ES2545697T3 - Intercambiador de calor con placa colectora - Google Patents

Intercambiador de calor con placa colectora Download PDF

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Abstract

Intercambiador de calor que incluye un haz de intercambio de calor (2) y al menos una caja colectora (6, 8) que incluye una tapa y una placa colectora (14) apta para recibir dicha tapa, incluyendo dicho haz (2) unos tubos (4) de forma oval o alargada, incluyendo dicha placa colectora agujeros (18) para el paso de dichos tubos (4), presentando dichos agujeros (18) una periferia dotada de un collarín (20) de forma oval o alargada, incluyendo dicho intercambiador, además, una junta de estanqueidad (26) que, apta para aplicarse contra dicha placa colectora (14), incluye una pestaña (30) que presenta sensiblemente la misma forma que la del collarín (20) de la placa colectora (14) y que se halla inserta en dicho collarín (20), caracterizado por que dicho collarín (20) presenta una altura (H1, H2) variable en la periferia del agujero (18) tal que la altura de dichos collarines (20) se ve aumentada en las zonas donde menos resistencia a la compresión ofrece el tubo (4), en orden a equilibrar la distribución de los esfuerzos de compresión de dicha junta (26) sobre la periferia de la sección de dicho tubo (4).

Description

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DESCRIPCIÓN
Intercambiador de calor con placa colectora
La invención se refiere al campo de los intercambiadores de calor, en particular para vehículo automóvil.
La invención es de particular aplicación en un intercambiador de tipo mecánico que incluye un haz de intercambio de calor que incluye tubos y elementos de intercambio térmico, denominados aletas. Las aletas se ubican paralelamente entre sí y perpendicularmente a los tubos. Dicho de otro modo, las aletas se hallan superpuestas unas sobre otras. De una manera general, las aletas llevan taladrados agujeros que permiten el paso de los tubos, siendo el número de agujeros igual al número de tubos de dicha hilera.
En este caso, la sujeción del haz tubos -aletas se realiza mecánicamente por medio de un útil, también denominado oliva, introducido en el interior de los tubos en orden a deformar las paredes de los tubos y aplicarlas forzando contra los agujeros practicados en las aletas. Las aletas distan, dos a dos, un paso de separación, del orden de un milímetro, por ejemplo.
Más en particular, la invención se refiere a los intercambiadores de calor que tienen placas colectoras que comprenden una multitud de agujeros aptos para recibir los extremos de los tubos del intercambiador de calor. Los extremos de los tubos van insertos, cada uno de ellos, en una placa colectora dotada de aberturas de recepción de los tubos. Las placas colectoras, ulteriormente, son rematadas con tapas en orden a determinar cajas colectoras.
Se conoce además, en un intercambiador de tipo mecánico, equipar la placa colectora con una junta de estanqueidad. El ensamble de los tubos y de las placas colectoras se realiza mediante una operación de engaste, denominada “abocardado”, consistente en abocardar los respectivos extremos de los tubos para comprimir la junta de estanqueidad y brindar así un ensamble definitivo y estanco entre los extremos de los tubos y la placa.
Queda así asegurada la estanqueidad mediante la gestión controlada de la compresión de la junta contra un collarín, que rodea un agujero de la placa colectora, gestión controlada esta que, sin embargo, es diferente según que los tubos sean de sección circular o de sección oval o alargada, tal como viene siendo el caso con creciente frecuencia para mejorar las prestaciones de los intercambiadores.
En efecto, en el caso de un tubo de sección circular, ilustrado por ejemplo en el documento FR-A-2474674, se tiene perfectamente controlada la estanqueidad de la interconexión de los tubos y de la placa colectora, ya que existe un equilibrio circular de las fuerzas alrededor de todo el diámetro del tubo. Cabe entonces la posibilidad de rebajar el espesor de los tubos sin riesgo de que resulten aplastados por efecto de la compresión de la junta.
Por el contrario, en el caso de un tubo de sección oval o alargada definido por su eje mayor y su eje menor, tal como se ilustra por el documento FR-A-2740869, hay que realizar estanqueidades ya no circulares, sino ovales, para conseguir estrechar el paso de los tubos. Sin embargo, la distribución de las fuerzas en la periferia de la sección oval es no homogénea, puesto que el eje menor del extremo del tubo es menos resistente que su eje mayor, por lo que el eje menor tiene tendencia a deformarse más fácilmente bajo la presión de la junta. Por lo tanto, la estanqueidad deja de ser óptima, pues la deformación no homogénea de los tubos origina separaciones entre la junta y el tubo. Puede producirse entonces una fuga de líquido en el intercambiador y acarrear una parada de la función de este último, como por ejemplo el enfriamiento del líquido circulante por el intercambiador de calor. También se pueden ocasionar problemas de corrosión por infiltración de sales entre la junta y el tubo.
Por lo tanto, es el propósito de la invención subsanar los citados inconvenientes proponiendo un intercambiador de calor que tiene al menos una placa colectora que comprende tubos de sección oval o alargada para los cuales se tiene perfectamente controlada la compresión de la junta sobre el perímetro de la sección oval del tubo, al objeto de perfeccionar la estanqueidad para esta forma de tubo.
La invención tiene, pues, por objeto un intercambiador de calor que tiene una placa colectora apta para recibir una tapa de una caja colectora de dicho intercambiador de calor, incluyendo dicha placa colectora al menos un agujero para el paso de un tubo de dicho intercambiador de calor, presentando dicho agujero una periferia dotada de un collarín, presentando dicho collarín una altura. La invención prevé aumentar la altura de los collarines de la placa colectora en las zonas donde menos resistencia a la compresión ofrece el tubo, en orden a equilibrar la distribución de los esfuerzos de compresión de la junta sobre la periferia de la sección de dicho tubo.
Más concretamente, el collarín de forma oval o alargada presenta un eje mayor y un eje menor, e incluye al menos una primera porción llamada de máxima altura y una segunda porción llamada de mínima altura, estando situada dicha porción de máxima altura sobre el eje menor del collarín y estando situada dicha porción de mínima altura sobre el eje mayor del collarín.
El collarín puede presentar, entre la porción de mínima altura y la porción de máxima altura, una porción intermedia, cuya altura evoluciona progresivamente entre ambas porciones de mínima altura y de máxima altura.
Preferentemente, cuanto más alargada sea la sección del collarín, más alta podrá ser la relación entre las dos 2
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alturas del collarín de la placa colectora.
La sección del collarín es de forma oval o alargada.
El intercambiador de calor incluye un haz de intercambio de calor que incluye dichos tubos y unas aletas, incluyendo dichas aletas unos agujeros para el paso de los tubos y estando ubicadas paralelamente entre sí, y siendo los tubos deformados mecánicamente en orden a aplicarlos por fuerza contra los agujeros para el paso de los tubos dentro de las aletas. En semejante caso, se deforman las paredes de los tubos para aplicarlas forzando contra los agujeros de las aletas para el paso de dichos tubos.
El intercambiador de calor incluye, adicionalmente, una junta de estanqueidad que, apta para aplicarse contra dicha placa colectora, incluye una pestaña que presenta sensiblemente la misma forma que la del collarín de la placa colectora, insertándose así la pestaña en el collarín de la placa colectora.
Se comprenderá más fácilmente la presente invención con la lectura de la descripción de unas formas de realización, dadas a título de ejemplos sin carácter limitativo alguno e ilustradas en los dibujos que se acompañan:
La figura 1 es una vista general esquemática de un intercambiador de calor;
la figura 2 es una vista en sección transversal parcial de un intercambiador de calor según la invención;
la figura 3 es una vista en sección; y
la figura 4 es una vista en sección de la placa colectora del intercambiador de calor de la figura 2.
En la figura 1 se ha representado una vista esquemática de un intercambiador de calor, por ejemplo un radiador de refrigeración de vehículo automóvil.
En el presente caso, el intercambiador de calor es de tipo mecánico. Dicho de otro modo, este se compone generalmente a partir de al menos un haz de intercambio de calor 2 que incluye tubos 4 dispuestos paralelos entre sí y elementos de intercambio térmico, denominados aletas 10. Las aletas 10 se ubican paralelamente entre sí y perpendicularmente a los tubos 4. Dicho de otro modo, las aletas se hallan superpuestas unas sobre otras. De una manera general, las aletas llevan taladrados agujeros 18 que permiten el paso de los tubos 4, siendo el número de agujeros 18 igual al número de tubos de dicha hilera.
El haz 2 está montado entre dos cajas colectoras 6 y 8.
Cada tubo 4 incluye un extremo libre 12 ensamblado mecánicamente a una placa colectora 14, también denominada “colector”, la cual, con una tapa, determina cada caja colectora 6 y 8.
Antes del ensamble de los tubos y de la placa colectora, los extremos 12 de los tubos insertos en la placa colectora tienen exactamente la misma sección que los tubos, en la parte corriente que recibe las aletas 10. Tras el ensamble, los extremos de los tubos están deformados / abocardados en orden a afianzarlos a la placa colectora 14 y a comprimir una junta de estanqueidad (descrita en lo sucesivo).
La placa colectora 14 comprende un alma 16 de forma general rectangular que delimita una multitud de agujeros 18, en el presente caso de sección oval o alargada, a propósito para recibir los extremos 12 de los tubos. Cada agujero 18 está rodeado por un collarín 20 dirigido al lado de las aletas 10, permitiendo los collarines 20 aumentar la superficie de contacto entre la pared periférica exterior de cada uno de los tubos 4 y la placa colectora 14. La sección de los collarines 20 está definida por el perímetro resultante de una sección en un plano sensiblemente transversal a dichos collarines.
El alma 16 se prolonga en una canaleta periférica 22 que, delimitadora de una garganta, acaba en un reborde periférico 24 determinante de unas patillas abatibles, también denominadas patillas de engarce. La placa colectora 14 recibe una junta de estanqueidad compresible 26 que pasa a aplicarse sobre el alma 16 de la placa colectora. Le junta de estanqueidad 26 incluye una multitud de pestañas 30 que se introducen en sendos agujeros 18 para encargarse de la estanqueidad entre el extremo 12 de un tubo y el correspondiente collarín 20. Por otro lado, el alma 28 determina en su periferia un burlete 32 dispuesto dentro de la canaleta 22 y a propósito para asumir, cuando se abate el reborde periférico 24, la estanqueidad con una u otra de las tapas de las cajas colectoras 6 u 8.
Tal como puede verse en la figura 3, la sección del extremo 12 de los tubos 4 y de los agujeros 18 de la placa colectora 14 tiene una forma sensiblemente oval caracterizada por un eje mayor A y un eje menor B. La sección de los tubos 4 viene definida, en el presente caso, por el contorno de los tubos 4 resultante de una sección en un plano sensiblemente transversal a dichos tubos.
Para brindar una óptima estanqueidad por compresión de la pestaña 30 de la junta de estanqueidad 26 entre los collarines 20 y el extremo 12 de los tubos 4, la invención prevé aumentar la altura de los collarines 20 de la placa
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colectora 14 en las zonas donde menos resistencia a la compresión ofrece el tubo 4, en orden a equilibrar la distribución de los esfuerzos de compresión de la junta sobre la periferia de la sección de dicho tubo 4.
Para ello, sobre el perímetro del tubo 4 se distinguen dos porciones 34, situadas sobre el eje mayor A y de gran resistencia a la compresión, y dos porciones 36, situadas sobre el eje menor B y de escasa resistencia a la compresión, estando enfrentadas cada una de las porciones de igual referencia.
La firma solicitante ha comprobado que las porciones 36 de eje menor B son las que menor resistencia ofrecen a la compresión de las pestañas 30 de la junta 26. Dicho de otro modo, el tubo 4 es menos resistente en su eje menor B que en su eje mayor A.
La figura 4 ilustra la forma característica del collarín 20 de la placa colectora 14 según la invención. De este modo, el collarín 20 presenta una porción 38 de altura mínima H1 enfrentada con la porción 34 de eje mayor A del tubo 4 y una porción 40 de altura máxima H2 enfrentada con la porción 36 de eje menor B del tubo 4.
Una porción intermedia 42 se encarga de la continuidad entre las porciones 38 y 40 de diferentes alturas y presenta una altura que evoluciona progresivamente entre las porciones 38 de altura mínima H1 y 40 de altura máxima H2. Dicho de otro modo, se crean así extremos de collarines ya no rectilíneos o sobre un mismo plano, tal y como se conocen en la técnica anterior, sino collarines con una forma evolutiva.
En un ejemplo de realización de la invención, el eje mayor A del tubo 4 es 2,5 veces superior al eje menor B, entonces la altura mínima H1 de la porción 38 es igual a 3 mm y la altura máxima H2 de la porción 40 es igual a 3,5 mm.
En otros ejemplos, se podrían tener otras proporciones entre el eje mayor A y el eje menor B, pudiendo ser el eje mayor A, por ejemplo, 2,8 ó 3 veces superior al eje menor B del tubo 4. Sin embargo, cuanto más alargada sea la sección del extremo 12 de los tubos 4, mayor será la diferencia entre los valores de las alturas H1 y H2. Se brinda así una óptima estanqueidad entre los collarines 20 y los extremos 12 de los tubos 4, resistiendo el tubo a la fuerza ejercida por la compresión de la pestaña 30 de la junta 26.
En el presente caso, la pestaña 30 de la junta de estanqueidad 26 presenta la misma forma característica que la del collarín 20. De este modo, se ve incrementada la superficie de contacto entre la pestaña 30 de la junta y el tubo 4, en orden a distribuir lo mejor posible los esfuerzos sobre el perímetro de dicho tubo. Así, los esfuerzos aplicados al tubo se hacen compatibles con su resistencia.
Merced a la invención, se cuenta por tanto con un intercambiador de calor que tiene una placa colectora relativamente simple en su realización, que permite obtener una distribución homogénea de los esfuerzos sobre la periferia de los tubos de forma oval o alargada. Por lo tanto, se tiene perfectamente controlada la compresión de la junta entre los extremos de los tubos y los collarines de la placa colectora, por cuyo motivo su estanqueidad es óptima. La forma de los collarines del intercambiador de calor según la invención es aplicable en cualquier tipo de colector, independientemente del número de filas para los haces de placa colectora. La invención es aplicable muy particularmente en la realización de intercambiadores de calor de tipo mecánico para vehículos automóviles, y en particular para los radiadores de refrigeración o de calefacción.
Más aún, el aumento de la altura del collarín de la placa colectora en correspondencia con la porción del tubo que menos resistencia ofrece a la compresión permite limitar la ascensión de sal entre la junta y el tubo, por lo que mejora la resistencia a la corrosión. Y es que la ascensión de sales se produce cuando la compresión de la junta es suficiente para asegurar la estanqueidad, pero insuficiente para impedir las infiltraciones que pueden producirse por capilaridad. Así, al aumentar la altura de la junta, también se aumenta la barrera a este fenómeno, al ser mayor la superficie en contacto con el tubo.
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Claims (5)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Intercambiador de calor que incluye un haz de intercambio de calor (2) y al menos una caja colectora (6, 8) que incluye una tapa y una placa colectora (14) apta para recibir dicha tapa, incluyendo dicho haz (2) unos tubos (4) de forma oval o alargada, incluyendo dicha placa colectora agujeros (18) para el paso de dichos tubos (4),
    5 presentando dichos agujeros (18) una periferia dotada de un collarín (20) de forma oval o alargada, incluyendo dicho intercambiador, además, una junta de estanqueidad (26) que, apta para aplicarse contra dicha placa colectora (14), incluye una pestaña (30) que presenta sensiblemente la misma forma que la del collarín (20) de la placa colectora
    (14) y que se halla inserta en dicho collarín (20), caracterizado por que dicho collarín (20) presenta una altura (H1, H2) variable en la periferia del agujero (18) tal que la altura de dichos collarines (20) se ve aumentada en las zonas
    10 donde menos resistencia a la compresión ofrece el tubo (4), en orden a equilibrar la distribución de los esfuerzos de compresión de dicha junta (26) sobre la periferia de la sección de dicho tubo (4).
  2. 2. Intercambiador según la reivindicación 1, en el que el collarín (20) incluye al menos una primera porción
    (38) llamada de mínima altura (H1) y una segunda porción (40) llamada de máxima altura (H2), estando situada
    dicha porción de máxima altura (H2) sobre el eje menor (B) y estando situada dicha porción de mínima altura (H1) 15 sobre el eje mayor (A).
  3. 3. Intercambiador según la reivindicación 2, caracterizado por que el collarín (20) presenta, entre la porción
    (38) de mínima altura (H1) y la porción (40) de máxima altura (H2), una porción intermedia (42), cuya altura evoluciona progresivamente entre ambas porciones de mínima altura (38) y de máxima altura (40).
  4. 4. Intercambiador según una cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizado por que, cuanto más
    20 alargada sea la sección del collarín (20), más alta será la relación entre las dos alturas (H1) y (H2) del collarín (20) de la placa colectora (14).
  5. 5. Intercambiador según una cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizado por que dicho haz (2) incluye aletas (10), incluyendo dichas aletas (10) unos agujeros para el paso de los tubos (4) y estando ubicadas paralelamente entre sí, siendo los tubos (4) deformados mecánicamente en orden a aplicarlos por fuerza contra los
    25 agujeros para el paso de los tubos dentro de las aletas (10).
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