 14 and the body of the fin 6.
  • the surface 16 adapted to support another fin is obtained by rolling out the two strands of material forming the spacing means 14. This rolling is obtained using a radially punched.
  • a fin 6 according to the invention thus makes it possible to reuse a part of the material which is normally discarded after punching to create the hole 8 for the tube. It will be noted that this additional material stored on the exchanger and in contact with the tube is only beneficial for heat exchange.
  • the fin 6 further comprises at least one means 18 capable of disturbing the flow of air F.
  • the means 18 capable of disturbing the flow of air F is formed by louvers parallel to the direction of the air flow F.
  • the punching is carried out using punches adapted to the shape of the tube.
  • the punches used have a form called peanuts.
  • Additional manufacturing steps may be provided in which the height of the strands of material 14 is calibrated to obtain the desired pitch by means of a shaving pile and / or forming transverse slits in order to obtain the average 18 capable of disturbing the flow of air, and / or splitting the metal strip to obtain at least two metal strips.

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Description

  • L'invention concerne une ailette pour échangeur de chaleur conforme au préambule de la revendication 1 et un échangeur de chaleur comportant une telle ailette.
  • Une telle ailette est connue, par exemple, de la figure 10 du document EP 0 903 555 A2 .
  • Elle concerne plus particulièrement une ailette pour échangeur de chaleur comportant un corps muni d'au moins un trou pour le passage d'un tube de l'échangeur de chaleur et un moyen dit d'espacement, ailette dans laquelle le trou présente un contour avec deux dits grands cotés et deux dits petits cotés, et, dans laquelle le moyen d'espacement est situé sur un petit coté du contour du trou de passage du tube.
  • Une telle ailette est utilisée dans un échangeur dit de type mécanique en référence à son mode d'assemblage, par exemple un radiateur de refroidissement moteur.
  • Un échangeur de chaleur de type mécanique est généralement composé d'au moins un faisceau d'échange de chaleur comportant des tubes et des éléments d'échange thermique, appelées ailettes. Les ailettes sont placées parallèlement entre elles et perpendiculairement aux tubes. En d'autres termes, les ailettes sont superposées les unes sur les autres. D'une manière générale, les ailettes sont percées de trous permettant le passage des tubes, le nombre de trous étant égal au nombre de tubes de ladite rangée.
  • Le maintien du faisceau tubes-aillettes est réalisé mécaniquement au moyen d'un outil, aussi appelée olive, introduit à l'intérieur des tubes de manière à déformer les parois des tubes et les appliquer à force contre les trous pratiqués dans les ailettes. Les ailettes sont distantes deux à deux d'un pas de séparation, de l'ordre d'un millimètre par exemple.
  • Les extrémités des tubes sont ensuite, chacune, insérées dans une plaque collectrice munie d'ouvertures de réception des tubes. Les plaques collectrices sont ultérieurement coiffées par des couvercles de manière à former des boites collectrices.
  • Il est en outre connu, dans un échangeur de type mécanique, d'équiper la plaque collectrice d'un joint d'étanchéité. L'assemblage des tubes et des plaques collectrices est réalisé par une opération de sertissage, appelée « évasage », consistant à évaser les extrémités respectives des tubes pour comprimer le joint d'étanchéité et assurer ainsi un assemblage définitif et étanche entre les extrémités des tubes et la plaque.
  • Une ailette telle que décrite plus haut est notamment connue du document US 3 771 595 . Dans ce document, on réalise le pas de séparation entre deux ailettes adjacentes à l'aide d'un moyen d'espacement. Ce moyen d'espacement est obtenu en découpant et en perforant la bande métallique constituant l'ailette selon une découpe identique la forme de la section des tubes, tout en épargnant des morceaux de matière sur le pourtour de la découpe. Ces morceaux de matière, encore appelés collets, sont ensuite relevés de manière à former le moyen d'espacement.
  • L'échangeur de chaleur du document US 3 771 595 présentent des tubes de section ovale. Les trous de passage pour les tubes de l'ailette sont donc eux aussi de forme ovale avec deux axes de symétrie perpendiculaires présentant respectivement une grande et une petite dimension.
  • Cependant, ces ailettes présentent l'inconvénient de ne pouvoir être appliquées à des échangeurs de chaleur dans lesquels le pas de séparation entre deux ailettes est supérieur à la plus petite dimension du trou de passage pour le tube de l'échangeur de chaleur.
  • En effet, dans un tel cas, le pas de séparation de l'ailette ne peut pas être supérieur à la petite dimension du trou de passage du tube. Autrement dit, dans ce document, le pas de séparation est limité par la hauteur du collet.
  • Pour remédier à cet inconvénient, l'invention propose une ailette conforme à la revendication 1.
  • Une telle ailette permet d'obtenir un pas de séparation supérieur à la plus petite dimension du passage tube et ceci en tenant compte d'un recalibrage éventuel du pas de séparation.
  • En effet, dans le cadre de l'invention, la surface d'appui est située dans le prolongement du moyen d'espacement, ce qui permet de régler le pas de séparation indépendamment de la hauteur du moyen d'espacement ou collet.
  • Des modes de réalisations particuliers de l'invention proposent que :
    • la surface d'appui apte à supporter une autre ailette soit réalisée venue de matière dudit moyen d'espacement,
    • la surface d'appui apte à supporter une autre ailette soit réalisé sous la forme d'un bord relevé sensiblement parallèle à un plan dit d'extension générale de l'ailette,
    • l'ailette comporte en outre au moins un moyen apte à perturber un flux d'air traversant l'ailette, et
    • le moyen apte à perturber le flux d'air est réalisé par des persiennes, lesdites persiennes étant parallèle à la direction dudit flux d'air.
  • L'invention concerne aussi un échangeur de chaleur comportant au moins une ailette telle que décrite précédemment et dans lequel l'ailette est traversée par des tubes d'échange de chaleur.
  • Dans la description détaillée qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés sur lesquels :
    • La figure 1 représente une vue schématique d'un échangeur de chaleur de type mécanique,
    • La figure 2 une vue partielle en perspective et de dessus un faisceau de tubes et d'ailettes selon l'invention
    • La figure 3 une vue partielle en perspective d'une ailette selon l'invention,
    • La figure 4 représente une vue partielle en perspective et de coté un faisceau de tubes et d'ailettes selon l'invention, et
    • La figure 5 représente les différentes étapes d'une partie du procédé de fabrication d'une ailette selon l'invention.
  • Tel qu'illustré à la figure 1, un échangeur de chaleur 1 de type mécanique comporte deux boîtes collectrices 2. Les boites collectrices 2 sont mises en communication par l'intermédiaire d'au moins une série de tubes 4 disposés alignés, dans lesquels circulent un fluide caloporteur.
  • L'échangeur de chaleur 1 pourra notamment être utilisé en tant que radiateur de refroidissement du liquide de refroidissement moteur. Dans un tel cas, le fluide caloporteur est du liquide de refroidissement moteur tel que, par exemple, de l'eau additionnée de glycol.
  • Dans le mode de réalisation illustré aux figures 2 à 4, les tubes 4 sont de forme oblongue avec deux dits grands cotés et deux dits petits cotés, les petits cotés étant de forme arrondie. Dans ce mode de réalisation, les grands côtés opposés présentent chacun une concavité. Cette forme de tube est aussi appelée forme en « haricot » ou « cacahouète ».
  • Les tubes 4 sont alignés de manière parallèle selon une direction dite première direction. La première direction est, ici, perpendiculaire à la direction d'un flux d'air F traversant l'échangeur de chaleur. Autrement dit, les tubes sont superposés les uns sur les autres selon une première direction.
  • Le fluide caloporteur circulant dans les tubes 4 échange des calories avec le flux d'air F. Pour augmenter l'échange thermique entre le fluide caloporteur et le flux d'air, il est prévu, entre les boîtes collectrices 2 des éléments d'échange de chaleur parallèles, ici réalisés sous la forme d'ailettes 6. Une ailette 6 est destinée à être traversée par le flux d'air selon une direction donnée dite deuxième direction.
  • Les ailettes 6 sont disposées transversalement à l'axe des tubes 4 et de manière parallèle aux boîtes collectrices 2. Autrement dit, les ailettes 6 sont superposées les unes sur les autres, la distance séparant deux ailettes adjacentes étant désignée par pas de séparation. La direction de superposition des ailettes 6 est perpendiculaire à la direction de superposition des tubes 4.
  • Dans cet exemple, les ailettes 6 sont des bandes métalliques de forme sensiblement rectangulaire et présentent des dimensions en largeur et en longueur sensiblement égales à celles des boîtes collectrices 2. Chaque ailette 6 s'étend selon sensiblement un plan dit plan d'extension générale.
  • Une ailette 6 comporte un corps muni d'au moins un trou 8 pour le passage d'un tube 4 de l'échangeur de chaleur 1. Ce trou est représenté à la figure 3 de la présente demande.
  • Le trou 8 présente un contour, ici, allongé correspondant à la forme du tube 4 traversant l'ailette 6. Dans le mode de réalisation présenté ici, le contour du tube 8 comporte deux dits grands cotés 10 et deux dits petits cotés 12.
  • Plus particulièrement, le contour du trou 8 présente, ici, une forme oblongue où chacun des deux grands cotés 10 comporte une concavité. On entend par forme oblongue, une forme plus longue que large et présentant à ces deux extrémités une partie arrondie.
  • L'ailette 6 comporte en outre un moyen dit d'espacement 14. Le moyen d'espacement 14, encore appelé picot, est, ici, situé sur un petit coté 12 du contour du trou 8 de passage du tube 4. Ici, le moyen d'espacement 14 est placé de manière perpendiculaire à la direction du flux d'air F.
  • Dans cet exemple, le moyen d'espacement 14 s'étend à partir du corps de la bande métallique constituant l'ailette et ceci selon un plan différent du plan d'extension générale de l'ailette 6. Ici, le moyen d'espacement 14 s'étend de manière sensiblement perpendiculaire au plan d'extension général de l'ailette. Le moyen d'espacement 14 est ici réalisé venue de matière du corps de l'ailette 6.
  • Le moyen d'espacement 14 est obtenu par, notamment, poinçonnage et relevage de la métallique formant l'ailette 6. Lors du poinçonnage, on prévoit de laisser subsister deux brins de matière, ces deux brins sont ensuite relevés pour former le moyen d'espacement 14.
  • Le moyen d'espacement ou collet 14 permet de définir le pas de séparation entre deux ailettes adjacentes du faisceau d'échange de chaleur. Pour rappel, on entend par pas de séparation, la distance séparant deux ailettes dans le sens de l'empilement ces dernières dans l'échangeur de chaleur.
  • Selon l'invention, le collet 14 comporte en outre une surface 16 apte à supporter une autre ailette.
  • En d'autres termes, le moyen d'espacement 14 est muni d'une excroissance 16 s'étendant dans un plan différent du plan d'extension de ce dernier. Ici, l'excroissance ou surface d'appui 16 du moyen d'espacement s'étend de manière sensiblement parallèle au plan d'extension générale de l'ailette 6. Cette excroissance permet le maintien d'un pas de séparation régulier entre les ailettes 6 de l'échangeur de chaleur 1.
  • Encore autrement dit, une surface 16 apte à supporter une autre ailette peut être vu comme une protubérance se déployant dans un plan différent de celui du collet 14.
  • Dans le mode de réalisation représenté, la surface 16 apte à supporter une autre ailette est réalisée sous la forme d'un bord relevé ou languette 16. Autrement dit, le moyen d'espacement 14 comporte une extrémité liée à l'ailette 6 et une extrémité distale de l'extrémité liée à l'ailette 6. L'extrémité distale du moyen d'espacement ou collet 14 comporte la surface d'appui 16, qui, ici, s'étend de manière sensiblement parallèle au plan d'extension générale de l'ailette 6.
  • La languette 16 se situe dans le prolongement du moyen d'espacement 14 et est de forme sensiblement allongée, plate et étroite. La liaison entre le moyen d'espacement 14 et la languette 16 s'effectue par l'intermédiaire, ici, d'une partie rayonnée. Autrement dit, la languette 16 est liée au collet 14. Encore autrement dit, la languette 16 est réalisée venue de matière de matière du moyen d'espacement 14 et du corps l'ailette 6.
  • La surface 16 apte à supporter une autre ailette est obtenue par roulage vers l'extérieur des deux brins de matière formant le moyen d'espacement 14. Ce roulage est obtenu à l'aide d'un poinçon rayonné.
  • Une ailette 6 selon l'invention permet ainsi de réutiliser une partie de la matière qui est normalement jeter suite au poinçonnage pour créer le trou 8 pour le tube. On remarquera que cette matière supplémentaire conservée sur l'échangeur et en contact du tube n'est que bénéfique pour l'échange thermique.
  • L'ailette 6 comporte en outre au moins un moyen 18 apte à perturber le flux d'air F. Ici, le moyen 18 apte à perturber le flux d'air F est réalisé par des persiennes parallèles à la direction du flux d'air F.
  • Une ailette 6 pourra notamment être obtenue par un procédé comportant au moins les étapes suivantes :
    • On poinçonne la bande métallique de manière à former le trou 8 pour le passage du tube 4 tout en conservant deux brins de matières 14 (étape A),
    • On relève les deux brins de matière 14 à l'aide d'un poinçon et d'une matrice (étape B)
    • On roule les deux brins de matière 14 vers l'extérieur de trou 8 à l'aide d'un poinçon rayonné (étape C) de manière à former la surface 16 apte à supporter une autre ailette.
  • On remarquera que le poinçonnage s'effectue à l'aide de poinçons adaptés à la forme du tube. Ici, les poinçons utilisés ont une forme dite de cacahouètes.
  • On pourra prévoir des étapes supplémentaires de fabrication dans lesquelles on calibre la hauteur des brins de matières 14 afin d'obtenir le pas désiré à l'aide d'un tas de retassage et/ou on forme de fentes transversales de manière à obtenir le moyen 18 apte à perturber le flux d'air, et/ou on fend la bande métallique pour obtenir au moins deux bandes métallique.
  • L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits ci avant, seulement à titre d'exemples, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art dans le cadre des revendications ci-après. Les variantes décrites précédemment peuvent être prises séparément ou en combinaison les unes avec les autres.

Claims (6)

  1. Ailette (6) pour échangeur de chaleur comportant un corps muni d'au moins un trou (8) pour le passage d'un tube (4) dudit échangeur de chaleur (1) et un moyen (14) dit d'espacement, le trou (8) présentant un contour avec deux dits grands cotés (10) et deux dits petits cotés (12), et, le moyen d'espacement (14) étant situé sur un petit coté (12) du contour du trou (8) de passage du tube (4), le moyen d'espacement (14) comportant une surface d'appui (16) apte à supporter une autre ailette et réalisée sous la forme d'un bord relevé (16) sensiblement parallèle à un plan dit d'extension générale de l'ailette, caractérisé en ce que le moyen d'espacement (14) définissant un pas de séparation entre ladite ailette et une ailette adjacente de l'échangeur de chaleur supérieur à la plus petite dimension dudit trou (8).
  2. Ailette selon la revendication précédente, dans laquelle la surface d'appui (16) apte à supporter une autre ailette est réalisée venue de matière dudit moyen d'espacement (14).
  3. Ailette selon la revendication 1 ou 2 comportant en outre au moins un moyen (18) apte à perturber un flux d'air (F) traversant ladite ailette (6).
  4. Ailette selon la revendication précédente, dans laquelle ledit moyen (18) apte à perturber ledit flux d'air est réalisé par des persiennes, lesdites persiennes étant parallèle à la direction dudit flux d'air (F).
  5. Echangeur de chaleur (1) comportant au moins une ailette (6) selon l'une des revendications précédentes, ladite ailette étant traversée par des tubes (4) dans lesquels circule un fluide caloporteur.
  6. Echangeur de chaleur selon la revendication précédente, dans lequel les tubes (4) ont une forme oblongue.
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