FR2474674A1

FR2474674A1 - Tube pour echangeur de chaleur a corps de section oblongue et extremite cylindrique

Info

Publication number: FR2474674A1
Application number: FR8001545A
Authority: FR
Inventors: Pierre Charles Collgon
Original assignee: Francaise du Ferodo SA
Current assignee: Valeo SE
Priority date: 1980-01-24
Filing date: 1980-01-24
Publication date: 1981-07-31
Also published as: FR2474674B1

Abstract

TUBE POUR ECHANGEUR DE CHALEUR A CORPS DE SECTION OBLONGUE ET EXTREMITE CYLINDRIQUE DE SECTION CIRCULAIRE. LE PERIMETRE MOYEN DE L'EXTREMITE 5 DU TUBE 1 EST SUPERIEUR AU PERIMETRE MOYEN DE LA SECTION DU CORPS.

Description

L'invention est relative à un tube, en particulier pour échangeur de chaleur, tel qu'un radiateur de refroidissement d'un moteur de véhicule automobile ou un échangeur faisant partie d'une installation de chauffage et/ou de climatisation de l'air d'un habitacle d'un tel véhicule.

Elle s'applique plus particulierement aux échangeurs de chaleur dans lesquels un liquide ou fluide,de chauffage ou de refroidissement, circule dans des tubes qui sont en contact avec des ailettes ou d'autres moyens d'échange thermique avec l'air extérieur, et dont les extrémités débouchent, pour permettre la circulation du liquide ou fluide, dans au moins une chambre collectrice limitée par une "boite à eau", fermée par, ou munie d'un, collecteur formé d'une plaque à trous circulaire pour la traversée à étanchéité par les extrémités des tubes.

Dans la plupart des échangeurs de chaleur de ce type qui sont actuellement utilisés, les tubes sont à section circulaire afin de faciliter llassemblage de leurs extrémités avec les plaques à trous circulaires.

On a cependant proposé d'utiliser des tubes à section oblongue de manière à accroître l'aire de la surface de contact avec l'air qui les entoure sans accroître la résistance aérodynamique de l1échangeur,-et pour permettre l'assemblage de tels tubes avec des plaques à trous circulaires- de conformer les extrémités de ces tubes pour les faire passer d'une section oblongue à une section circulaire.

Cette conformation des extrémités des tubes offre également de nombreux avantages dans d'autres domaines, par exemple lorsque des tubes à section oblongue sont destinés à etre raccordés à d'autres tubes à section circulaire, comme c'est le casrpar exemple, dans les évaporateurs, et cela par soudage ou vissage.

Mais les procédés ou moyens utilisés pour une telle conformation n'ont pas jusqu a présent donné de résultats satis faisant; ils ne permettent pas, notamment, d'obtenir une sectinn circulaire dont les bords et la surface externe présentent des caractéristiques géométriques suffisamment bonnes pour permettre un raccordement sur d'autres tubes, ou d'assurer une étanchéité de l'assemblage des tubes avec une plaque à trous, d'une manière aussi simple et efficace qu'en utilisant des tubes de section circulaire sur toute leur longueur.

La présente invention remédie à ces inconvénients.

Elle consiste en un procédé de conformation d'au moins une extrémité de tube, pour la faire passer d'une section transversale oblongue à une section transversale circulaire, caractérisé en ce qu'il comporte deux étapes. l'une au cours de laquelle l'extrémité du tube est soumise à une compression radiale et l'autre au cours de laquelle un poin çon est enfoncé à force dans cette extrémité, son diamètre.

étant égal à celui souhaité pour la surface interne de l'extrémité du -tube ,cette opération étant analogue à un dudgeonnage.

Il a été constaté qu'en opérant en deux phases comme définies ci-dessus, on aboutissait, par deux opérations simples, à un tube dont le corps a conservé la section oblongue souhaitable pour le bon échange de chaleur et dont ltextré- mité a une surface externe présentant une forme circulaire suffisamment exacte pour permettre un assemblage avec la pla- que à trous circulaires et, en plus, avec une étanchéité aussi bonne que pour un tube à section circulaire sur toute sa longueur, et cela malgré les efforts -tels que ceux provoqués par les vibrations ou les variations de pression de l'eau- qui pourraient être préjudiciables à l'étanchéité, auxquels est soumis l'échangeur de chaleur.

On a également constaté qu'avec ce procédé en deux étapes la partie intermédiaire du tube entre le corps de section oblongue et l'extrémité de section circulaire pouvait avoir une longueur réduite à un minimum, de l'ordre de 0,2 fois le diamètre de l'extrémité de section circulaire,eLpermettre ainsi la réalisation d'un échangeur de chaleur dans lequel le rebord d'un collecteur usuel est immédiatement en contact avec une ailette d'échange thermique, sans qu'il soit besoin de prévoir une entretoise encombrante, et inutile pour l'échange thermique, entre le collecteur et la première ailette.

Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la phase au cours de laquelle l'extrémité du tube est soumise à une compression radiale est effectuée la première, cette compression étant dirigée suivant le grand axe de la section oblongue et amenant donc cette extrémité à une section se rapprochant de la section circulaire.

Il est également possi.lJle de procéder de façon telle que l'opération analogue à un dudgeonnage soit effectuée la première.

Les résultats sont d'autant plus satisfaisants qu'est grand l'allongement du périmètre moyen de la section du tube au cours de la phase analogue à un dudgeonnage, cet allongement ne devant cependant pas, bien entendu, dépasser la limite élastique du métal constitutif du tube.

L'inveltion se rapporte également à un tube de section oblongue pour échangeur de chaleur qui est caractérisé en ce que le rapport entre la plus grande et la plus petite dimensions du tube est compris entre 1,5 et 2,5.

La Demanderesse a constaté- que le respect de cette condition permet en plus d'optimiser l'échange de chaleur entre l'eau circulant dans les tubes et l'air balayant transversalement le tube, parallèlement à la direction de la plus grande dimension de sa section.

D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés, sur lesquels
la figure 1 représente un outil pour h mise en oeuvre du procédé selon l'invention ;
la figure la est une vue analogue à la figure 1 mais pour une autre condition de l'outil en coupe suivant la ligne Ia-Ia de laefigure 2;;
la figure 2 est une coupe selon la ligne Il -Il de la figure la
la figure 3 est une coupe selon la ligne III-III de la figure 2
la figure 4 représente un outil mettant en oeuvre une autre phase du procédé selon l'invention
la figure 5 est une coupe selon la ligne V-V de la figure 4
la figure 6 est une coupe d'une partie d'un échangeur dc chaleur,
la figure 7 est une coupe selon la ligne VII-VII de la figure 6
la figure 8 représente un outil analogue à celui montré sur la figure 4,mais pour la mise en oeuvre d'une variante du procédé ;;
la figure 9 montre l'cxtréinité de l'outil représenté sur la figure 8 introduit dans un tube
la figure lOest une vue analogue à la figure 9 montrant l'outil en coupe selon la ligne X-'t de la figure 8 ;
la figure 11 est une vue analogue à la figure 9 montrant l'outil en coupe selon la ligne XI-Xl de la figure 8
la figure 12 montre l'outil représenté sur la figure 8 utilisé en même temps qu'un second outil pour la mise en oeuvre de la dernière phase de ladite variante du procédé
la figure 13 est une coupe selon la ligne XIII-xIII de la figure 12
la figure 14 est une vue analogue à la figure 8, mais pour encore une autre variante d'outil ;
la figure 15 est une coupe selon la ligne-XV-ZV de la figure 14 ;;
la figure 16 est une coupe selon la ligne )NI-XVI,de la figure 14 ; et
la figure 17 est un schéma représentant la section d'un tube favorable pour la mise en oeuvre de l'invention.

Partant d'un tube 1 de section ovale 2 (figure 1) avec un grand axe 3 et un petit axe 4 qui lui est perpendi- culaire, sur lequel sont serties des ailettes 201, 202, etc.

(figures 6 et 7), on comprime l'extrémité 5 (figure 2) du tube à l'aide de deux outils 6 et 7 tels que des mâchoires présentant des surfaces actives identiques en regard, recpectivement 8 et 9, dont chacune est semi-cylindrique de section circulaire, les génératrices de cette surface semi-cylindrique étant parallèles à l'axe du tube. Le rayon de chacune de ces surfaces semi-cylindriques est légèrement supérieur au rayon de la surface extérieure que l'on désire obtenir pour l'extrémité du tube.

Pour former un raccordement évasé de faible longueur entre l'extrémité 5 et le corps Sa du tube 1 destiné à rester de section ovale, les outils 6 et 7 présentent chacun un chanfrein ou évasement, respectivement 10 et 11.

Ce chanfrein ou évasement est conformé comme suit (figure 3):les mâchoires 6 et 7 en position rapprochées délimitent au-dessus des chanfreins 10 et 11 un cylindre d'axe 12(fig.la)
qui, alors, est confondu avec l'axe du tube. En projection sur un plan perpendiculaire :1 cet axe,on trace(fig.3):unovale 2a correspondant à la surface terne des tubes et le cercle 5b correspondant aux surfaces 8 et 9 : ce cercle 5b présente deux arcs 5c et 5d à l'intérieur de l'ovale 2a et deux arcs re et Sf à l'extérieur de l'ovale 2a.Les arcs 5e et Sf correspondent aux surfaces 8 et 9 sur toute la longueur de lou- til ; par contre, sur cette projection, les chanfreins correspondent à des arcs de- courbe 2b et 2c à l'intérieur de l'ovale mais à l'extérieur du cercle ,b.

Les outils 6 et 7 sont amenés au contact de la surface externe du tube aux extrémités 13 et 14 (figure 1) de son grand axe 3 et sont rapprochés l'un de l'autre parallèlement à ce grand axe selon les flèches fl et f2 Le tube est ainsi rétréci parallèlement à l'axe 3 et est élargi dans la direction perpendiculaire et sa section, à l'issue de cette première étape du procédé, a la forme générale d'un anneau circulaire (figure la).

Un poinçon 16 (figure 4), de section circulaire, avec une extrémité tronconique 17 et une partie active 18 cylindrique de section circulaire, de diamètre supérieur à celui de la surface interne de l'anneau obtenu à l'issue de la prc- mière étape du procédé, est ensuite introduit à force dans l'extrémité 5 pour lui conférer une forme cylindrique circulaire par expansion, c'est-à-dire par augmentation du périmètre.

Le procédé est conduit pour que le périmètre moyen de l'extrémité S soit, après cette dernière étape du procédé, supérieur, de préférence d'au moins 1%, au périmètre moyen de la section ovale Le procédé est cependant conduit pour qu'àaucun moment ne soit dépassée la limite élastique du métal constitutif du tube. On prévoit également que le diamètre de la surface externe de l'extrémité ainsi conformée soit inférieur à la longueur du grand axe de la surface externe de section ovaleede façon que soient ménagés des épaulements 21 et 22 (figures 5 et 7) formant butées pour 1' ailette 2O1.

La longueur figure 2) sur laquelle le tube obtenu passe progressivement d'une section oblongue à une section circulaire peut être suffisamment courte, inférieure à 0,2 fois le diamètre du tube à sa partie de section circulaire, pour que l'on puisse réaliser des échangeurs de chaleur (fi gures 6 et 7) avec des collecteurs'usuels formés de plaques à trous circulaires 25 sans interposition d'une entretoise entre le rebord ou marge 34 dudit collecteur et la dernière ailette 201 du faisceau.

On se réfère maintenant aux figures 8 à 13 qui sont relatives à une variante du procédé que l'on vient de décrire en relation avec les figures 1 à 5.

Dans cette variante, on effectue d'-abord une opération analogue à un dudgeonnage à l'aide d'un outil 40 figure 8) et c'est après cette opération qu'on exerce une compression radiale sur la surface externe de l'extrémité du tube à l'aide d'une bague 41 (figure 12).

Le poinçon 40 présente un corps 42 cylindrique-de section circulaire dont le diamètre extérieur est égal au diamètre intérieur souhaité pour l'extrémité 5 du tube, et une extrémité tronconique 43 dont la base 44 est un cercle de diamètre au plus égal à la plus petite dimension -selon l'axe 4- de la surface interne du tube dans sa partie de section ovale (figure 9).

La longueur axiale 1' de cette partie 43 est du même ordre de grandeur que la longueur g de l'évasement des outils 6 et 7 (figure 2), c'est-à-dire que la longueur de la partie intermédiaire entre le corps et l'extrémité du tu'Je après l'application du procédé. Ainsi, après la mise en oeuvre de ce second procédé, on obtient un échangeur de chaleur analogue à celui qui est représenté sur les figures 6 et 7.

Le poinçon 40 est introduit à force sur une certaine longueur à l'extrémité du tube 1. Il est ensuite maintenu dans cette position puis, autour de l'extrémité ainsi conformée,est poussceaxialement à coulissement une bague 41 présentant une surface interne cylindrique circulaire 45 dont le diamètre interne est égal au diamètre externe souhaité pour l'extrémité du tube. Elle se termine à sa partie inférieure par un chanfrein ou évasement 46 de hauteur t'. Le diamètre externe de cette bague est sensiblement'égal à la dimension du tube 1 selon son grand axe 3. Le chanfrein 46 est déterminé de manière analogue aux chanfreins 10 et ll des mâchoires 6 et 7 (figure 3).

-Ce procédé permet également d'obtenir un échangeur dechaleur du type de celui représenté sur les figures 6 et 7.

c'est-à-dire un échangeur dans lequel le rebord d'un collecteur usuel est directement en contact avec une ailette d'ex trémité, évitant l'utilisation d'une entretoise encombrante, et inutile pour l'échange de chaleur.

On se réfère maintenant aux figures 14 à 16 qui-montrent un poinçon 50 à tête 51 et corps 52. La tête 51 a en section la forme d'un ovale 80 à deux sommets 81 et 82 selon son grand axe 3a,qui sont diamétralement opposés sur un cercle 53 (figure 15) de diamètre égal à celui souhaité pour la surface interne de l'extrémité du tube, et qui présente deux autres sommets 83 et 84 selon son petit axe 4a confondus avec les sommets de l'ovale 54 correspondant à la surface interne du corps du tube.

Le corps 52 est un cylindre de section circulaire de diamètre égal à celui souhaité pour la surface interne de l'extrémité du tube.

La longueur de la tête 51 est au moins égale à la longueur de l'extrémité 5 que l'on désire obtenir.

Pour h mise en oeuvre de ce troisième mode, la tête 51 du poinçon 50 est introduite à l'extrémité d'un tube 1 de manière que le petit axe 4a soit confondu avec le petit axe 4 et que le grand axe 3 soit confondu avec l'axe 3a sur la longueur souhaitée pour l'extrémité 5, puis ce poin çon 50 est mis en rotation autour de son axe 50a, le tube restant immobile, ce çi permet de conférer à l'extrémité du tube une forme voisine d'un cylindre de section circulaire.Après arrêt de la rotation, le poinçon est disposé de nouveau dans la position angulaire qui est celle représentée sur la figure 15 et est poussé de manière que son corps 52 achève de conformer l'extrémité du tube, la tête 51 n'ayant alors pas d'action de conformation sur le corps du tube à l'intérieur duquel elle est disposée, mais une action de guidage de l'outil dans le tube.

du tube
La surface externe de l'extrémité7est ensuite conformée avec la bague 41 (figurcs 12 et -13), le poinçon 50 restant, au cours de cette seconde phase du procédé, à l'intérieur du tube.

Cette variante permet également d'obtenir un échangeur de chaleur du type de celui représenté sur les figures 6 et 7, c'est-à-dire un échangeur dans lequel le rebord d'un collecteur usuel est directement en contact avec une ailette d'ex trémité, évitant l'utilisation d'une entretoise encombrante, et inutile pour. l'échange de chaleur.

Afin d'obtenir de meilleurs résultats avec le procédé de conformation ci-dessus l'invention prévoit que le corps de tube 1 a une section dite en "anse de panier" qui peut être définie comme suit en référence à la figure 17.

On trace deux cercles 60 et 61 de même rayon et de centres 62 et 63 à distance l'un de l'autre sur une ligne 64 qui sera selon la plus grande dimension de la section du corps du tube 1 ; la-distance séparant ces centres est nettement supérieure au diamètre de chacun des cercles 60,61. On trace ensuite deux arcs de cercle 65,66 enveloppant les cercles 60,61 de part et d'autre de la ligne 64, leurs centres 68-569 se trouvant sur la médiatrice 70 du segment reliant les points 62 et 63 et étant symétriques par rapport à ce segment ; les rayons de ces cercles sont notablement supérieurs aux rayons des cercles 60 et 61.

Le grand axe de longueur b de la courbe ainsi obtenue et le petit axe perpendiculaire de longueur a ont un rapport b compris entre 1,5 et 2,5 de manière que soit optimal 1'échan- a ge de chaleur entre l'eau circulant dans le tube 1 et l'air balayant les tubes, de préférence parallèlement à la ligne 64.

Le procédé en deux étapes décrit ci-dessus pour plusieurs modes d'exécution est conduit simultanément sur les extrémités de tous les tubes d'un échangeur de chaleur sur lesquels sont montées des ailettes, mais avant le montage du collecteur avec la plaque en caoutchouc ou analogue qui le recouvre et de la boite à eau.

Les trous 25 du collecteur 24 sont bordés,à l'extérieur de la chambre collectrice 36,par des collets cylindriques 26 (fig.6 et 7). Le collecteur ou plaque à trous 24 est recouvert à l'intérieur de la-chambre 36 par une feuille 27 en caoutchouc ou analogue présentant des trous 28 en correspondance des trous 25 et bordés par des manchons 29 faisant partie intégrante de ladite feuille 27 et comportant une partie 30 de courte longueur en saillie vers la chambre 36 et une partie 31 de plus grande longueur introduite dans les collets 26 et se terminant par un bourrelet 32 ménageant à sa liaison avec la partie 31 un rebord 33 s'appliquant contre la tranche d'extrémité du collet 26.

La marge 34 de la plaque métallique 24,cn saillie vers l'extérieur de la chambre collectrice, forme le fond d'une rainure logeant une marge 35 de la feuille de caoutchouc 27.

Pour la fixation des collecteurs 24 avec leur feuille de caoutchouc 27 aux extrémités des tubes, les manchons 29 sont précontraints, le diamètre de leur surface interne à 1' é- tat libre étant inférieur au diamètre de la surface externe des extrémités des tubes, et les extrémités des tubes sont passées à travers les collecteurs jusqu'à ce que, de chaque côté, les rebords 34 soient en contact avec une ailette d'extrémité 201.La récontrainte est ensuite reldchée puis
IOU manauiiis des poinçons /(non montrés) sont introduits simultanément dans les extrémités des tubes de manière à effectuer un nouveau dudgeonnage afin que l'extrémité S présente un élargissement SE dont le diamètre extérieur est légèrement supérieur au diamètre intérieur du collet 26 afin de maintenir assemblé le collecteur 24 par rapport auxtubesl. Le contact entre le rebord 34 et l'ailette d'extrémité 201 contribue également à cet assemblage.

Les procédés suivant l'invention pcut,bien entendu,être également utilisé dans le cas où Vétanchéité de chacune des extrémités des tubes au niveau du collecteur est assurée non plus par un joint unique mais par une pluralité de joints.

Le procédé décrit est également applicable dans le cas où l'introduction des tubes dans le ou les joints au niveau du collecteur s'effectue par un emmanchement à force.

La conformation de l'extrémité des tubes de- section oblongue suivant l'invention permet également d'assurer I 'é- du tanchéité au niveaWcollecteur lorsque l'on n'utilise pas de joints, c'est-à-dire lorsque l'extrémité des tubes est en contact direct avec le métal de la plaque à trous.

L'obtention d'une forme circulaire suffisamment exacte selon les procédés décrits ci-dessus permet également de faciliter le raccordement par vissage ousoudage de l'extrérlité de chacun des tubes à d'autres tubes, de section également circu laire,comme c'est le cas, par exemple, dans les évaporateurs.

Claims

REVENDICATIONS

1. Tube pour échangeur de chaleur présentant un corps dont la section est de forme oblongue et une extrémité cylindrique de section circulaire, caractérisé en ce que le périmètre moyen de l'extrémité (5) est supérieur au périmètre moyen de la section du corps.

2. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre de la surface externe de l'extrémité (5) est inférieur à la plus grande dimension transversale du tube dans sa partie la plus longue.

3. Tube selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le périmètre moyen de l'extrémité est supérieur d'au moins 1% au périmètre moyen de la section du corps.

4. Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie intermédiaire (21, 22) séparant le corps du tube de son extrémité s'étend sur une longueur au plus égale à 0,2 fois la plus petite dimension de la section oblongue du tube.

5. Tube pour échangeur de chaleur de section oblongue, notamment ovale, caractérisé en ce que la section oblongue est telle que le rapport entre la longueur (b) du grand axe et celle (a) du petit axe est compris entre 1,5 et 2,5.

6. Echangeur de chaleur comportant des tubes selon l'une quelconque des revendications précédentes.