ITTO20090946A1 - Metodo per migliorare l efficienza di scambio termico fra un corpo metallico ed un tubo in cui scorre un fluido di scambio termico. - Google Patents

Description

“Metodo per migliorare l’efficienza di scambio termico fra un corpo metallico ed un tubo in cui scorre un fluido di scambio termico”

DESCRIZIONE

Settore della Tecnica

La presente invenzione si riferisce ad un metodo per migliorare l’efficienza di scambio termico fra un corpo metallico ed un tubo - in particolare un tubo di materiale diverso - in cui scorre un fluido di scambio termico.

In particolare, la presente invenzione si riferisce ad un metodo per migliorare l’efficienza di raffreddamento di un corpo metallico.

La presente invenzione trova particolare applicazione nel raffreddamento del corpo di una pompa da vuoto, ad esempio di una pompa da vuoto turbomolecolare.

Arte Nota

Esistono molteplici applicazioni in cui è necessario raffreddare il corpo metallico di una macchina durante il suo funzionamento, al fine di mantenere la sua temperatura al di sotto di una soglia prefissata.

Ad esempio, il corpo di una pompa da vuoto turbomolecolare, realizzato in generale in alluminio o sue leghe, viene costantemente raffreddato durante il funzionamento della pompa, al fine di mantenere la sua temperatura al di sotto di una soglia prefissata.

Sono noti diversi metodi per raffreddare il corpo in alluminio di una pompa da vuoto turbomolecolare utilizzando acqua a bassa temperatura che circola all’interno di detto corpo.

In alcune applicazioni note, i canali per il passaggio del fluido di raffreddamento sono ricavati direttamente nel corpo della pompa tramite foratura di rami diritti collegati in serie e - in corrispondenza della superficie esterna di detto corpo - sono collegati ad un circuito dell’acqua di raffreddamento mediante connettori idraulici di ingresso e di uscita in acciaio inossidabile.

Tale soluzione, sebbene sia economica e consenta di non introdurre la resistenza termica tra fluido e corpo, presenta diversi inconvenienti.

In primo luogo, non è possibile ottenere superfici di scambio termico elevate in modo economico, a causa dei vincoli imposti dalla lavorazione per foratura. Inoltre, l’accoppiamento fra i canali in alluminio ed i connettori in metallo diverso, in presenza di acqua, induce la corrosione galvanica dell’alluminio, con il conseguente rischio che i prodotti di corrosione intasino i canali dell’acqua di raffreddamento. La corrosione dell’alluminio può inoltre intaccare ed ostruire il canale in caso di acque di raffreddamento non trattate e/o presenza di coppie galvaniche tra diversi tratti del circuito di raffreddamento. La realizzazione di canali anodizzati, se anche evita gli inconvenienti connessi alla corrosione dell’alluminio, comporta un incremento della complessità del processo di realizzazione e, conseguentemente, dei costi di produzione e non consente comunque di ottenere superfici di scambio termico elevate, dato che si appoggia sulla stessa geometria dei canali realizzati per foratura.

In altre applicazioni note, tubi per l’acqua di raffreddamento in acciaio inossidabile sono inseriti nel corpo di alluminio della pompa al momento della sua realizzazione, mediante un processo di co-fusione, ovvero il canale di acciaio è inserito nello stampo in cui viene colato il metallo fuso che andrà a realizzare il corpo.

Tale soluzione consente di ottenere superfici di scambio termico elevate e evita i problemi di corrosione.

Tuttavia, il processo di co-fusione è complesso e costoso. Inoltre, tale processo non assicura un buon contatto termico fra il corpo della pompa ed i tubi del fluido di raffreddamento a causa dei diversi coefficienti di dilatazione termica e le diverse temperature dei due materiali in fase di raffreddamento, che causa ritiri diversi e pertanto, nonostante la superficie di scambio termico elevata, il rendimento dello scambio termico non è sempre ripetibile.

Ancora, in altre applicazioni note, tubi o canali per l’acqua di raffreddamento in rame o sue leghe sono accostati al corpo di alluminio della pompa e ad esso fissati mediante piantaggio con interferenza, avvitamento o incollaggio.

Tale soluzione, benché sfrutti l’elevata conducibilità termica dei tubi in rame o sue leghe, non è esente da problemi di corrosione galvanica tra rame a allumino. Inoltre, il fissaggio dei tubi in rame al corpo in alluminio della pompa comporta problematiche tecniche o richiede soluzioni dal costo elevato o caratterizzate da scarsa ripetibilità del processo.

Peraltro nella tecnologia degli scambiatori di calore a tubi e mantello, è utilizzata la mandrinatura dei tubi alle piastre tubiere.

Con riferimento alla Figura 1, un mandrino 101 comprende un elemento rotante 103, azionato ad esempio da un motore pneumatico, che provoca l’avanzamento assiale di una spina conica 105; detta spina conica 105, avanzando e ruotando, spinge in direzione radiale una pluralità di rulli 107 uniformemente disposti lungo l’asse del mandrino, che viene al contempo trascinato in rotazione dalla spina stessa. Il movimento radiale e rotatorio di detti rulli 107 produce una graduale espansione del tubo in cui il mandrino è inserito, accompagnata da una deformazione plastica della parete del tubo stesso.

Nella tecnica nota, la mandrinatura è utilizzata di prassi nel collegamento dei tubi degli scambiatori di calore alle piastre tubiere; le piastre tubiere sono piastre forate poste lungo detti tubi ad una certa distanza l’una dall’altra ed attraversate da essi ed hanno uno spessore molto minore della lunghezza tubi che le attraversano. Nell’accoppiamento fra i tubi di uno scambiatore di calore e le piastre tubiere, la buona qualità del contatto fra detti tubi e dette piastre garantito dalla mandrinatura è ricercata in quanto assicura un’elevata robustezza nel posizionamento dei tubi e il mantenimento di una corretta posizione reciproca, elimina gli inconvenienti legati alle vibrazioni, oltre a garantire la tenuta idraulica tra tubi e piastra.

Tuttavia, non è noto dalla tecnica anteriore l’utilizzo della mandrinatura per migliorare l’efficienza di scambio termico fra un corpo metallico ed un circuito di un fluido di scambio termico inserito al suo interno per il raffreddamento / riscaldamento di detto corpo.

Scopo principale della presente invenzione è quello di fornire un metodo per migliorare l’efficienza di scambio termico fra un corpo metallico da raffreddare / riscaldare e un tubo in cui scorre un fluido di raffreddamento / riscaldamento.

Altro scopo della presente invenzione è quello di fornire un metodo per il raffreddamento / riscaldamento di un corpo metallico che consenta di evitare problemi derivanti dal contatto fra detto corpo ed il fluido di raffreddamento / riscaldamento e dalla corrosione di detto corpo, tramite l’interposizione di un tubo in materiale diverso senza peggiorare la resistenza termica di contatto.

Questi ed altri scopi sono raggiunti mediante un metodo come rivendicato nelle unite rivendicazioni.

Descrizione dell’Invenzione

Grazie al fatto che almeno una porzione dei tubi per il fluido di scambio termico, dopo che essi sono stati inseriti nel corpo metallico da raffreddare / riscaldare, è sottoposta ad una fase di mandrinatura che provoca l’espansione dei tubi stessi e garantisce una perfetta aderenza di detti tubi alle pareti circostanti del corpo metallico, l’efficienza di scambio termico fra il fluido di scambio termico che scorre in detti tubi e detto corpo metallico è eccellente in quanto viene minimizzata la resistenza termica di contatto tra detti tubi e detto corpo.

Inoltre, grazie al fatto che la mandrinatura può garantire una tenuta idraulica, è possibile evitare qualsiasi contatto fra il fluido di scambio termico (ad esempio acqua) e il corpo metallico in cui il tubo è mandrinato, suscettibile di corrosione.

Descrizione Sintetica delle Figure

Altri vantaggi e caratteristiche del metodo secondo l’invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione dettagliata che segue di alcune forme di realizzazione preferite, date a titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, in cui:

- la Figura 1 illustra un mandrino di tipo noto;

- la Figura 2 illustra, parzialmente in spaccato, un corpo metallico raffreddato secondo una prima forma di realizzazione del metodo secondo l’invenzione, illustrato con i tubi del fluido di scambio termico inseriti e prima della fase di mandrinatura;

- la Figura 2a illustra un particolare ingrandito della Figura 2, che mostra un connettore idraulico del circuito di scambio termico;

- la Figura 3 illustra una porzione del corpo metallico di Figura 2, illustrato dopo la fase di mandrinatura;

- la Figura 3a illustra un particolare ingrandito della Figura 3, che mostra un connettore idraulico del circuito di scambio termico sul quale è stato mandrinato il tubo;

- la Figura 4 è un grafico che mostra la differenza di temperatura fra il fluido di scambio termico ed il corpo metallico di Figura 2 in funzione del diametro interno D dei tubi del fluido di scambio termico prima e dopo la fase di mandrinatura;

- la Figura 5 illustra, in sezione, un corpo metallico raffreddato secondo una seconda forma di realizzazione del metodo secondo l’invenzione, con i tubi del fluido di scambio termico inseriti;

- la Figura 6 illustra i tubi del fluido di scambio termico secondo una terza forma di realizzazione del metodo secondo l’invenzione.

Descrizione di alcune Forme Preferite di Realizzazione

Le forme preferite di realizzazione descritte in dettaglio nel seguito fanno riferimento a titolo di esempio al raffreddamento di un corpo metallico. Sarà evidente all’esperto del settore che tale esempio non è in alcun modo limitativo e che le stesse caratteristiche e gli stessi vantaggi sono ugualmente validi nel caso di riscaldamento di un corpo metallico.

Con riferimento alle Figure 2 e 3 è illustrato il metodo secondo l’invenzione, secondo una prima forma preferita di realizzazione dell’invenzione.

In una prima fase di tale metodo (mostrata in Figura 2), nel corpo metallico 1 che deve essere raffreddato - ad esempio il corpo in alluminio di una pompa da vuoto turbomolecolare -viene ricavato un foro 3 nel quale vengono introdotti uno o più tubi o serpentine 5 per il passaggio di un fluido di raffreddamento, ad esempio acqua.

Nella forma di realizzazione rappresentata, è previsto un solo tubo 5 con profilo a “U”, che si trova completamente immerso all’interno del corpo 1; le estremità 5a dei due bracci rettilinei 5b del tubo 5 si trovano in corrispondenza della superficie esterna del corpo 1 e sono raccordati ad un circuito esterno del fluido di raffreddamento mediante connettori idraulici 7,9 rispettivamente per l’ingresso e l’uscita del fluido di raffreddamento nel / dal tubo 5.

In linea generale, secondo l’invenzione i tubi 5 risultano alloggiati almeno per la maggior parte della loro lunghezza -se non addirittura completamente - all’interno dei corrispondenti fori 3 ricavati nel corpo 1.

Preferibilmente, il tubo 5 ed i connettori idraulici 7,9 sono realizzati in un materiale resistente alla corrosione, tipicamente acciaio inossidabile.

In una seconda fase del metodo secondo l’invenzione (mostrata in Figura 3), un mandrino del tipo illustrato in Figura 1 viene introdotto attraverso i connettori idraulici 7,9 e le estremità 5a del tubo 5 lungo i bracci rettilinei 5b di detto tubo e detti bracci 5b di detto tubo sono sottoposti a mandrinatura per causarne l’espansione fino a entrare perfettamente in contatto con la parete circostante del foro 3 del corpo 1.

Preferibilmente, l’espansione mediante mandrinatura del tubo 5 viene proseguita fino a raggiungere pressioni di contatto molto elevate fra il tubo 5 ed il corpo 1, dell’ordine di diversi MPa, e fino ad ottenere una riduzione dello spessore della parete del tubo 5 per deformazione plastica.

Il metodo secondo l’invenzione prevede di sottoporre a mandrinatura almeno una porzione non trascurabile del tubo 5, in particolare una porzione considerevole di detto tubo, superiore almeno al 10% della sua lunghezza complessiva e preferibilmente superiore al 30% di detta lunghezza complessiva.

Nello specifico della forma di realizzazione illustrata, il metodo secondo l’invenzione prevede di sottoporre a mandrinatura i bracci 5b del tubo 5 per tutta la lunghezza rettilinea utile raggiungibile mediante il mandrino, nonché di mandrinare le estremità 5a del tubo 5 contro la parete interna dei connettori idraulici 7 e 9.

A tale proposito, e con riferimento alle Figure 2a e 3a, i connettori idraulici 7 e 9 sono vantaggiosamente provvisti, sulla loro superficie interna, di una pluralità di scanalature anulari 11.

Durante la fase di mandrinatura, le estremità 5a del tubo 5 vengono fatte espandere fino ad entrare perfettamente in contatto con dette scanalature, con pressioni di contatto molto elevate, tali che gli spigoli delle scanalature incidano la superficie esterna del tubo 5.

La mandrinatura del tubo 5 contro la parete interna dei connettori idraulici, ed in particolare contro gli spigoli delle scanalature 11, assicura un collegamento a tenuta fra detto tubo e detti connettori, cosicché è scongiurato il rischio di perdite e di contatto fra il fluido di raffreddamento (cioè acqua) ed il corpo 1.

Di conseguenza, sono evitati tutti i rischi di corrosione del corpo 1, anche in quei casi in cui detto corpo è realizzato in un materiale soggetto a corrosione, come l’alluminio nel caso di un corpo di una pompa turbomolecolare.

Prove sperimentali hanno dimostrato che il metodo secondo l’invenzione permette di migliorare sensibilmente l’efficienza dello scambio termico fra il fluido di raffreddamento ed il corpo che deve essere raffreddato.

La Figura 4 è un grafico che illustra le variazioni dalla differenza DT fra la temperatura del fluido di raffreddamento (acqua) a portata costante misurata in corrispondenza del connettore idraulico di ingresso 7 e la temperatura del corpo 1 da raffreddare, in funzione del diametro interno D del tubo 5 in cui circola il fluido di raffreddamento, che aumenta all’aumentare della pressione della mandrinatura.

Le prove cui fa riferimento la Figura 4 sono state effettuate riscaldando il corpo 1 mediante resistenze elettriche con potenza rispettivamente di 100W, 250W e 400W.

Come risulta dalla Figura 4, nel corpo 1 è stato ricavato un foro di diametro di 10.2 mm ed in detto foro è stato introdotto un tubo 5 di diametro esterno iniziale di 10.0 mm e di diametro interno iniziale di 8.0 mm.

Successivamente, seguendo il metodo dell’invenzione, il tubo 5 è stato sottoposto a mandrinatura ed espanso oltre al punto di contatto teorico (TC) con la parete del foro, fino ad un diametro interno compreso fra 8.35 e 8.45 mm.

I risultati di dette prove sperimentali riportati in Figura 4 mettono in immediata evidenza il miglioramento dello scambio termico fra il fluido di raffreddamento ed il corpo da raffreddare, con una riduzione di DT fino al 50% del valore iniziale calcolato prima della mandrinatura.

Tali risultati confermano, quindi, che il metodo secondo l’invenzione permette di raggiungere gli scopi sopra prefissati.

Si noti che, secondo una forma preferita di realizzazione dell’invenzione, al fine di migliorare ulteriormente lo scambio termico fra il corpo 1 e il tubo 5, prima della mandrinatura detto tubo può essere rivestito con uno strato sottile di materiale malleabile e dotato di elevata conducibilità termica (quale ad esempio coating di argento). Con riferimento alla Figura 5, è illustrata una seconda forma di realizzazione dell’invenzione che consente di incrementare la lunghezza utile sottoposta a mandrinatura del tubo in cui circola il fluido di raffreddamento.

È infatti evidente dalle Figure 2 e 3 che, nel caso sia utilizzato un tubo con profilo a “U”, non è possibile raggiungere con un mandrino la porzione centrale di detto tubo ed i raccordi curvilinei fra la porzione centrale ed i bracci rettilinei di detto tubo; solo la porzione rettilinea dei bracci del tubo può essere sottoposta a mandrinatura.

Nella forma di realizzazione illustrata in Figura 5, il tubo 25 per il fluido di raffreddamento è costituito da una pluralità di sezioni sostanzialmente rettilinee 25’,25’’,25’’’. Corrispondentemente nel corpo 21 da raffreddare sono creati più fori 23 rettilinei che alloggiano ciascuno una corrispondente sezione del tubo 25. Tutti i fori 23 si aprono sulla superficie esterna del corpo 21 e sono pertanto raggiungibili dall’esterno.

In particolare, in Figura 5, il tubo 25 è formato da una coppia di sezioni 25’,25’’’ parallele, raccordate ad un’estremità rispettivamente al connettore idraulico di ingresso 27 ed al connettore idraulico di uscita 29 del fluido di raffreddamento. Le estremità opposte di dette sezioni 25’,25’’’ sono raccordate tra loro mediante una terza sezione 25’’, anch’essa rettilinea e perpendicolare alle prime due.

Raccordi 33 a forma di blocchetti metallici con foro a croce sono previsti fra le diverse sezioni del tubo 25 per assicurarne la continuità. Degli elementi di chiusura 35 sono previsti in corrispondenza dei raccordi 33 fra le diverse sezioni 25’,25’’,25’’’ del tubo 25 per mantenere detto tubo separato e protetto dall’ambiente esterno. Si noti che almeno un foro 33a di almeno un raccordo 33 si apre sulla superficie esterna del corpo 21 in modo tale da rendere la sezione 25’’ accessibile dall’esterno per la mandrinatura. Tale apertura dovrà essere successivamente chiusa da un tappo a tenuta 35, filettato o inserito a pressione.

Secondo questa seconda forma di realizzazione, inizialmente le sezioni rettilinee 25’,25’’,25’’ del tubo 25 vengono introdotte nei rispettivi fori 23. Successivamente, un mandrino del tipo illustrato in Figura 1 viene introdotto in sequenza lungo le sezioni 25’,25’’,25’’’ del tubo 25, accessibili dall’esterno rispettivamente attraverso il connettore idraulico di ingresso 27, il foro 33a del raccordo 33 ed il connettore idraulico di uscita 29, e dette sezioni di detto tubo sono sottoposte a mandrinatura per causarne l’espansione fino a entrare perfettamente in contatto con la parete circostante dei fori 23 del corpo 21.

È evidente che, grazie al fatto che ciascuna delle sezioni 25’,25’’,25’’’ è rettilinea ed accessibile dall’esterno, la porzione di tubo 25 che può essere sottoposta a mandrinatura è notevolmente superiore rispetto alla prima forma di realizzazione delle Figure 2 e 3 e può raggiungere anche il 100%.

Anche in questo caso, i connettori idraulici 27 e 29 sono vantaggiosamente provvisti, sulla loro superficie interna, di una pluralità di scanalature anulari 31 per assicurare un collegamento a tenuta con le sezioni del tubo 25 una volta che queste sono state mandrinate.

Analogamente i raccordi 33 sono provvisti, sulla loro superficie interna, di una pluralità di scanalature anulari 37 con la medesima funzione.

Pertanto, anche in questa seconda forma di realizzazione del metodo secondo l’invenzione è scongiurato il rischio di perdite e di contatto fra il fluido di raffreddamento ed il corpo da raffreddare.

È evidente che il metodo secondo l’invenzione può prevedere l’impiego di un singolo tubo, anche di forma rettilinea, oppure di una pluralità di tubi per il circuito di raffreddamento collegati fra loro in serie e/o in parallelo. A titolo di esempio e con riferimento alla Figura 6 è illustrata una porzione di un circuito di raffreddamento secondo una terza forma di realizzazione dell’invenzione che prevede l’impiego di due tubi 45,45’ per il fluido di raffreddamento collegati in serie.

In corrispondenza di un primo raccordo 53, una prima estremità del primo tubo 45 è collegata ad un connettore idraulico di ingresso 47 del fluido di raffreddamento ed una prima estremità del secondo tubo 45’ è collegata ad un connettore idraulico di uscita 49 del fluido di raffreddamento. Le estremità opposte di detto primo e secondo tubo 45,45’ sono collegate tra loro in serie mediante l’interposizione di un secondo raccordo 53.

Per assicurare la tenuta, in corrispondenza delle estremità dei tubi 45,45’, la parete interna dei fori ricavati nei raccordi 53 è vantaggiosamente provvista di scanalature anulari 51.

È evidente che il metodo secondo l’invenzione è stato descritto in relazione alle forme di realizzazione illustrate nei disegni allegati unicamente a titolo di esempio e che numerose modifiche e varianti sono possibili senza uscire dall’ambito di tutela definito dalle unite rivendicazioni. In particolare, come sopra anticipato, il metodo secondo all’invenzione può essere vantaggiosamente applicato sia al raffreddamento, sia al riscaldamento di corpi metallici.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per migliorare l’efficienza di scambio termico fra un corpo metallico ed un tubo (5;25;45,45’) in cui scorre un fluido di scambio termico, comprendente le seguenti fasi: - predisporre un corpo metallico (1;21); - ricavare in detto corpo metallico uno o più fori (3;23); - introdurre in detti fori uno o più tubi (5;25;45,45’) con sezione trasversale esterna avente un’area leggermente inferiore a quella di detti fori, in modo tale che detti tubi siano alloggiati almeno per la maggior parte della loro lunghezza all’interno di detti fori, detto/i tubo/i essendo raccordati alle loro estremità ad un circuito esterno di un fluido di scambio termico mediante connettori idraulici (7,9;27,29;47,49); caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre la seguente fase: - sottoporre almeno una porzione non trascurabile di detto/i tubo/i (5;25;45,45’) a mandrinatura per causarne l’espansione fino a entrare in contatto con la parete circostante di detto/i foro/i (3,23) in detto corpo (1;21).
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui la porzione di detto/i tubo/i (5;25;45,45’) sottoposta a mandrinatura è superiore almeno al 10% della lunghezza complessiva di detto/i tubo/i e preferibilmente superiore al 30% di detta lunghezza complessiva di detto/i tubo/i.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui l’espansione mediante mandrinatura di detto/i tubo/i (5;25;45,45’) viene proseguita fino a raggiungere pressioni di contatto molto elevate fra detto/i tubo/i (5;25;45,45’) e detto corpo (1;21).
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2 o 3, in cui l’espansione mediante mandrinatura di detto/i tubo/i (5;25;45,45’) viene proseguita fino ad ottenere deformazione plastica di detto/i tubo/i (5;25;45,45’) ed una riduzione dello spessore della sua/loro parete.
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detti connettori idraulici (7,9;27,29;47,49) sono provvisti, sulla loro superficie interna, di una pluralità di scanalature anulari (11;31;51).
6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detto/i tubo/i (25) per il fluido di scambio termico è/sono costituito/i da una pluralità di sezioni sostanzialmente rettilinee (25’,25’’,25’’’), ciascuna di dette sezioni essendo inserita in un corrispondente foro sostanzialmente rettilineo (23) ricavato in detto corpo (21), ciascuno di detti fori rettilinei aprendosi sulla superficie esterna di detto corpo (21).
7. 7. Metodo secondo la rivendicazione 6, in cui dette sezioni sostanzialmente rettilinee (25’,25’’,25’’’) sono collegate fra loro mediante raccordi (33) ed in cui elementi di chiusura (35) sono previsti in corrispondenza di detti raccordi (33).
8. 8. Metodo secondo la rivendicazione 7, in cui detti raccordi (33) sono provvisti, sulla loro superficie interna, di una pluralità di scanalature anulari (37).
9. 9. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8, in cui sono previsti almeno due tubi (45,45’) per il fluido di scambio termico, collegati in serie.
10. 10. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8, in cui sono previsti almeno due tubi per il fluido di scambio termico, collegati in parallelo.
11. 11. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto uno o più tubi (5;25;45,45’), prima della fase di mandrinatura, sono rivestiti con uno strato di materiale malleabile e che presenta un’elevata conducibilità termica, quale ad esempio coating di argento.