FR3068450A1

FR3068450A1 - Echangeur de chaleur et son procede de fabrication.

Info

Publication number: FR3068450A1
Application number: FR1756205A
Authority: FR
Inventors: Patrick Boisselle; Veronique Monnet; Erwan Etienne
Original assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Current assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority date: 2017-06-30
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2019-01-04
Also published as: WO2019002296A1

Abstract

La présente invention concerne un échangeur de chaleur (1) comprenant un faisceau de tubes (2), ledit faisceau de tubes (2) comportant : ° une multitude de tubes (2) dans lesquels un premier fluide caloporteur est destiné à circuler et disposés parallèlement les uns aux autres selon une rangée, lesdits tubes (2) étant de section oblongue et comportant deux grands côtés (21) parallèles et deux petits côtés reliant les extrémités desdits grands côtés (21), ° une pluralité d'ailettes (6) entre lesquelles un deuxième fluide caloporteur est destiné à circuler, lesdites ailettes (6) comportant des orifices à travers lesquels passent les tubes (2), les tubes (2) étant reliés aux ailettes (6) par une liaison mécanique obtenue par expansion des tubes (2) dans les orifices desdites ailettes (6), les tubes (2) comportant en leur sein au moins deux conduites (23) séparées par au moins une paroi interne (24) reliant lesdits grands côtés (21).

Description

Échangeur de chaleur et son procédé de fabrication.

L'invention concerne un échangeur de chaleur et son procédé de fabrication. Plus particulièrement dans le domaine des échangeurs de chaleur mécanique pour une application dans le domaine automobile.

Un échangeur de chaleur 1 illustré à la figure 1 comporte :

• des tubes 2 parallèles les uns avec les autres et disposés selon au moins une rangée et dans lesquels un premier fluide caloporteur est destiné à circuler, et • des ailettes 6 disposées parallèlement les unes par rapport aux autres et au travers desquelles un second fluide caloporteur est apte à circuler, les ailettes 6 sont disposées perpendiculairement au plan du ou des rangs de tubes 2 et elles comportent des orifices dans lesquels les tubes 2 sont insérés et fixés.

La fixation des tubes 2 avec les ailettes 6 est dite mécanique et est réalisée notamment par expansion desdits tubes 2. Pour cela, une olive de taille supérieure à celle initiale des tubes 2 est insérée dans les tubes et les traverse pour les agrandir. Les tubes 2 sont alors élargis et fixés aux ailettes 6 par contrainte mécanique.

Les tubes 2 ont une section oblongue comportant deux grands côtés parallèles et deux petits côtés courbes reliant les extrémités desdits grands côtés et formant les tranches des tubes. Du contact entre les tubes 2 et les ailettes 6 dépendent non seulement la fixation des tubes 2 mais également la qualité des échanges thermiques entre les tubes 2 et les ailettes 6 et donc l’efficacité de l’échangeur de chaleur 1.

Les tubes 2 de l’art antérieur ont généralement une section avec des grands côtés concaves, convexes ou ondulés et ne présentent qu’un canal sur l’ensemble de leur section. De ce fait, lors de l’expansion des tubes 2 en vue de les fixer aux ailettes 6, un retour élastique au niveau de la partie centrale des tubes 2 s’effectue ce qui diminue le contact et les échanges thermiques entre les tubes 2 et les ailettes 6. Une solution connue pour compenser ce retour élastique est d’effectuer une sur-expansion des tubes 2.

Cependant une telle sur-expansion peut entraîner une déformation des ailettes 6 qui elle aussi peut pénaliser les échanges thermiques du fait d’un mauvais contact entre les tubes 2 et les ailettes 6.

De plus, l’expansion des tubes 2 entraîne des amincissements locaux de la paroi des tubes 2, notamment au niveau des petits côtés et de leurs jonctions avec les grands côtés. Compte-tenu de ces amincissements locaux à l’expansion, d’autant plus présents en cas de sur-expansion des tubes, l’épaisseur de la paroi des tubes 2 est accrue, de sorte que les parois aient une tenue en fatigue suffisante pour supporter les contraintes d’assemblage de ce type d’échangeur. Cette épaisseur accrue influe négativement sur les échanges thermiques et implique en outre futilisation d’une plus grande quantité de matériau pour former les tubes 2, ce qui augmente le coût de production et la masse de l’échangeur.

Un des buts de la présente invention est donc de remédier au moins partiellement aux inconvénients de l'art antérieur et de proposer un échangeur de chaleur amélioré.

La présente invention concerne donc un échangeur de chaleur comprenant un faisceau de tubes, ledit faisceau de tubes comportant :

° une multitude de tubes dans lesquels un premier fluide caloporteur est destiné à circuler et disposés parallèlement les uns aux autres selon une rangée, lesdits tubes étant de section oblongue et comportant deux grands côtés parallèles et deux petits côtés reliant les extrémités ° une pluralité d'ailettes entre lesquelles un deuxième fluide caloporteur est destiné à circuler, lesdites ailettes comportant des orifices à travers lesquels passent les tubes, les tubes étant reliés aux ailettes par une liaison mécanique obtenue par expansion des tubes dans les orifices desdites ailettes, les tubes comportant en leur sein au moins deux conduites séparées par au moins une paroi interne reliant lesdits grands côtés.

Le fait que les tubes comportent au moins une paroi interne reliant les grands côtés permet de diminuer le phénomène de retour élastique après l’expansion des tubes. La liaison entre les tubes et les ailettes est donc améliorée et l’échangeur de chaleur est plus efficace. De plus la présence des parois internes permet au tube d’avoir une meilleure résistance à la pression exercée par le premier fluide caloporteur qui le traverse. Il est ainsi possible d’avoir des tubes ayant une épaisseur de paroi par exemple inférieure à 0,2mm tout en conservant une largeur importante, par exemple de l’ordre de 12mm. On entend ici par largeur la distance entre les deux petits côtés de la section du tube. On comprend donc que la courbure des parois internes permet de compenser l’allongement nécessaire à la réalisation de l’expansion des canaux sans entraîner une réduction de l’épaisseur des parois de cloisons.

Selon un aspect de l’invention, au niveau des grands côtés des tubes, chaque conduite présente un bombement vers l’extérieur du tube.

Selon un autre aspect de l’invention, la largeur des conduites est égale à la hauteur desdites conduites, c’est-à-dire la distance interne entre deux grands côtés.

Selon un autre aspect de l’invention, deux conduites adjacentes sont séparées par une seule paroi interne.

Selon un autre aspect de l’invention, deux conduites adjacentes sont séparées par deux parois internes ménageant au moins un espace entre lesdites conduites adjacentes, chaque paroi interne étant courbe et dont le centre de courbure est situé au sein de la conduite adjacente à ladite paroi interne.

Selon un autre aspect de l’invention, les parois internes de deux conduites adjacentes sont en contact l’une de l’autre de sorte à former deux espaces de part et d’autre de leur zone de contact.

Selon un autre aspect de l’invention, les conduites ont un profil cylindrique.

La présente invention concerne également un procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur mécanique comprenant un faisceau de tubes, ledit faisceau de tubes comportant :

° une multitude de tubes dans lesquels un premier fluide caloporteur est destiné à circuler et disposés parallèlement les uns aux autres selon une rangée, lesdits tubes étant de section oblongue et comportant :

deux grands côtés plats et parallèles, deux petits côtés reliant les extrémités desdits grands côtés, au moins deux conduites séparées par au moins une paroi interne déformable reliant lesdits grands côtés, ° une pluralité d'ailettes entre lesquelles un deuxième fluide caloporteur est destiné à circuler, lesdites ailettes comportant des orifices à travers lesquels passent les tubes, ledit procédé comportant une étape de fixation des tubes dans les orifices des ailettes par insertion d’une olive d’expansion dans les conduites de sorte à augmenter la largeur et la hauteur desdits tubes par déformation, les parois internes des tubes étant également déformées par le passage de l’olive d’expansion.

Selon un aspect du procédé selon l’invention, les tubes comporte une seule paroi interne entre deux conduites adjacentes, avant expansion des tubes, lesdites parois internes étant courbes en section transversale, après expansion des tubes, lesdites parois internes ayant un rayon de courbure supérieur ou devenant rectilignes en section transversale.

Selon un autre aspect du procédé selon l’invention, deux conduites adjacentes sont séparées par deux parois internes courbes, avant expansion des tubes, chaque paroi interne ayant son centre de courbure situé à l’opposé de la conduite adjacente à ladite paroi interne et ménageant un espace entre lesdites deux conduites adjacentes, après expansion des tubes, chaque paroi interne étant déformée de sorte que son centre de courbure est situé au sein de la conduite adjacente à ladite paroi interne.

Selon un autre aspect du procédé selon l’invention, après expansion des tubes, les parois internes adjacentes sont en contact l’une de l’autre de sorte à former deux espaces de part et d’autre de leur zone de contact.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels :

• la figure 1 montre une représentation schématique d'un échangeur de chaleur, • la figure 2 montre une représentation schématique en section transversale selon le plan de coupe C d'un tube selon un premier mode de réalisation, • la figure 3 montre une représentation schématique en section transversale selon le plan de coupe C du tube de la figure 2 avant expansion, • la figure 4 montre une représentation schématique en section transversale selon le plan de coupe C d'un tube selon un deuxième mode de réalisation, • la figure 5 montre une représentation schématique en section transversale selon le plan de coupe C du tube de la figure 4 avant expansion.

Les éléments identiques sur les différentes figures, portent les mêmes références.

Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées ou interchangées pour fournir d'autres réalisations.

Dans la présente description, on peut indexer certains éléments ou paramètres, comme par exemple premier élément ou deuxième élément ainsi que premier paramètre et deuxième paramètre ou encore premier critère et deuxième critère etc. Dans ce cas, il s’agit d’un simple indexage pour différencier et dénommer des éléments ou paramètres ou critères proches mais non identiques. Cette indexation n’implique pas une priorité d’un élément, paramètre ou critère par rapport à un autre et on peut aisément interchanger de telles dénominations sans sortir du cadre de la présente description. Cette indexation n’implique pas non plus un ordre dans le temps par exemple pour apprécier tels ou tels critères.

La figure 1 montre un échangeur de chaleur 1 comprenant un faisceau de tubes 2. Ce faisceau de tubes 2 comporte :

° une multitude de tubes 2 dans lesquels un premier fluide caloporteur est destiné à circuler et disposés parallèlement les uns aux autres et disposés en rang, ° une pluralité d'ailettes 6 entre lesquelles un deuxième fluide caloporteur est destiné à circuler, lesdites ailettes 6 comportant des orifices par lesquels passent les tubes 2. Les ailettes 6 sont disposées parallèlement les unes par rapport aux autres.

A chaque extrémité du faisceau de tubes 2 est disposé un collecteur 3 qui permet la distribution et/ou la collecte du premier fluide caloporteur. Le collecteur 3 comporte une plaque collectrice 4 munie d’ouvertures au travers desquelles passent les extrémités des tubes 2 et d’un couvercle 8 recouvrant la plaque collectrice 4.

Dans sa construction générale, l’échangeur de chaleur 1 ressemble aux échangeurs de chaleur de l’état de la technique. Les différences d’un échangeur de chaleur 1 selon l’invention par rapport à ceux de l’état de la technique, concernent les tubes 2 comme explicité aux figures 2 à 5.

Comme le montre plus en détail la figure 2, les tubes 2 sont de section oblongue et comportent deux grands côtés 21 parallèles et deux petits côtés reliant les extrémités desdits grands côtés 21. Les petits côtés forment les tranches 22 des tubes 2. Les tubes 2 sont reliés aux ailettes 6 par une liaison mécanique obtenue par expansion des tubes 2 dans les orifices des ailettes 6,

Comme le montre les figures 2 et 4, les tubes 2 comportent en leur sein au moins deux conduites 23 séparées par au moins une paroi interne 24 reliant les grands côtés 21. Dans les exemples des figures 2 et 4, les tubes 2 comportent cinq conduites 23, cependant ce nombre est nullement limitatif et les tubes 2 peuvent tout à fait comporter moins ou plus de conduites 23.

Le fait que les tubes 2 comportent au moins une paroi interne 24 reliant les grands côtés 21 permet de diminuer le phénomène de retour élastique après l’expansion des tubes 2. La liaison entre les tubes 2 et les ailettes 6 est donc améliorée et l’échangeur de chaleur 1 est plus efficace. De plus la présence des parois internes 24 permet au tube 2 d’avoir une meilleure résistance à la pression exercée par le premier fluide caloporteur qui le traverse. Il est ainsi possible d’avoir des tubes 2 ayant une épaisseur de paroi par exemple inférieure à 0,2mm tout en conservant une largeur importante, par exemple de l’ordre de 12mm. On entend ici par largeur la distance entre les deux tranches 22 du tube 2.

Au niveau des grands côtés 21 des tubes 2, chaque conduite 23 peut notamment présenter un bombement 21a vers l’extérieur du tube 2 du fait de l’insertion d’une olive d’expansion 50 afin de faire subir une expansion aux tubes 2.

De préférence, la largeur 1 des conduites 23 est égale à leur hauteur h. On entend par largeur 1 la distance entre deux parois internes 24 ou entre une paroi interne 24 et la tranche 22 du tube 2. On entend également par hauteur h la hauteur de la lumière du tube 2 entre deux grands côtés 21. Le fait d’avoir des conduites ayant une largeur 1 égale à leur hauteur h, permet de limiter les retours élastiques après expansion des tubes 2 mais également permet de limiter les amincissements liés à cette expansion. De ce fait, il est possible d’utiliser des tubes 2 dont la paroi est relativement mince et donc ayant une meilleure conductivité thermique.

Il est cependant également tout à fait possible d’imaginer des conduites 23 oblongues dont la largeur 1 est supérieure à la hauteur h. Dans ce cas, les conduites 23 auront leur grand axe confondu avec le grand axe des tubes 2. Une variante peut également être que la largeur 1 des conduites est inférieure à la hauteur h. Dans ce cas, les conduites 23 auront leur grand axe parallèle au petit axe des tubes 2.

Selon un premier mode de réalisation illustré à la figure 2, deux conduites 23 adjacentes peuvent être séparées par une seule paroi interne 24. Cette paroi interne 24 peut plus particulièrement avoir un profil transversal rectiligne entre les deux grands côtés 21.

La figure 3 montre plus particulièrement une section d’un tube 2 selon le premier mode de réalisation avant son expansion par insertion d’une olive d’expansion 50 dans les conduites 23. Les parois internes 24 sont alors courbes avant expansion des tubes 2. Le passage de l’olive d’expansion 50 dans une conduite 23 déforme la ou les parois internes 24. Après expansion des tubes 2, les parois internes 24 ont un rayon de courbure supérieur à celui des tubes avant expansion, ou deviennent rectilignes en section transversale, comme illustré sur la figure 3.

Dans ce premier mode de réalisation la distance entre deux conduites 23 est donc égale à l’épaisseur de la paroi interne 24.

Selon un deuxième mode de réalisation illustré à la figure 4, deux conduites 23 adjacentes sont séparées par deux parois internes 24. Ces deux parois internes 24 ménagent au moins un espace 25 entre lesdites conduites 23 adjacentes. Chaque paroi interne 24 est courbe en section transversale et son centre de courbure est situé au sein de la conduite 23 adjacente à ladite paroi interne 24.

Dans l’exemple présenté à la figure 4, les parois internes 24 de deux conduites 23 adjacentes sont en contact l’une de l’autre de sorte à former deux espaces 25 de part et d’autre de leur zone de contact. Ces espaces 25 peuvent être suffisants pour que le premier fluide caloporteur puisse circuler en leur sein, au même titre que dans les conduites 23.

Pour ce deuxième mode de réalisation, les conduites 23 ont notamment un profil cylindrique. Ce profil cylindrique permet une meilleure tenue aux efforts des conduites 23 et des tubes 2.

La figure 5 montre plus particulièrement une section d’un tube 2 selon le deuxième mode de réalisation avant son expansion par insertion d’une olive d’expansion 50 dans les conduites 23. Avant expansion des tubes 2, chaque paroi interne 24 a son centre de courbure situé à l’opposé de la conduite 23 adjacente à ladite paroi interne 24. Ces parois internes 24 ménagent un espace 25 entre deux conduites 23 adjacentes. Le passage de l’olive d’expansion 50 dans une conduite 23 déforme la ou les parois internes 24. Après expansion des tubes 2, chaque paroi interne 24 est déformée de sorte que son centre de courbure est situé au sein de la conduite 23 adjacente à ladite paroi interne 24, comme illustré sur la figure 4. Après expansion, les parois internes 24 adjacentes peuvent être en contact l’une de l’autre de sorte à former deux espaces 25 de part et d’autre de leur zone de contact.

Dans ce deuxième mode de réalisation la distance minimale entre deux conduites 23 adjacentes, est donc égale à la somme des épaisseurs des deux parois internes 24 disposées entre les deux conduites 23 adjacentes.

Les olives d’expansion 50 peuvent être par exemple des éléments en carbure montés sur des tiges métalliques et étant introduites dans les conduites 23. De préférence, et afin de limiter le nombre d’opération, l’ensemble des conduites 23 d’un même tube 2 voir même l’ensemble des tubes 2 d’un même faisceau subissent une expansion simultanée via un outil comportant une multitude de tiges et d’olives d’expansion 50. Dans les exemples décrits aux figures 2 et 4, l’olive d’expansion 50 a une section ovoïde ou même circulaire afin que les conduites 23 aient leur largeur 1 égale à leur hauteur h.

La présente invention concerne également un procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur 1 mécanique comprenant un faisceau de tubes 2 tel que décrit précédemment. Le procédé comporte plus particulièrement une étape de fixation des tubes 2 dans les orifices des ailettes 6 par insertion d’une olive d’expansion 50 dans les conduites 23 de sorte à augmenter la largeur et la hauteur desdits tubes 2 par déformation. Lors de cette expansion, les parois internes 24 des tubes 2 sont également déformées par le passage de l’olive d’expansion 50 dans les conduites 23.

Ainsi, on voit bien que l’échangeur de chaleur 1 selon l’invention de part la structure des tubes 2 et de son procédé de fabrication, permet une meilleure liaison entre les tubes 2 et les ailettes 6 après expansion des tubes 2, et cela grâce à la présence des conduites 23 et des parois internes 24 qui diminue le phénomène de retour élastique après expansion des tubes 2. De plus, la présence des conduites 23 et des parois internes 24 diminue Γ amincissement local de la paroi des tubes 2 toujours du fait de leur 5 expansion.

Claims

REVENDICATIONS

1. Échangeur de chaleur (1) comprenant un faisceau de tubes (2), ledit faisceau de tubes (2) comportant :

° une multitude de tubes (2) dans lesquels un premier fluide caloporteur est destiné à circuler et disposés parallèlement les uns aux autres selon une rangée, lesdits tubes (2) étant de section oblongue et comportant deux grands côtés (21) parallèles et deux petits côtés reliant les extrémités desdits grands côtés (21), ° une pluralité d'ailettes (6) entre lesquelles un deuxième fluide caloporteur est destiné à circuler, lesdites ailettes (6) comportant des orifices à travers lesquels passent les tubes (2), les tubes (2) étant reliés aux ailettes (6) par une liaison mécanique obtenue par expansion des tubes (2) dans les orifices desdites ailettes (6), caractérisé en ce que les tubes (2) comportent en leur sein au moins deux conduites (23) séparées par au moins une paroi interne (24) reliant lesdits grands côtés (21).
2. Échangeur de chaleur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’au niveau des grands côtés (21) des tubes (2), chaque conduite (23) présente un bombement (21a) vers l’extérieur du tube (2).
3. Échangeur de chaleur (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la largeur (1) des conduites (23) est égale à la hauteur (h) desdites conduites (23), c’est-à-dire la distance interne entre deux grands côtés (21).
4. Échangeur de chaleur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que deux conduites (23) adjacentes sont séparées par une seule paroi interne (24).
5. Échangeur de chaleur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que deux conduites (23) adjacentes sont séparées par deux parois internes (24) ménageant au moins un espace (25) entre lesdites conduites (23) adjacentes, chaque paroi interne (24) étant courbe et dont le centre de courbure est situé au sein de la conduite (23) adjacente à ladite paroi interne (24).
6. Échangeur de chaleur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les parois internes (24) de deux conduites (23) adjacentes sont en contact l’une de l’autre de sorte à former deux espaces (25) de part et d’autre de leur zone de contact.
7. Échangeur de chaleur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les conduites (23) ont un profil cylindrique.
8. Procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur (1) comprenant un faisceau de tubes (2), ledit faisceau de tubes (2) comportant :

° une multitude de tubes (2) dans lesquels un premier fluide caloporteur est destiné à circuler et disposés parallèlement les uns aux autres et selon une rangée, lesdits tubes (2) étant de section oblongue et comportant :

deux grands côtés (21) parallèles, deux petits côtés reliant les extrémités desdits grands côtés (21), au moins deux conduites (23) séparées par au moins une paroi interne (24) déformable reliant lesdits grands côtés (21), ° une pluralité d'ailettes (6) entre lesquelles un deuxième fluide caloporteur est destiné à circuler, lesdites ailettes (6) comportant des orifices à travers lesquels passent les tubes (2), ledit procédé comportant une étape de fixation des tubes (2) dans les orifices des ailettes (6) par insertion d’une olive d’expansion (50) dans les conduites (23) de sorte à augmenter la largeur et la hauteur desdits tubes (2) par déformation, les parois internes (24) des tubes (2) étant également déformées par le passage de l’olive d’expansion (50).
9. Procédé de fabrication selon la revendication 8, caractérisé en ce que les tubes (2) comportent une seule paroi interne (24) entre deux conduites (23) adjacentes, lesdites parois internes (24) étant :

courbes en section transversale avant expansion des tubes (2), avec un rayon de courbure supérieur ou devenant rectilignes en section transversale après expansion des tubes (2).
10. Procédé de fabrication selon la revendication 8, caractérisé en ce que deux conduites (23) adjacentes sont séparées par deux parois internes (24) courbes, chaque paroi interne (24) ayant :

son centre de courbure situé à l’opposé de la conduite (23) adjacente à ladite paroi interne (24) avant expansion des tubes (2), ménageant un espace (25) entre lesdites deux conduites (23) adjacentes, été déformée par expansion des tubes (2) de sorte que son centre de courbure est situé au sein de la conduite (23) adjacente à ladite paroi interne (24).