WO2000033008A1 - Tube plat pour echangeur de chaleur de largeur reduite - Google Patents

Tube plat pour echangeur de chaleur de largeur reduite Download PDF

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WO2000033008A1
WO2000033008A1 PCT/FR1999/002951 FR9902951W WO0033008A1 WO 2000033008 A1 WO2000033008 A1 WO 2000033008A1 FR 9902951 W FR9902951 W FR 9902951W WO 0033008 A1 WO0033008 A1 WO 0033008A1
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Yvon Dumetz
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Valeo Thermique Moteur
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/04—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates
    • F28F9/16—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling
    • F28F9/18—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling by welding
    • F28F9/182—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling by welding the heat-exchange conduits having ends with a particular shape, e.g. deformed; the heat-exchange conduits or end plates having supplementary joining means, e.g. abutments
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/03—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with plate-like or laminated conduits
    • F28D1/0391—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with plate-like or laminated conduits a single plate being bent to form one or more conduits

Definitions

  • the invention relates to a flat tube for the circulation of a fluid in a heat exchanger, in particular a radiator for cooling the drive motor of a motor vehicle, formed by a strip of sheet metal folded so as to define a peripheral wall. separating the interior of the tube from the exterior and an intermediate wall or spacer mechanically reinforcing the tube and dividing the interior of the latter into two longitudinal circulation channels open at at least one first end of the tube, the mechanical connection between the peripheral wall and the spacer being provided partly by the continuity of the material of the strip and partly by brazing, the tube comprising a body which has a substantially constant elongated cross section.
  • such tubes are combined into a bundle in which they are aligned in one or more rows and separated from each other by fins which also improve the heat exchange between the fluid circulating in the tubes and a flow of air circulating between them and sweeping the fins.
  • the channels of each tube open, at the first end of the latter, into a fluid box, one wall of which is formed by a collecting or collector plate pierced with holes which are crossed in leaktight manner by the end regions of the tubes.
  • the cross section of the tubes is substantially constant over the entire length of the latter.
  • the size of the exchanger is therefore linked to that of all the tubes, the fluid box necessarily extending, in this direction and in both directions, beyond the single row or all the rows of tubes.
  • the object of the invention is to remedy this drawback by reducing the total size of the heat exchanger for a given size of the tube bundle.
  • the invention relates in particular to a tube of the kind defined in the introduction, and provides that it further comprises at least one head region extending between its body and said first end, in which said peripheral wall, but not the spacer, is deformed so as to expand the channels in the direction of the width of said cross section and to tighten them towards the spacer in the direction of the length of the cross section.
  • the narrowing of the channels towards the spacer in the head region has the effect that, relative to the overall bulk of the beam in the direction of the length of the cross section of the tubes, the bulk of the head region, and therefore the minimum size of the fluid box, which cooperates therewith, is reduced.
  • the absence of deformation of the spacer allows it to retain its reinforcing function and if necessary sealing between the two channels.
  • the head region includes an end zone of substantially constant cross section corresponding to maximum deformation and a transition zone connecting the end zone to the body and in which the cross section progressively evolves between those of the end zone and body.
  • the width of said cross section varies progressively, starting from the spacer and on either side of it, from a minimum value to a maximum value.
  • the circulation channels are open at the second end of the tube and the latter also comprises a second head region extending between its body and its second end, the peripheral wall being deformed in the same way in the two regions of head.
  • the spacer is formed by two marginal zones of said strip, mutually brazed face to face, the opposite edges of the strip, adjacent respectively to these two zones, coming opposite the internal face of the peripheral wall to which they are brazed. .
  • the strip is folded in a symmetrical configuration with respect to the general plane of the spacer.
  • the invention also relates to a heat exchanger, in particular a cooling radiator for the drive motor of a motor vehicle, comprising at least one row of tubes as defined above, aligned in the direction of the width of their cross section, to the head region or to each head region of the set of tubes being associated with a fluid box of which a wall or collector plate is pierced with holes which are crossed by the end regions of the tubes, so that the channels open into the fluid box.
  • a heat exchanger in particular a cooling radiator for the drive motor of a motor vehicle, comprising at least one row of tubes as defined above, aligned in the direction of the width of their cross section, to the head region or to each head region of the set of tubes being associated with a fluid box of which a wall or collector plate is pierced with holes which are crossed by the end regions of the tubes, so that the channels open into the fluid box.
  • Figures 1, 2 and 3 are partial views respectively in cross section, in longitudinal section and in perspective of a heat exchanger according to the invention.
  • FIG. 4 is a top view of one of the tubes of this heat exchanger.
  • FIG. 5 is a detail on a larger scale of FIG. 4.
  • the heat exchanger shown in Figures 1 to 3 comprises a row of tubes 1, one of which is also shown in Figure 4 and partially in Figure 5.
  • Each tube comprises an elongated body 2 connected, by the intermediate of a transition zone 3, to an end zone 4.
  • an interlayer 5 in the form of a corrugated metal sheet whose corrugation ridges come into contact alternately with these two tubes.
  • the set of tubes and spacers forms a bundle in which the tubes are spaced from each other by a determined pitch.
  • the end zone 4 of each tube passes through a hole 6 in a collecting plate 7 which cooperates in known manner with a part 8 in the form of a tank to define a fluid box 19.
  • Each tube 1 is formed from a strip of metal sheet which is folded to initially form a profile whose cross section corresponds to that of the body 2. As can be seen in FIG. 4, this profile is symmetrical by relative to a plane P. It comprises a spacer formed by the two marginal regions 9 of the strip, mutually contiguous on either side of the plane P.
  • the rest of the width of the strip forms the peripheral wall of the tube, composed of a plane side 10 coming from a central region of the strip, of two plane half-sides 11, opposite to the side 10, coming from regions of the strip adjacent to the marginal regions 9, the sides 10 and 11 being connected between them by two rounded wall elements 12.
  • the two opposite edges 13 of the strip are in abutment on the internal face of the side 10, half-width of the latter.
  • FIG. 5 shows on a larger scale the spacer and a portion of the peripheral wall in the vicinity thereof, a solder deposit 14 applied to the face of the strip which forms the outer face of the peripheral wall, this brazing deposit providing between the two marginal zones 9 forming the spacer a common layer 15.
  • This layer 15 ensures, after fusion and solidification, the mechanical connection of the two zones 9 with each other and with the side 10, and sealing the fluid between the two channels 16 delimited by the spacer inside the tube.
  • the layer 14 can be supplemented if necessary by a layer of solder not shown covering the internal face of the strip and / or the edges 13.
  • the peripheral wall 10-12 of the tubes is deformed, with respect to the cross section described above, in the head region formed by the transition zone 3 and the end zone 4.
  • the spacer 9, 9 extends without deformation, along the plane P, to the end of the tube.
  • the tube has a constant cross section, visible in FIG. 4, always symmetrical with respect to the plane P and which is characterized by a greater width (in the direction of alignment of the tubes) and a shorter length than those of the cross section of the original profile and of the body 2. As can be seen in FIG.
  • the width of this deformed cross section gradually increases from the value 1 0 corresponding to the width of the cross section of the body to a maximum value l ⁇ which it retains over part of the length of the section, then decreases again in a rounded manner 17 convex outward.
  • the widening of the cross section is accompanied by its shortening, the size of the tube in the longitudinal direction thereof being less, on either side of the plane P, for the end zone 4 than for the body 2.
  • the cross section varies progressively, along the transition zone 3, between that of the body 2 and that of the end zone 4.
  • the collector 7 has a flange 18 facing the body 1 of the tubes, joined and brazed to the internal face of the tank 8, over the entire periphery thereof, for the sealed closure of the fluid box 19.
  • the overall width of the fluid box is thus at least equal to the length of the cross section of the end zone 4 of the tubes, increased by twice the thickness of the flange 18 and of the wall of the tank 8.
  • the invention makes it possible to limit this space requirement to a value corresponding to the space requirement of the bundle, defined by the spacers 5 which protrude very slightly on either side of the row of tubes.
  • the heat exchanger may comprise a second fluid box, not shown, communicating with the ends of the tubes opposite to those visible in the figures.
  • Each tube can then have a second head region deformed in the same way as that shown, making it possible to reduce in the same way the size of the second fluid box.
  • other means can be provided to allow a circulation of the fluid in the tubes along a U-shaped path, starting from the fluid box 19 and returning to the latter.
  • the deformation of the head regions can be achieved by introducing into them, in the longitudinal direction of the tubes, an appropriately shaped punch.

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Abstract

Le tube (1) est divisé intérieurement en deux canaux longitudinaux (16) par une entretoise médiane (9). Dans une zone d'extrémité (4) pénétrant dans une boîte à fluide (19), le tube est déformé de manière à élargir sa section transversale et à la raccourcir de part et d'autre de l'entretoise en direction de celle-ci. L'encombrement de la boîte à fluide dans la direction de la longueur de la section transversale des tubes, et par conséquent l'encombrement de l'échangeur de chaleur dans son ensemble, peut ainsi être réduite par rapport à l'encombrement maximal du faisceau formé par les tubes et les intercalaires (5) empilés avec ceux-ci. Application aux radiateurs de refroidissement du moteur d'entraînement des véhicules automobiles.

Description

Tube plat pour échangeur de chaleur de largeur réduite
L'invention concerne un tube plat pour la circulation d'un fluide dans un échangeur de chaleur, notamment un radiateur de refroidissement du moteur d'entraînement d'un véhicule automobile, formé par une bande de tôle pliée de manière à définir une paroi périphérique séparant l'intérieur du tube de l'extérieur et une paroi intermédiaire ou entretoise renforçant mécaniquement le tube et divisant l'intérieur de celui-ci en deux canaux de circulation longitudinaux ouverts à au moins une première extrémité du tube, la liaison mécanique entre la paroi périphérique et l'entretoise étant assurée en partie par la continuité de la matière de la bande et en partie par brasage, le tube comportant un corps qui présente une section transversale allongée sensiblement constante.
Pour réaliser un échangeur de chaleur, de tels tubes sont réunis en un faisceau dans lequel ils sont alignés en une ou plusieurs rangées et séparés les uns des autres par des ailettes qui améliorent par ailleurs l'échange de chaleur entre le fluide circulant dans les tubes et un flux d'air circulant entre ceux-ci et balayant les ailettes. Les canaux de chaque tube débouchent, à la première extrémité de celui- ci, dans une boîte à fluide dont une paroi est constituée par une plaque collectrice ou collecteur percée de trous qui sont traversés de manière étanche par les zones d'extrémité des tubes.
Dans les échangeurs de chaleur connus ainsi constitués, la section transversale des tubes est sensiblement constante sur toute la longueur de ceux-ci. Dans la direction de la longueur de cette section transversale, l'encombrement de l'échangeur est donc lié à celui de l'ensemble des tubes, la boîte à fluide s 'étendant nécessairement, dans cette direction et dans les deux sens, au-delà de la rangée unique ou de l'ensemble des rangées de tubes. Cette contrainte constitue un inconvénient notamment dans la construction automobile, où la place pour loger les composants est comptée de plus en plus chichement.
Le but de l'invention est de remédier à cet inconvénient, en réduisant l'encombrement total de l'échangeur de chaleur pour un encombrement donné du faisceau de tubes.
L'invention vise notamment un tube du genre défini en introduction, et prévoit qu'il comporte en outre au moins une région de tête s 'étendant entre son corps et ladite première extrémité, dans laquelle ladite paroi périphérique, mais non l'entretoise, est déformée de manière à dilater les canaux dans la direction de la largeur de ladite section transver- sale et à les resserrer vers l'entretoise dans la direction de la longueur de la section transversale.
Le resserrement des canaux vers l'entretoise dans la région de tête a pour effet que, par rapport à l'encombrement global du faisceau dans la direction de la longueur de la section transversale des tubes, l'encombrement de la région de tête, et par conséquent l'encombrement minimal de la boîte à fluide, qui coopère avec celle-ci, sont réduits. L'absence de déformation de l'entretoise permet à celle-ci de conserver sa fonction de renfort et le cas échéant d'étanchéité entre les deux canaux.
Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémentaires ou alternatives, sont énoncées ci-après:
- La région de tête comprend une zone d'extrémité de section transversale sensiblement constante correspondant à une déformation maximale et une zone de transition reliant la zone d'extrémité au corps et dans laquelle la section transversale évolue progressivement entre celles de la zone d'extrémité et du corps.
- Dans la région de tête, la largeur de ladite section transversale varie progressivement, à partir de l'entretoise et de part et d'autre de celle-ci, d'une valeur minimale à une valeur maximale.
- Les canaux de circulation sont ouverts à la seconde extrémité du tube et celui-ci comporte en outre une seconde région de tête s 'étendant entre son corps et sa seconde extrémité, la paroi périphérique étant déformée de la même manière dans les deux régions de tête.
- L'entretoise est formée par deux zones marginales de ladite bande, mutuellement brasées face contre face, les chants opposés de la bande, adjacents respectivement à ces deux zones , venant en regard de la face interne de la paroi périphérique à laquelle ils sont brasés.
- La bande est pliée selon une configuration symétrique par rapport au plan général de l'entretoise.
L'invention a également pour objet un échangeur de chaleur, notamment un radiateur de refroidissement pour le moteur d'entraînement d'un véhicule automobile, comprenant au moins une rangée de tubes tels que définis ci-dessus, alignés dans la direction de la largeur de leur section transversale, à la région de tête ou à chaque région de tête de l'ensemble des tubes étant associée une boîte à fluide dont une paroi ou plaque collectrice est percée de trous qui sont traversés par les zones d'extrémités des tubes, de telle sorte que les canaux débouchent dans la boîte à fluide.
Les caractéristiques et avantages de l'invention seront exposés plus en détail dans la description ci-après, en se référant aux dessins annexés.
Les figures 1, 2 et 3 sont des vues partielles respectivement en coupe transversale, en coupe longitudinale et en perspective d'un échangeur de chaleur selon l'invention.
La figure 4 est une vue de dessus de l'un des tubes de cet échangeur de chaleur. La figure 5 est un détail à plus grande échelle de la figure 4.
L'échangeur de chaleur représenté sur les figures 1 à 3 comprend une rangée de tubes 1, dont l'un est également représenté sur la figure 4 et partiellement sur la figure 5. Chaque tube comprend un corps allongé 2 se raccordant, par l'intermédiaire d'une zone de transition 3, à une zone d'extrémité 4. Ces trois parties seront décrites en détail plus loin. Entre les corps de deux tubes voisins de la rangée est disposé un intercalaire 5 sous forme d'une feuille métallique ondulée dont les crêtes d'ondulation viennent en contact alternativement avec ces deux tubes. L'ensemble des tubes et des intercalaires forme un faisceau dans lequel les tubes sont écartés les uns des autres d'un pas déterminé. La zone d'extrémité 4 de chaque tube traverse un trou 6 d'une plaque collectrice 7 qui coopère de manière connue avec une pièce 8 en forme de bac pour définir une boîte à fluide 19.
Chaque tube 1 est formé à partir d'une bande de tôle métallique qui est pliée pour former dans un premier temps un profilé dont la section transversale correspond à celle du corps 2. Comme on le voit sur la figure 4, ce profilé est symétrique par rapport à un plan P. Il comprend une entre- toise formée par les deux régions marginales 9 de la bande, mutuellement accolées de part et d'autre du plan P. Le reste de la largeur de la bande forme la paroi périphérique du tube, composée d'un côté plan 10 provenant d'une région médiane de la bande, de deux demi-côtés plans 11, opposés au côté 10, provenant de régions de la bande adjacente aux régions marginales 9, les côtés 10 et 11 étant raccordés entre eux par deux éléments de paroi arrondis 12. Les deux chants opposés 13 de la bande sont en appui sur la face interne du côté 10, à mi-largeur de celui-ci.
On voit par ailleurs sur la figure 5, qui montre à plus grande échelle l'entretoise et une partie de la paroi périphérique au voisinage de celle-ci, un dépôt de brasure 14 appliqué sur la face de la bande qui forme la face externe de la paroi périphérique, ce dépôt de brasure fournissant entre les deux zones marginales 9 formant l'entretoise une couche commune 15. Cette couche 15 assure, après fusion et solidification, la liaison mécanique des deux zones 9 entre elles et avec le côté 10, et l'étanchéité au fluide entre les deux canaux 16 délimités par l'entretoise à l'intérieur du tube. La couche 14 peut être complétée le cas échéant par une couche de brasure non représentée recouvrant la face interne de la bande et/ou les chants 13.
Selon l'invention, la paroi périphérique 10-12 des tubes est déformée, par rapport à la section transversale décrite ci- dessus, dans la région de tête formée par la zone de transition 3 et la zone d'extrémité 4. En revanche, l'entretoise 9, 9 s'étend sans déformation, le long du plan P, jusqu'à l'extrémité du tube. Dans la zone d'extrémité 4, le tube présente une section transversale constante, visible sur la figure 4, toujours symétrique par rapport au plan P et qui se caractérise par une largeur (dans la direction d'alignement des tubes) plus grande et une longueur plus petite que celles de la section transversale du profil d'origine et du corps 2. Comme on le voit sur la figure 4, la largeur de cette section transversale déformée, à partir de l'entretoise et de part et d'autre du plan P, augmente progressivement depuis la valeur 10 correspondant à la largeur de la section transversale du corps jusqu'à une valeur maximale lλ qu'elle conserve sur une partie de la longueur de la section, puis diminue de nouveau selon un arrondi 17 convexe vers l'extérieur. L'élargissement de la section transversale s'accompagne de son raccourcisse- ment, l'encombrement du tube dans la direction longitudinale de celle-ci étant moindre, de part et d'autre du plan P, pour la zone d'extrémité 4 que pour le corps 2. Comme on le voit sur les figures 1 à 3, la section transversale varie progressivement, le long de la zone de transition 3, entre celle du corps 2 et celle de la zone d'extrémité 4.
Le collecteur 7 comporte un rebord 18 tourné vers le corps 1 des tubes, accolé et brasé à la face interne du bac 8, sur toute la périphérie de celui-ci, pour la fermeture étanche de la boîte à fluide 19. L'encombrement en largeur de la boîte à fluide est ainsi au moins égal à la longueur de la section transversale de la zone d'extrémité 4 des tubes, augmentée de deux fois l'épaisseur du rebord 18 et de la paroi du bac 8. Comme on le voit sur la figure 1 , 1 ' invention permet de limiter cet encombrement à une valeur correspondant à l'encombrement du faisceau, défini par les intercalaires 5 qui dépassent très légèrement de part et d'autre de la rangée de tubes. Bien entendu, il est possible également de régler la déformation de la région de tête des tubes de manière que l'encombrement en largeur de l'échangeur de chaleur soit plus petit, ou plus grand, au niveau de la boîte à fluide qu'au niveau des corps des tubes , en fonction de la place disponible.
De manière connue, l'échangeur de chaleur peut comprendre une seconde boîte à fluide non représentée, communiquant avec les extrémités des tubes opposées à celles visibles sur les figures. Chaque tube peut alors présenter une seconde région de tête déformée de la même manière que celle représentée, permettant de réduire de la même manière l'encombrement de la seconde boîte à fluide. En variante, comme connu également, d' autres moyens peuvent être prévus pour permettre une circulation du fluide dans les tubes selon un trajet en U, partant de la boîte à fluide 19 et retournant à celle-ci.
La déformation des régions de tête peut être réalisée en introduisant dans celles-ci, dans la direction longitudinale des tubes, un poinçon de forme appropriée.

Claims

Revendications
1. Tube plat (1) pour la circulation d'un fluide dans un échangeur de chaleur, notamment un radiateur de refroidisse- ment du moteur d'entraînement d'un véhicule automobile, formé par une bande de tôle pliée de manière à définir une paroi périphérique (10-12) séparant l'intérieur du tube de l'extérieur et une paroi intermédiaire ou entretoise ( 9 , 9 ) renforçant mécaniquement le tube et divisant l'intérieur de celui-ci en deux canaux de circulation longitudinaux (16) ouverts à au moins une première extrémité du tube, la liaison mécanique entre la paroi périphérique et l'entretoise étant assurée en partie par la continuité de la matière de la bande et en partie par brasage, le tube comportant un corps (1) qui présente une section transversale allongée sensiblement constante, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins une région de tête (3, 4) s 'étendant entre son corps et ladite première extrémité, dans laquelle ladite paroi périphérique, mais non l'entretoise, est déformée de manière à dilater les canaux dans la direction de la largeur de ladite section transversale et à les resserrer vers l'entretoise dans la direction de la longueur de la section transversale.
2. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que la région de tête comprend une zone d'extrémité (4) de section transversale sensiblement constante correspondant à une déformation maximale et une zone de transition (3) reliant la zone d'extrémité au corps et dans laquelle la section transversale évolue progressivement entre celles de la zone d'extrémité et du corps.
3. Tube selon l'une des revendications 1 et 2 , caractérisé en ce que, dans la région de tête, la largeur de ladite section transversale varie progressivement, à partir de l'entretoise et de part et d'autre de celle-ci, d'une valeur minimale (10) à une valeur maximale (lχ).
4. Tube selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les canaux de circulation sont ouverts à sa seconde extrémité et qu'il comporte en outre une seconde région de tête s 'étendant entre son corps et sa seconde extrémité, la paroi périphérique étant déformée de la même manière dans les deux régions de tête.
5. Tube selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'entretoise est formée par deux zones marginales (9, 9) de ladite bande, mutuellement brasées face contre face, les chants opposés (13, 13) de la bande, adjacents respectivement à ces deux zones, venant en regard de la face interne de la paroi périphérique (10) à laquelle ils sont brasés.
6. Tube selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bande est pliée selon une configuration symétrique par rapport au plan général (P) de l'entretoise.
7. Échangeur de chaleur, notamment radiateur de refroidissement pour le moteur d'entraînement d'un véhicule automobile, comprenant au moins une rangée de tubes (1) selon l'une des revendications précédentes, alignés dans la direction de la largeur de leur section transversale, à la région de tête (3, 4) ou à chaque région de tête de l'ensemble des tubes étant associée une boîte à fluide (19) dont une paroi (7) ou plaque collectrice est percée de trous (6) qui sont traversés par les zones d'extrémités (4) des tubes, de telle sorte que les canaux (16) débouchent dans la boîte à fluide (19).
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