FR2925665A1 - Tube plie pour echangeur de chaleur brase,procede de fabrication et echangeur de chaleur - Google Patents

Abstract

Tube (1) pour échangeur de chaleur brasé constitué d'une enveloppe (2) obtenue par repliement d'une bande métallique et présentant deux grands côtés plats (3, 4) sensiblement parallèles entre eux, formant au moins deux canaux parallèles (5, 6), et une entretoise (7) d'isolation thermique disposée entre les canaux (5, 6) et sensiblement parallèle à au moins un des grands côtés plats (3, 4).

Description

Tube plié pour échangeur de chaleur brasé, procédé de fabrication et échangeur de chaleur

L'invention relève du domaine des échangeurs de chaleur et plus particulièrement du genre comprenant un échangeur principal et au moins un échangeur secondaire comportant chacun un corps généralement plan muni de tubes de circulation de fluide et pouvant être muni d'ailettes de refroidissement.

Le besoin s'est fait sentir d'échangeurs de chaleur de structure allégée et plus économique. L'invention vient améliorer la situation. Le tube plié pour échangeur de chaleur brasé est constitué d'une enveloppe obtenue par repliement d'une bande métallique et présentant deux grands côtés plats sensiblement parallèles entre eux, formant au moins deux canaux parallèles. Une entretoise d'isolation thermique est disposée entre les canaux. L'entretoise est sensiblement parallèle à au moins un des grands côtés plats.

On bénéficie d'une fabrication économique d'un tube multicanal, notamment bicanal à partir d'un feuillard de tôle. Les deux canaux sont isolés thermiquement par l'entretoise qui s'étend dans le prolongement des grands côtés plats. On peut ainsi réaliser un échangeur de canal multicircuit présentant une structure commune. En d'autres termes, on parvient à réaliser deux circuits d'échangeurs à partir d'un élément mécanique commun. Au contraire, dans l'art antérieur, un échangeur à deux circuits était réalisé sous la forme de deux modules distincts rapprochés l'un de l'autre et tenus ensemble par des attaches appropriées. Le tube brasé décrit ci-dessus permet une réalisation particulièrement économique d'échangeur à plusieurs circuits de refroidissement indépendants.

Par ailleurs, un échangeur de chaleur peut comprendre un premier et un deuxième réservoirs collecteurs, une pluralité de tubes s'étendant entre les réservoirs collecteurs, et au moins une joue latérale s'étendant le long des tubes pour connecter ensemble le premier et le deuxième réservoir collecteur. La joue latérale peut comprendre un joint de dilatation. Le joint de dilation peut comprendre une découpe sur une partie de la largeur de la joue et un pli de matière comprenant deux ondulations transversales à distance l'une de l'autre et de directions opposées. Plus particulièrement, la joue peut comprendre deux nervures, les ondulations étant ménagées dans les nervures. La découpe étant ménagée hors des nervures. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est une vue en perspective d'un tube d'échangeur de chaleur - la figure 2 est une variante de la figure 1 ; la figure 3 est une vue partielle en coupe transversale du tube de la figure 2 - la figure 4 est une vue partielle en coupe transversale du tube de la figure 1 - la figure 5 est une vue partielle en perspective d'une joue d'échangeur de chaleur ; et - la figure 6 est une vue de détail de la figure 5. Un module échangeur de chaleur selon le document EP :L 128 149 comprend un échangeur principal et un 30 échangeur secondaire comportant chacun un corps muni de tubes de circulation de fluide, et des ailettes de refroidissement. L'échangeur secondaire est fixé sur l'échangeur principal de sorte qu'un même flux d'air peut traverser les corps respectifs des échangeurs. Le module comprend un jeu d'ailettes commun à l'échangeur principal et à l'échangeur secondaire. Le document EP 1 176 378 concerne la fabrication 5 d'ailettes communes pour plusieurs échangeurs. Le document FR 2 785 978 décrit un échangeur multiple avec deux fluides différents circulant dans deux faisceaux distincts de tubes parallèles, ces fluides échangeant chacun de la chaleur avec un flux d'air balayant 10 simultanément les deux faisceaux de tubes. Les faisceaux comportent des intercalaires formant ailettes de refroidissement communes aux deux faisceaux tout en réduisant au minimum toute transmission de chaleur entre les échangeurs. Les ailettes présentent un profil 15 d'ondulation décalé l'un par rapport à l'autre dans des régions ondulées respectives de manière à ne se croiser qu'en des points localisés formant ainsi des régions de limitation de transfert thermique comportant une fente longitudinale réalisée sans enlèvement de matière et 20 interrompue par des ponts de matière étroits en certains au moins des points de croisement. Ces documents impliquent la mise en oeuvre de deux échangeurs distincts. D'autres documents concernent la forme du tube 25 proprement dit, voir notamment FR 2 749 648, FR 2 770 634, FR 2 771 480, FR 2 772 901 ou encore EP 1 653 186. Ces documents décrivent des échangeurs à un seul circuit de fluide circulant dans deux canaux. Les canaux sont séparés par des petits côtés en tôle. 30 La demanderesse a mis au point un tube convenant à deux échangeurs distincts d'un point de vue fluidique. Bien entendu, le tube peut être utilisé dans un échangeur monocircuit. Le tube est formé d'une seule pièce de tôle, judicieusement soudée sur elle même. Les deux échangeurs partageant au moins un tube commun bicanal, par exemple un groupe de tubes communs bicanal, peuvent contenir des fluides différents et/ou à des températures différentes.

Comme on peut le voir sur les figures 1 à 4, un tube plat 1 est constitué d'une pièce unique 2 formée à partir d'une bande métallique, en simple ou multicouche, par exemple en aluminium ou alliage d'aluminium des séries 1000 à 7000, repliée sur elle-même par plusieurs opérations de roulage successives, puis soudée en vue de sa tenue mécanique et de son étanchéité. La pièce unique 2 comprend deux grands côtés 3 et 4 définissant des canaux 5 et 6 distincts l'un de l'autre également délimités par des petits côtés 8 et 9 pour le canal 5, 12 et 13 pour le canal 6. Une entretoise 7 relie les grands côtés 3 des canaux 5 et 6. Les grands côtés 3 des canaux 5 et 6 et l'entretoise 7 peuvent être coplanaires. Les grands côtés 4 des canaux 5 et 6 peuvent être coplanaires et parallèles aux grands côtés 3. Les grands côtés 4 des canaux 5 et 6 sont distants l'un de l'autre. Les petits côtés 8 et 13 présentent une forme générale arrondie. Les petits côtés 9 et 12 présentent une forme générale droite à bords arrondis. Les canaux 5 et 6 peuvent être obturés par soudage de tronçons de la pièce unique 2 se recouvrant, par exemple par brasure. On peut ainsi former deux tubes d'axes parallèles et de longueur correspondant à la largeur du feuillard métallique à partir duquel est formée la pièce unique 2. Plus particulièrement, la pièce unique 2 comprend une extrémité 15 parallèle au grand côté 3 du canal 5 et fixée au grand côté 3 à l'intérieur du canal 5. La pièce unique 2 comprend ensuite le petit côté 9 faisant face à l'autre canal 6, puis le grand côté 4 du canal 5, le petit côté 8 à l'opposé du canal 6, puis le grand côté 3 du canal 5. L'extrémité 15 recouvre une portion 16 du grand côté 3 sur une distance suffisante pour que la brasure assure l'étanchéité et la résistance mécanique voulue, notamment à la pression. Au-delà du grand côté 3, la pièce unique 2 se poursuit par l'entretoise 7. L'entretoise 7 se présente sous la forme d'un rectangle de tôle allongé selon la longueur du tube 1 et de largeur égale à la distance entre les petits côtés 9 et 12. La pièce unique 2 se poursuit par des tronçons formant le canal 6, plus particulièrement le grand côté 3 du canal 6, le petit côté 13 à l'opposé du canal 5, le grand côté 4 du canal 6 et le petit côté 12 proche de l'entretoise 7. La pièce unique 2 se poursuit par une portion 17 fixée à une portion 18 faisant partie du grand côté 3 du canal 6, par soudure pour assurer l'étanchéité du canal 6 et permettre l'introduction dans les boîtes collectrices. La pièce unique 2 se poursuit par un renfort 20 disposé en diagonale à l'intérieur du canal 6. Le renfort 20 divise le canal 6 en deux parties. Le renfort 20 s'étend du coin du canal 6 voisin du petit côté 12 et du grand côté 3 jusqu'au coin opposé voisin du petit côté 13 et du grand coté 4. La pièce unique 2 comprend ensuite un rebord arrondi 22 en concordance de forme avec le petit côté 13. Le rebord arrondi 22 double l'épaisseur dudit petit côté 13. Une extrémité 21 de la pièce unique 2 peut prolonger légèrement le rebord arrondi 22 parallèlement et en contact avec le grand côté 3 à l'intérieur du canal 6.

Grâce au renfort diagonal 20, le canal 6 présente une excellente rigidité à des contraintes mécaniques variées, notamment de torsion, ou encore de compression dans le plan de coupe de la figure 4. Le petit côté 13 du canal 6 est particulièrement résistant aux chocs et aux agressions extérieures en raison de son doublage par le rebord intérieur 22. Le petit côté 13 est bien adapté pour être disposé en face avant d'un échangeur thermique dans un compartiment moteur de véhicule, ladite face avant étant exposée à diverses projections, par exemple de gravier. L'entretoise 7 présente une longueur inférieure à celle du tube 1 pris dans son ensemble, en particulier des canaux 5 et 6, laissant la place à une encoche 14 séparant les petits côtés 9 et 12 à une ou aux deux extrémités du tube 1, pour l'introduction dans les boites collectrices. Dans l'entretoise 7 sont menagées une pluralité d'ouvertures 10 formées par découpe selon un profil en U. Les découpes laissent subsister des volets 11 alignés selon l'axe des canaux 5 et 6. Les volets 11 peuvent présenter une forme rectangulaire de longueur principale parallèle à l'axe des canaux 5 et 6. Les volets 11 sont relevés par rapport à l'entretoise 7 d'un angle qui peut être compris entre 15 et 45°. Les volets 11 sont en saillie entre les petits côtés 9 et 12 et peuvent être prévus pour rester dans l'encombrement global du tube 1. En d'autres termes, la distance entre l'entretoise 7 et l'extrémité libre des volets 11 peut rester inférieure à l'épaisseur de canaux 5 et 6. Les volets 11 laissent subsister entre eux des portions de connexion 23 de faible dimension selon l'axe des canaux 5, 6. Dans un mode de réalisation simplifié, l'entretoise 7 peut présenter une structure continue, dépourvue d'ouverture 10 et de volet 11. L'entretoise 7 continue offre d'ores et déjà une bonne isolation thermique entre les canaux 5 et 6. On rappellera que, dans les tubes connus, les canaux possèdent des petits côtés communs assurant un contact thermique sur l'épaisseur des canaux, à travers une ou plusieurs épaisseurs de la tôle formant le tube. Dans le tube que la demanderesse a mis au point, les canaux 5 et 6 sont séparés en ce sens que leurs petits côtés 9 et 12 ne sont pas en contact direct. Les petits côtés 9 et 12 sont espacés d'une distance comprise entre 1 et 5 mm. L'entretoise 7 assure l'unité mécanique du tube bicanal et permet sa réalisation à partir d'un seul feuillard de tôle. L'entretoise 7 assure en outre une isolation thermique en raison de sa faible épaisseur qui tend à augmenter la résistance thermique entre les canaux 5 et 6 et, par ailleurs, de la largeur de ladite entretoise 7, largeur entre les petits côtés 9 et 12. Ladite largeur tend à augmenter la résistance thermique offerte par l'entretoise 7 entre les canaux 5 et 6 tout en offrant au surplus une dissipation thermique liée à l'écoulement de l'air le long de ladite entretoise 7. Dans le mode de réalisation représenté, les ouvertures 10 permettent de réduire encore la conductivité thermique de l'entretoise 7 dans le sens de sa largeur. Les ouvertures 10 créent une zone où la section de matière conduisant la chaleur d'un canal à l'autre est particulièrement faible, par exemple réduite d'environ 60 à 80 % par rapport au reste de l'entretoise 7. Les volets 11 assurent en outre une dissipation thermique dans l'air s'écoulant autour du tube 1 et tendent donc à homogénéiser la température de la portion d'entretoise située entre lesdits volets 11 et le canal 6 avec la température de l'air s'écoulant autour du tube 1, les volets 11 étant rattachés au reste de l'entretoise 7 du côté du canal 6. Les zones 23 subsistantes de l'entretoise 7 entre les ouvertures 10 forment des pattes de liaison de faible section. Dans une variante, les zones 23 sont de forme trapézoïdale alternée et les ouvertures 10 présentent une forme de parallélogramme. Dans le mode de réalisation illustré sur les figures 1 et 4, les encoches 14 d'extrémités de l'entretoise 7 sont formées par découpe et enlèvement d'une portion de tôle, par exemple de forme rectangulaire. Les bords de l'encoche 14 sont alors sensiblement liés avec les petits côtés 9 et 12 se faisant face. Dans le mode de réalisation illustré sur les figures 2 et 3, les encoches 14 sont ménagées par crevé et découpe sensiblement au milieu de l'entretoise 7. Les rebords 19 résultant de la découpe sont ensuite repliés d'un côté vers le canal 5 et, du côté opposé, vers le canal 6 en venant doubler l'épaisseur du petit côté 9 et du petit côté 12 avec des extrémités libres rabattues sur les grands côtés 4 des canaux 5 et 6. La portion des grands côtés 4 en contact avec les rebords 19 peut être décalée vers le grand côté pour préserver l'épaisseur globale du tube 1. Ce mode de réalisation s'avère particulièrement robuste pour faciliter l'introduction des tubes dans les boites collectrices. Plus particulièrement, l'enveloppe 2 du tube 1 peut être obtenue par repliement d'une unique bande métallique de manière que des portions de la bande métallique se chevauchent afin de fermer les canaux. La fabrication du tube peut être simplifiée. L'entretoise peut être sensiblement coplanaire à l'un des grands côtés plats. On évite ainsi une étape de pliage supplémentaire. L'entretoise et le grand côté plat peuvent former une surface plane. Ladite surface plane favorise l'écoulement de l'air. Une pluralité d'ouvertures peuvent être ménagées dans l'entretoise. Les ouvertures peuvent avoir une dimension principale sensiblement parallèle à l'axe du tube. Les ouvertures peuvent présenter une forme rectangulaire ou de parallélogramme, par exemple inversés pour laisser des zones subsistantes en forme de trapèzes inversés. Les ouvertures peuvent être formées par découpe et pliage d'un volet dans l'espace entre les canaux. Les volets assurent une dissipation supplémentaire dans l'air circulant entre les tubes et par conséquent une homogénéisation de la température de l'entretoise au voisinage de l'un des canaux, d'où une moindre transmission thermique par rapport à l'autre canal. Les petits côtés des canaux peuvent être formés à partir de la bande métallique constituant l'enveloppe et la bande métallique constituant l'enveloppe peut comprendre des extrémités rabattues contre les grands côtés plats à l'intérieur des canaux. L'extrémité des canaux est ainsi renforcée. L'entretoise peut présenter une longueur inférieure à celle des canaux. Une encoche peut être formée entre l'extrémité de l'entretoise et l'extrémité des canaux. Une encoche peut être prévue à chaque extrémité du tube pour l'engagement des canaux dans les boites collectrices. Des pattes d'extrémités solidaires d'un grand côté plat peuvent être repliées sur un petit côté adjacent et sur le grand côté plat opposé. La bande métallique peut comprendre un renfort disposé en diagonale dans un canal. La rigidité en compression dudit canal dans le sens de sa largeur est augmentée. Le renfort peut s'étendre d'un petit côté voisin de l'entretoise au petit côté opposé. Le renfort peut comprendre une extrémité en concordance de forme avec le petit côté opposé. L'extrémité peut s'étendre jusqu'au grand côté plat. On vient ainsi doubler l'épaisseur dudit petit côté opposé, ce qui s'avère particulièrement intéressant pour une extrémité de tube destinée à être disposée dans une direction sujette à des projections de matières extérieures.

Le tube peut comprendre trois canaux et deux entretoises, une entre deux canaux voisins, avec une seule feuille de tôle. Le canal central peut être formé avec une diagonale interne à l'instar du canal 6. Les entretoises peuvent être coplanaires ou décalées.

Le procédé de fabrication du tube peut comprendre une opération de repliement de la bande métallique pour former un premier canal avec des grands côtés plats, une opération de repliement de la bande métallique pour former un deuxième canal avec des grands côtés plats, ces opérations étant effectuées en conservant une partie centrale formant entretoise d'isolation thermique sensiblement parallèle à au moins un des grands côtés plats, et une opération de soudure pour maintenir l'enveloppe du tube. La soudure peut être effectuée par brasage.

Au préalable peut être prévue une opération de repliement pour former le renfort diagonal. Une étape de découpage (ou perçage) d'ouverture dans l'entretoise peut également être prévue, avant ou après les opérations précitées. On peut ainsi fabriquer un tube offrant deux canaux isolés thermiquement et susceptibles de servir à des circuits de refroidissement indépendants, notamment prévus pour des températures différentes du fluide circulant dans les canaux. L'échangeur s'avère particulièrement économique en ce qu'il peut comprendre une pluralité de circuits de refroidissement dans lesquels circulent des liquides de refroidissement différents et/ou à des températures différentes, chaque tube élémentaire de l'échangeur étant fabriqué à partir d'une unique pièce de tôle. Une pluralité de tubes 1 peuvent être disposés côte a côte avec un espace entre leurs grands côtés, ledit espace pouvant être occupé par des ailettes pour former un échangeur thermique. Les tubes 1 peuvent être maintenus en place par une ou plusieurs joues latérales 25, du type illustré sur les figures 5 et 6. La joue latérale 25 se présente sous la forme d'une pièce en tôle ou profilé comprenant deux creux longitudinaux formant nervure 26, 27 d'un côté et rainure de l'autre, par exemple obtenus par galetage ou pliage. Les nervures 26, 27 sont formées du même côté du profilé 25. Les nervures 26 et 27 sont sensiblement parallèles, de même largeur et de même profondeur. La demanderesse s'est rendue compte que la dilatation de la joue latérale 25 pouvait être différente de celle d'autres éléments. 1l est souhaitable de limiter, voire supprimer les effets d'une dilatation différente de plusieurs éléments d'un échangeur thermique. La joue latérale 25 est pourvue d'une découpe 28, par exemple en forme de chevrons, la découpe 28 peut présenter une forme de chevron double et affecter la zone plate 33 de la joue latérale 25 en dehors des nervures 26 et 27. En d'autres termes, une solution de continuité est prévue sur la zone plane 33 de la joue latérale 25. Les nervures 26 et 27 se raccordent, au niveau de la découpe 28, par une ondulation 29, 30. L'ondulation 29 de la nervure 26 assure une continuité de la crête de ladite nervure 26 tandis que les branches de la nervure 26 sont discontinues. L'ondulation 29 forme un pli dirigé vers la zone plane 33 de la joue latérale 25. L'ondulation 30 assurant la continuité de la nervure 27 s'étend à partir de la zone plane de la joue latérale 25 et forme une ondulation dirigée vers le fond de la nervure 27. Les ondulations 29 et 30 disposées sensiblement au même niveau longitudinal de la joue latérale 25 présentent des concavités opposées. En outre, pour accroître l'élasticité des ondulations 29, 30, les rainures transversales 31, 32 peuvent être ménagées au sommet desdites ondulations 29, 30, par exemple du côté convexe. Les rainures 31, 32 forment une diminution localisée de l'épaisseur des ondulations 29, 30 et permettent une reprise aisée de la dilatation différentielle. La joue latérale 25 offre ainsi une souplesse importante dans le sens longitudinal tout en ayant une rigidité latérale satisfaisante grâce à la présence des nervures 26 et 27 qui assurent une bonne stabilité latérale et donc un maintien satisfaisant des tubes 1. Une joue latérale pour échangeur à tubes, notamment plats, peut comprendre une zone plane, une pluralité de nervures longitudinales et un joint de dilatation. Le joint de dilatation comprend une solution de continuité dans la zone plane et une ondulation dans chaque nervure, les ondulations étant de convexité opposées.

Claims (14)

Revendications

1. Tube brasé (1) pour échangeur de chaleur constitué d'une enveloppe (2) obtenue par repliement d'une bande métallique et présentant deux grands côtés plats (3, 4) sensiblement parallèles entre eux, formant au moins deux canaux parallèles (5, 6), caractérisé en ce qu'une entretoise (7) d'isolation thermique est disposée entre les canaux (5, 6), l'entretoise (7) étant sensiblement parallèle à au moins un des grands côtés plats (3, 4).

2. Tube selon la revendication 1, dans lequel l'enveloppe (2) est obtenue par repliement d'une unique bande métallique de manière que deux portions (15, 16) de la bande métallique se chevauchent afin de fermer les canaux (5, 6).

3. Tube selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'entretoise (7) est sensiblement coplanaire à l'un des grands côtés plats (3,

4). 4. Tube selon la revendication 3, dans lequel l'entretoise (7) et ledit grand côté plat (3) forment une surface plane.

5. Tube selon l'une des revendications précédentes, dans lequel une pluralité d'ouvertures (10) sont ménagées dans l'entretoise (7), lesdites ouvertures (10) ayant une dimension principale sensiblement parallèle à l'axe du tube, lesdites ouvertures (10) présentant une forme rectangulaire, lesdites ouvertures (10) étant formées par découpe et pliage d'un volet (11) dans l'espace entre les canaux (5,

6). 136. Tube selon l'une des revendications précédentes, dans lequel des petits côtés (8, 9) des canaux (5, 6) sont formés à partir de la bande métallique constituant l'enveloppe (2), et la bande métallique constituant l'enveloppe (2) comprend des extrémités rabattues (15, 17) contre les grands côtés plats (3, 4) à l'intérieur des canaux(5, 6).

7. Tube selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'entretoise (7) présente une longueur inférieure à celle des canaux (5, 6), une encoche (14) étant formée entre l'extrémité de l'entretoise (7) et l'extrémité des canaux (5, 6).

8. Tube selon l'une des revendications précédentes, dans lequel des pattes (19) d'extrémités solidaires d'un grand côté plat (3, 4) sont repliées sur un petit côté adjacent et sur le grand côté plat opposé.

9. Tube selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la bande métallique comprend un renfort (20) disposé en diagonale dans un canal (6), le renfort (20) s'étendant d'un petit côté (12) voisin de l'entretoise (7) au petit côté opposé et comprenant une extrémité (21) en concordance de forme avec ledit petit côté opposé (13) s'étendant jusqu'au grand côté plat (3).

10. Procédé de fabrication d'un tube (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes :A) une opération de repliement de la bande métallique pour former un premier canal (5) avec des grands côtés plats (3, 4), B) une opération de repliement de la bande métallique pour former un deuxième canal (6) avec des grands côtés plats (3, 4), les étapes A et B étant effectuées en conservant une partie centrale formant entretoise d'isolation thermique (7) sensiblement parallèle à au moins un des grands côtés plats (3), et C) une opération de soudure pour maintenir l'enveloppe (2) du tube (1)

11. Procédé de fabrication selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'opération c) est obtenue en même temps que le brasage de l'échangeur. 20

12. Procédé de fabrication selon la revendication 10 ou 11, dans comprenant une étape de découpage d'ouvertures (10) dans l'entretoise (7).

13. Tube (1) obtenu par la mise en œuvre du procédé selon 25 la revendication 10, 11 ou 12.

14. Échangeur de chaleur comprenant une pluralité de tubes (1) selon l'une des revendications 1 à 9 et 13.15