FR2866698A1 - Echangeur de chaleur a ailettes avec pattes d'espacement - Google Patents

Abstract

Echangeur de chaleur comprenant une pluralité d'ailettes (6) superposées, chacune présentant une surface généralement plane et étant perforée d'au moins une série de trous (8) sensiblement alignés pour le passage de tubes de circulation de fluide (4), entre lesquels sont agencés des déflecteurs (10) sous forme d'un ensemble de lamelles de déviation (12) alignées selon une direction de flux (F) d'un fluide passant entre les ailettes (6) et faisant saillie obliquement de la surface de l'ailette (6). Chaque ailette (6) comprend en outre au moins un élément d'espacement (14) sous forme d'une paire de pattes relevées (16) en vis-à-vis, par exemple rectangulaires, et faisant saillie de la surface de l'ailette (6), l'élément d'espacement étant disposé à proximité immédiate d'un déflecteur (10).

Description

Échangeur de chaleur à ailettes avec pattes d'espacement L'invention se rattache au domaine des échangeurs de chaleur tels qu'utilisés notamment en construction automobile pour assurer le refroidissement d'un moteur. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel échangeur de chaleur.
La fonction d'un échangeur de chaleur est d'échanger de la chaleur entre un fluide en circulation à l'intérieur d'une ou plusieurs séries de tubes alignés et un fluide extérieur traversant l'une ou les séries de tubes transversalement.
Afin d'augmenter les échanges de chaleur entre les fluides, il est courant de munir les échangeurs de chaleur d'une pluralité d'ailettes superposées chacune présentant une face généralement plane et étant perforée d'au moins une série de trous sensiblement alignés pour le passage des tubes de circulation de fluide.
Toujours pour améliorer les échanges de chaleur, il est connu de dévier ou de perturber le flux du fluide extérieur passant entre les ailettes. Pour ce faire, les ailettes sont généralement pourvues de déflecteurs disposés entre les trous. Les déflecteurs sont réalisés sous forme d'un ensemble de lamelles de déviation alignées selon la direction du flux et faisant saillie obliquement de la surface de l'ailette.
Pour maintenir les ailettes superposées espacées les unes des autres, il est connu de prévoir sur les ailettes des picots d'une hauteur choisie faisant saillie de la surface de l'ailette sensiblement perpendiculairement. Ainsi disposés, les picots d'une ailette viennent en appui avec une face de l'ailette adjacente et assurent ainsi l'espacement entre les deux ailettes.
Cependant, il est nécessaire de ménager suffisamment d'espace à la surface des ailettes pour pouvoir disposer les picots.
L'invention a pour objet d'améliorer la situation décrite cidessus.
Pour ce faire, l'invention prévoit un échangeur de chaleur, dans lequel chaque ailette comprend en outre au moins un élément d'espacement sous forme d'une paire de pattes relevées en vis-à-vis, par exemple rectangulaires, et faisant saillie de la surface de l'ailette, l'élément d'espacement étant disposé à proximité immédiate d'un déflecteur. Grâce à la proximité de l'élément d'espacement du déflecteur, l'invention permet un gain d'espace à la surface de l'ailette.
Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, les pattes relevées sont prévues sous forme d'une portion découpée et pliée de l'ailette, ce qui permet notamment d'éviter la fixation de l'élément d'espacement sur l' ailette,' rendant ainsi plus simple la mise en u̇vre de l'invention.
Il est alors préférable de prévoir l'épaisseur des pattes relevées sensiblement égale à l'épaisseur de l'ailette.
Dans une configuration préférentielle de l'invention, l'élément d'espacement est disposé de manière que la direction de l'écartement entre les pattes relevées soit perpendiculaire à la direction de flux. Ainsi, l'élément d'espacement ne perturbe pas le flux du fluide extérieur.
De préférence, l'élément d'espacement est disposé jouxtant l'une des lamelles de déviation d'extrémité d'un déflecteur de son côté libre, permettant ainsi un gain d'espace plus important à la surface de l'ailette.
Pour la même raison, il est préférable de prévoir l'écartement entre les pattes relevées d'un élément d'espacement alors sensiblement égal à la plus grande dimension de la lamelle de déviation qu'il jouxte.
Dans une configuration particulière de l'invention, les pattes relevées sont disposées formant un angle de pincement avec la direction de flux. L'angle de pincement est alors avantageusement choisi de manière que les pattes relevées soient disposées suivant l'enveloppe des extrémités des lamelles de déviation d'un déflecteur. Ce faisant, l'élément d'espacement s'adapte à la configuration des déflecteurs et/ou des tubes comme on le verra plus loin.
Dans une configuration générale de l'invention, un élément d'espacement est disposé à au moins l'une des extrémités de chaque déflecteur de l'ailette, avantageusement à chaque extrémité d'un déflecteur, afin d'obtenir un appui entre deux ailettes mieux réparti et de garantir ainsi un bon parallélisme entre les ailettes.
Dans un mode de réalisation particulier, un élément d'espacement est disposé à chacune des extrémités de déflecteur intercalé entre les trous d'une première série de trous alignés, tandis qu'un élément d'espacement est disposé à une seule des extrémités des déflecteurs intercalés entre les trous d'une seconde série de trous. Ainsi, on évite de multiplier le nombre d'éléments d'espacement dans le cas d'échangeurs de chaleur à plusieurs rangées de tubes.
Dans une autre configuration de l'invention, les pattes relevées peuvent présenter une forme sensiblement trapézoïdale, la grande base du trapèze étant disposée à l'opposé de la surface de l'ailette.
L'élément d'espacement est réalisé de préférence au moyen d'une découpe d'un trou rectangulaire dans l'ailette, suivie d'un emboutissage dudit trou pour former deux languettes d'un pliage des deux languettes. Il est alors avantageux que les languettes et les lamelles de déviation soient formées dans une même opération et au moyen d'un même outil pour faciliter la fabrication des ailettes, en particulier en réduisant le nombre de postes de travail à prévoir.
De manière optionnelle, la fabrication de l'élément d'espacement comprend en outre une opération d'écartement des deux languettes et, de préférence, une opération de mise à la cote des deux languettes, afin de rendre l'élément d'espacement conforme à l'écartement entre les ailettes choisi.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue générale schématique d'un échangeur de chaleur comportant des ailettes de refroidissement, - la figure 2 est une vue en perspective d'une.portion d'une ailette de la figure 1 selon l'invention, - la figure 2a est un détail d'une partie de l'ailette de la figure 2, - la figure 3 est une vue en perspective d'une portion d'une ailette selon une configuration de l'invention différente de celle de la figure 2, - la figure 4 est une vue schématique plane d'une portion d'une ailette dans différentes étapes de fabrication, et - la figure 5 est une vue schématique plane d'une portion d'une ailette dans un mode de réalisation différent dans différentes étapes de fabrication.
Les dessins annexés pourront, non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.
La figure 1 illustre schématiquement à la fois un échangeur de chaleur de l'art antérieur et un échangeur de chaleur selon l'invention.
L'échangeur de chaleur de la figure 1 comprend de manière connue, deux boîtes collectrices 2 superposées, lesquelles sont mises en communication par l'intermédiaire d'une série de tubes 4, disposés alignés, dans lesquels circule un premier fluide. Entre les boîtes collectrices 2 sont prévues, transversalement à l'axe des tubes 4, des ailettes 6 dont les dimensions en largeur et en longueur sont sensiblement égales à celles des boîtes collectrices 2. Les tubes 4 sont, dans le cas décrit ici, des tubes plats, mais pourraient également être des tubes de section circulaire, ovale ou de toute autre forme connue de l'homme du métier.
La figure 2 représente une portion d'une des ailettes 6 de la figure 1. L'ailette 6 se présente sous la forme d'une bande de tôle de faible épaisseur également appelée feuillard, par exemple en alliage d'aluminium, dans laquelle est perforée une série de trous 8 de forme adaptée à la section des tubes 4. Dans le cas décrit ici, les trous 8 sont oblongs et présentent deux segments généralement parallèles entre-eux et dont les extrémités sont respectivement reliées par des demicercles. En outre, les segments des trous 8 décrits ici se rapprochent sensiblement l'un de l'autre au voisinage de leur centre, leur donnant ainsi une forme incurvée.
Les trous 8 sont disposés alignés, la direction d'alignement étant parallèle à la direction de la longueur de l'ailette 6. Par leur forme et leur localisation, les trous 8 permettent le passage des tubes 4, lesquels traversent l'ailette 6.
Entre deux trous 8 consécutifs, l'ailette 6 est pourvue de déflecteurs 10 parfois désignés par le terme d'éléments perturbateurs de flux. Les déflecteurs 10 sont réalisés sous forme de lamelles de déviation métalliques 12 faisant saillie obliquement de la surface de l'ailette 6. Les lamelles 12 sont disposées alignées suivant la largeur de l'ailette 6. Les lamelles 12, lesquelles sont aussi parfois appelées persiennes, sont réalisées par semi-découpe de l'ailette 6 puis par pliage/emboutissage de manière que la lamelle 12 forme un angle choisi avec la surface de l'ailette 6. Les lamelles 12 sont ainsi formées en tant que partie de l'ailette 6.
Les lamelles de déviation 12 présentent des dimensions identiques. Les extrémités des lamelles de déviation 12 délimitent le contour du déflecteur 10. Par la forme et la disposition des lamelles de déviation 12, le déflecteur 10 présente une enveloppe dont l'allure est sensiblement rectangulaire.
Le déflecteur 10 a pour fonction de dévier et/ou perturber le flux F d'un fluide extérieur, lequel traverse l'échangeur de chaleur suivant la largeur des ailettes 6, de manière à augmenter le rendement des échanges de chaleur.
À chacune des extrémités des déflecteurs 10, sont prévus des éléments d'espacement 14 composés de deux pattes relevées 16 faisant saillie de la surface de l'ailette 6 sensiblement perpendiculairement. Dans l'exemple représenté, les pattes relevées 16 sont prévues sensiblement rectangulaires et identiques. Les pattes relevées 16 sont réalisées par découpe et pliage d'une portion de l'ailette 6. Les pattes relevées 16 sont ainsi d'épaisseur identique à l'épaisseur de l'ailette 6. La largeur des pattes relevées 16, c'est-à-dire leur dimension selon la largeur de l'ailette 6 est sensiblement identique à celle des lamelles 12 constituant les déflecteurs 10.
Les pattes relevées 16 forment avec la direction d'alignement des lamelles de déviation 12 un angle de pincement, c'est-àdire que les faces des pattes relevées 16 en vis-à-vis ne sont pas exactement parallèles. L'angle de pincement est choisi de telle manière que les faces en vis-à-vis des pattes relevées 16 soient disposées suivant l'allure des tubes 6. Les pattes relevées 16 de l'élément d'espacement 14 ne perturbent donc pas le flux F de fluide.
Une fois les ailettes montées dans l'échangeur de chaleur de la figure 1, les extrémités des pattes relevées 16 opposées à la surface de l'ailette 6 viennent en appui avec une ailette 6 (plus exactement avec une surface inférieure de l'ailette 6) située au-dessus de l'ailette 6 à laquelle elles appartiennent. Les pattes relevées 16 de l'élément d'espacement 14 forment ainsi une entretoise permettant de maintenir entre deux ailettes 6 superposées disposées dans l'échangeur de chaleur un espacement vertical constant choisi qui est appelé "pas".
À cet égard, les pattes relevées 16 ne sont pas exactement perpendiculaires à la surface de l'ailette 6, sans quoi les pattes relevées 16 serait disposées exactement sous un trou rectangulaire, utilisé pour leur fabrication comme on le verra plus loin, perforé dans l'ailette située au-dessus. On prévoit ainsi un angle d'inclinaison faible destiné à éloigner l'extrémité de la patte qui vient en appui du trou rectangulaire.
La figure 3 illustre un autre exemple de réalisation de l'invention. L'ailette 18 illustrée sur la figure 3, est destinée à être montée dans un double échangeur de chaleur. L'ailette 18 se présente sous la forme d'une bande de tôle dans laquelle est perforée une première série de trous 8 identiques aux trous 8 de la figure 2. Ces trous 8 sont destinés à permettre le passage transversal des tubes 4 conformément à ce qui a été décrit plus haut.
En outre, l'ailette 18 comporte une seconde série de trous 19 destinés à assurer le passage transversal d'une seconde série de tubes plats non représentés sur les figures et appartenant à un second échangeur de chaleur, lequel sera couplé au premier échangeur de chaleur. Les trous 18 sont de contour adapté à la section des tubes correspondants et présentent une découpe supplémentaire pratiquée de l'intérieur des trous 19 jusqu'au bord de l'ailette 18 et de largeur au moins égale à l'épaisseur des tubes correspondants afin de permettre leur introduction depuis le bord de l'ailette 16.
Comme dans l'exemple illustré sur la figure 2, sont disposés des déflecteurs 10 entre les trous 8 de la première série de trous. Entre les trous 18 de la seconde série de trous sont disposés des déflecteurs 20.
Les déflecteurs 20 sont, de manière similaire aux déflecteurs 10 précédemment décrits, composés de lamelles de déviation 22 identiques et faisant saillie obliquement de. la surface de l'ailette 18. Les longueurs des ailettes 22 sont identiques. Ce mode de réalisation des déflecteurs 20 est adapté à la configuration des trous 19, le contour desquels présente à la différence des trous 8 deux segments parallèles entre-eux.
À l'une des extrémités, et une seule, de chaque déflecteur 22, sont prévus des éléments d'espacement 24 semblables aux éléments d'espacement 14 illustrés sur la figure 2 et décrit ci-avant. Les éléments d'espacement 24 sont également composés de deux pattes relevées 26 de forme générale rectangulaire et réalisées par découpe puis pliage de l'ailette 18. Les faces en vis-à-vis des pattes 26 de l'ailette 24 sont disposées sensiblement parallèles entre elles, c'est-à-dire qu'il n'est pas prévu d'angle de pincement. Ainsi, les faces des pattes relevées 26 sont disposées dans l'alignement des extrémités des lamelles 22 constituant les déflecteurs 20 et suivant le pourtour des trous 19, de manière à ne pas perturber le flux F.Comme dans le cas illustré par la figure 2, les pattes relevées 26 ne sont pas exactement perpendiculaires à la surface de l'ailette 18 mais légèrement inclinées pour les motifs exposés plus haut.
La figure 4 illustre les différentes étapes d'un procédé de fabrication d'un déflecteur 22 et d'un élément d'espacement 24 de la figure 3.
Dans une première étape A, la bande de tôle 16 ou feuillard, représentée partiellement, est perforée de deux trous 30 identiques de forme sensiblement rectangulaire dont les longueurs sont disposées suivant la longueur de la bande de tôle 18. Les trous rectangulaires 30 sont par exemple réalisés au moyen d'un poinçon non représenté. La longueur des trous 30 est inférieure à la longueur des lamelles de déviations 22 tandis que leur largeur est voisine de la largeur des lamelles de déviation 22.
Dans une seconde étape B, sont formées les persiennes ou lamelles de déviation 22 selon un procédé connu de l'homme du métier. En particulier les trous rectangulaires 30 sont mis en forme comme pour former une lamelle de déviation 22. Cette opération peut être réalisée au moyen d'un unique outil, non représenté, lequel assure à la fois une découpe (semidécoupe) des lamelles de déviation 22 et leur pliage/emboutissage.
Ainsi, à la place de chacun des trous rectangulaires 30 se forment deux languettes 40 de forme semblable à celle des lamelles de déviation 22 mais amputées d'une partie centrale rectangulaire. Ce procédé de réalisation particulièrement avantageux, consistant à mettre en forme les languettes 40 en tant que lamelles de déviation particulières, permet de diminuer au maximum l'écart entre les éléments d'espacement 24 et les déflecteurs 20, ledit écart se réduisant alors à l'écart habituel entre deux lamelles de déviation 22. L'espace ainsi gagné par rapport aux solutions de l'art antérieur est mis à profit pour réaliser un plus grand nombre de lamelles de déviation 22 dans chaque déflecteur 20 et ainsi améliorer la perturbation/déviation du flux F et les échanges de chaleur.
Dans l'étape suivante C et D, les languettes 40 sont relevées dans une direction sensiblement perpendiculaire à la surface de l'ailette 18, au moyen par exemple d'une opération de relevage réalisée par le dessous de l'ailette 18 au moyen d'un poinçon de relevage.
Dans une étape suivante classique E, les languettes 40 sont inclinées (ou évasées) de manière à les écarter sensiblement de la verticale pour les motifs exposés plus avant.
Enfin dans une étape F, les languettes 40 sont tassées de manière à être mises à la cote et ainsi adaptées au pas désiré entre deux ailettes 18 d'un échangeur de chaleur.
Les pattes relevées 26 résultent de cette mise en forme des languettes 40.
La figure 5 décrit un mode de réalisation différent de l'invention. Dans cet exemple de réalisation, les pattes relevées 50 peuvent présenter une forme trapézoïdale dont la grande base., opposée à la surface de l'ailette 6, vient en appui avec l'ailette 6 située au-dessus de l'ailette 6 à laquelle les pattes relevées 50 appartiennent. Ainsi les pattes relevées 50 peuvent être disposées sous un trou rectangulaire 60, lequel sert à leur fabrication comme le montre l'étape A de la figure 5 semblable à l'étape A de la figure 4, sans risques de traverser le trou 60, ce qui permet de garder les pattes relevées 50 perpendiculaires à la surface de l'ailette 6.
Le procédé de fabrication des pattes relevées 50 trapézoïdales comprend les étapes suivantes: - une étape A de perçage d'un trou rectangulaire 60 comme décrit précédemment, - une étape B de formation des lamelles de déviation 22 semblable à l'étape B de la figure 4, les trous 60 formant deux languettes de forme trapézoïdale 50, - une étape C et D de relevage des languettes trapézoïdales 50 pour former les pattes relevées trapézoïdales, et - une étape F de tassage pour mettre les pattes relevées 50 à cote désirée.
Ce mode de réalisation présente l'avantage d'éviter l'opération d'évasement (étape E de la figure 4) destinée à écarter les pattes relevées de la verticale à la surface de l'ailette de refroidissement 6.
Les modes de réalisation décrits ci-dessus et notamment illustrés par les figures 2 et 3 ne l'ont été qu'à titre d'exemple. L'invention peut ainsi être mise en u̇vre dans des échangeurs de chaleur de types différents : échangeurs à deux rangées de tubes et/ou échangeurs à tubes ronds ou ovales.
De tels échangeurs peuvent être réalisés notamment sous la forme d'un radiateur de refroidissement d'un, moteur de véhicule automobile ou d'un radiateur de chauffage de l'habitacle d'un véhicule automobile.
Ils peuvent aussi trouver une application dans la réalisation d'échangeurs pour des circuits de climatisation de véhicules automobiles.
L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits ci-avant, seulement à titre d'exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art.
Revendications 1. Échangeur de chaleur comprenant une pluralité d'ailettes (6,18) superposées, chacune présentant une surface généralement plane et étant perforée d'au moins une série de trous (8,19) sensiblement alignés pour le passage de tubes de circulation de fluide (4), entre lesquels sont agencés des déflecteurs (10,20) sous forme d'un ensemble de lamelles de déviation(12,22) alignées selon une direction de flux (F) d'un fluide passant entre les ailettes (6,18) et faisant saillie obliquement de la surface de l'ailette (6,18), caractérisé en ce que chaque ailette (6,18) comprend en outre au moins un élément d'espacement (14,24) sous forme d'une paire de pattes relevées (16,26) en vis-à-vis,, par exemple rectangulaires, et faisant saillie de la surface de l'ailette (6,18), l'élément d'espacement étant disposé à proximité immédiate d'un déflecteur (10,20).

Claims (12)

1. 2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pattes relevées (16,26) sont prévues sous forme d'une portion découpée et pliée de l'ailette (6,18).
2. 3. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'épaisseur des pattes relevées (16,26) est sensiblement égale à l'épaisseur de l'ailette (6,18).
3. 4. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément d'espacement (14,24) est disposé de manière que la direction de l'écartement entre les pattes relevées

   (16,26) soit perpendiculaire à la direction de flux (F).
4. 5. Échangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément d'espacement (14,24) est disposé jouxtant l'une des lamelles de déviation (12,22) d'extrémité d'un déflecteur (10,20) de son côté libre.

   6. Échangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'écartement entre les pattes relevées (16,26) d'un élément d'espacement (10,20) est .sensiblement égal à la plus grande dimension de la lamelle de déviation (12,22) qu'il jouxte.
5. 7. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pattes relevées (16,26) sont disposées formant un angle de pincement avec la direction de flux (F).
6. 8. Échangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'angle de pincement est choisi de manière que les pattes relevées (16,26) soient disposées suivant l'enveloppe des extrémités des lamelles de déviation (12,22) d'un déflecteur (10,20).

   9. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un élément d'espacement (14,24) est disposé à chaque extrémité d'un déflecteur (10,20).
7. 10. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un élément d'espacement (14,24) est disposé à au moins l'une des extrémités de chaque déflecteur (10,20) de l'ailette (6,18).
8. 11. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un élément d'espacement (14) est disposé à chacune des extrémités des déflecteurs (10) intercalés entre les trous (8) d'une première série de trous (8) alignés tandis qu'un élément d'espacement (24) est disposé à une seule des extrémités des déflecteurs (20) intercalés entre les trous (19) d'une seconde série de trous (19).

   12. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pattes relevées

   (50) présentent une forme sensiblement trapézoïdale, la grande base du trapèze étant disposée à l'opposé de la surface de l'ailette (6,18).
9. 13. Procédé pour la fabrication d'un échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce. que l'élément d'espacement est réalisé au moyen d'une découpe d'au moins un trou, par exemple rectangulaire (30,60), dans l'ailette (18), suivie d'un emboutissage dudit trou pour former deux languettes (40,50) puis d'un pliage des deux languettes (40,50).
10. 14. Procédé de fabrication selon la revendication 13, caractérisé en ce que les languettes (40,50) et les lamelles de déviation (22) sont formées dans une même opération (B).

    15. Procédé de fabrication selon la revendication 14, caractérisé en ce que les languettes (40,50) et les lamelles de déviation (22) sont formées au moyen d'un même outil.
11. 16. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 13 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une opération d'écartement (E) des deux languettes (40).
12. 17. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 13 à 16, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une opération de mise à la cote (F) des deux languettes

    (40) .