WO2007048889A1 - Echangeur de chaleur a tubes plats resistant a la pression - Google Patents

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WO2007048889A1
WO2007048889A1 PCT/FR2006/001860 FR2006001860W WO2007048889A1 WO 2007048889 A1 WO2007048889 A1 WO 2007048889A1 FR 2006001860 W FR2006001860 W FR 2006001860W WO 2007048889 A1 WO2007048889 A1 WO 2007048889A1
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heat exchanger
exchanger according
opening
tubes
tubular wall
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Patrick Balthazard
Philippe Faille
Wei Dan
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Valeo Systemes Thermiques
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    • F28F9/185—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling by welding with additional preformed parts

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger used especially in the automotive industry, comprising a multiplicity of flat tubes each having two main faces which extend substantially in parallel planes, mutually aligned in a longitudinal direction perpendicular to said planes, a region of end of each tube engaging a respective transverse slot formed in a tubular wall of a manifold.
  • gas coolers in which a cooling fluid working at high pressures such as CO 2 is circulated are used.
  • a chiller In a typical application, such a chiller must withstand a burst test at a pressure of 34 MPa and a temperature of 165 ° C, requiring a wall thickness of 2.5 mm for a manifold of a diameter inside of 7 mm. it is not possible by punching in such a manifold box slots for the passage of tubes whose cross section has a length of 7 mm and a width of 1.65 mm. These slots must be made by drilling, which involves high material and labor costs.
  • the object of the invention is to overcome these disadvantages.
  • the invention aims in particular at a heat exchanger of the kind defined in the introduction, and provides that said tubular wall comprises a first sheet metal part having at least one opening elongated in the longitudinal direction, whose width corresponds to the length of the section. transverse tubes, through which they pass, and at least one complementary piece closing the regions of said opening which are not occupied by the tubes;
  • the exchanger comprising at least one complementary piece closing the regions of said opening which are not occupied by the tubes and in that said complementary piece covers the first part on a part of the perimeter of the tubular wall from at least one edge of the opening.
  • part of the perimeter means that the circumference of the tubular wall is partially covered by the complementary piece so that the overlap angle of the complementary piece is always less than one complete turn, either 360 °.
  • Figure 1 is a partial elevational view of a first embodiment of a heat exchanger according to the invention.
  • FIG. 2 is a partial sectional view along the line IV-IV of FIG.
  • FIG. 3 is a partial perspective view of an auxiliary piece in the form of a comb which forms part of the heat exchanger of FIGS. 1 and 2.
  • FIGS 4 and 5 are partial perspective views of a heat exchanger according to the invention having a comb-shaped insert.
  • FIGS 6 and 7 are partial perspective views of a heat exchanger according to the invention having two comb-shaped inserts.
  • Figures 8 and 9 are partial perspective views showing two successive stages of the manufacture of a comb-shaped part for the exchangers of Figures 4 to 7.
  • Figures 10 and 11 are partial perspective views of a heat exchanger according to the invention comprising a comb-shaped insert with a T-profile.
  • Figures 12 and 13 are views similar to Figures 6 and 7 respectively, relating to the comb-shaped part of the exchanger of Figures 10 and 11.
  • the heat exchanger shown in ' Figures 1 and 2 comprises a row of flat tubes 1 mutually aligned in a longitudinal direction (left to right in Figure 1) for the circulation of a fluid, in particular CO 2.
  • corrugated spacers 10 are arranged between the tubes 1 in thermal contact with the faces thereof.
  • the components of the heat exchanger are joined together by soldering, the brazing ensuring in particular the sealing of the passage of the tubes through the slots.
  • the heat exchanger shown in Figures 1 and 2 has a main part 6 constitutes the tubular wall of the manifold 'and corrugated spacers 10 are arranged between the tubes 1 in thermal contact with the surfaces thereof.
  • the components of the heat exchanger are joined together by soldering, the soldering ensuring in particular 1 sealing of the passage of the tubes through the slots.
  • a single piece 12 in the form of a comb, shown separately in FIG. 3, is curved in the form of a hollow cylinder part to fit the outer surface of the piece 6.
  • the teeth 13 of the comb 12 are separated from one another by notches 14 whose width corresponds to the width of the cross section of the tubes 1, each notch being traversed by a tube.
  • Each tooth 13 covers the part of the opening 7 of the part 6 located between two consecutive tubes, and extends beyond the opening 7 in the circumferential direction, closely covering the part 6.
  • the teeth 13 are connected to each other, opposite their free end 15, by a longitudinal shaft 16.
  • the free longitudinal edge 17 of the shaft 16 at the free ends 15 of the teeth 13, the comb 12 extends over part of the perimeter of the part 6 greater than half thereof.
  • An embodiment of the invention would be obtained by extending the notches 14 to the free edge 17 of the shaft 16, thus replacing the comb 12 by a multiplicity of separate parts which cover a part of the perimeter of the piece 6 greater than the half of it, instead of the entire perimeter.
  • FIG. 2 illustrates just as well such an embodiment, which is not otherwise shown.
  • the heat exchanger partially shown in Figures 4 and 5 comprises a tubular wall 101 similar in general form to that of the previous embodiments, having a longitudinal slot 102 in which engage the end regions 109 of tubes.
  • the regions 109 are here kept spaced from each other by the teeth 131 of a comb-shaped piece 130 shown separately in FIG. 11.
  • To make the piece 130 one starts from a sheet of metal of an equal thickness to that of the tubes and the width of the slot 102, in which are cut, from one of its longitudinal edges, rectangular notches 132 between which the teeth 131 remain, as seen in Figure 10 , the teeth 131 being interconnected by a shaft 133 extending along the other longitudinal edge of the strip.
  • the piece 130 is then folded along a longitudinal fold line ⁇ extending between the shaft 133 on the one hand and the teeth 131 and the notches 132 on the other hand, to form an L-shaped profile, one of the branches of the L defining the teeth 131 and the other branch defining the shaft 133, as seen in Figure 11.
  • the shaft 133 extends laterally with respect to the slot 102 and rests on the outer surface of the tubular wall 101, while the teeth 131 enter the slot 102, together with the regions 109 of the tubes.
  • the tubular wall 101 has a rim 134 projecting radially outwards and extending along the regions 109.
  • the rim 134 is deformed at means of a tool to penetrate between the tubes and thus immobilize the piece 130 by crimping before the final connection of the assembly by brazing.
  • FIGS. 6 and 7 partially represent a cylindrical wall 141 of collecting box having a cross-section in the form of 108, this cylindrical wall thus forming two tubular walls having a common portion and each delimiting a fluid chamber 136.
  • At each of the chambers 136 is associated with a slot 102 in which are engaged the regions 109 tubes identical to those of the embodiment .des 4 and 5 and the teeth of a comb 130 identical to that of Figure 9.
  • the two slots 102 extend in planes parallel to each other, the shafts 133 of the two combs being turned toward each other, their free edges resting on radial appendages 137 of the wall 135. Edges 134 similar to that of FIGS. extending opposite the shafts 133 with respect to the slots 102 serve for crimping.
  • the heat exchanger partially shown in FIGS. 10 and 11 again comprises a simple manifold tubular wall 101 associated with a single row of tubes whose end regions 109 engage in a longitudinal slot 102 of the wall 101.
  • the regions 109 are kept spaced apart from each other by the teeth 141 of a comb-shaped insert 140, shown separately in Figure 13.
  • To produce the piece 140 one starts from a strip of sheet metal to the inside of which rectangular openings 142, as shown in FIG. 12, are cut in such a way as to obtain a ladder-shaped blank.
  • This blank is then folded at 180 ° along a median longitudinal fold line ⁇ i to bring the two halves of each "bar" of the ladder into mutual superposition and thus form the teeth 41, and at 90 ° along two longitudinal fold lines. 2 each extending between one of the "amounts" 143 and "bars" of the ladder so as to bring the two amounts in the same plane perpendicular to the plane of the teeth 141 and on both sides of the here, to form the shaft.
  • the two flanges 143 of the shaft of the comb 140 penetrate into grooves 144 in the tubular wall 101.
  • Each tooth 141 being formed by the superposition of two thicknesses of sheet, the thickness of the strip starting sheet is equal to half the width of the slot 102 and the thickness of the tubes.
  • the seal between the inside of the manifold and the channels 107 on the one hand and the outside on the other hand can be ensured by the melting of a heat transfer material.
  • the first part of the tubular wall may have an opening obtained by shaping a hollow cylinder, which may extend over only a portion of the the length of the manifold, or two or more openings respectively extending over different parts of the length of the box and each receiving the end regions of several tubes.

Abstract

Échangeur de chaleur comprenant une multiplicité de tubes plats (1) présentant chacun deux faces principales (2, 3) qui s'étendent sensiblement selon des plans parallèles, mutuellement alignés dans une direction longitudinale perpendiculaire auxdits plans, une région d'extrémité (4, 10) de chaque tube s'engageant dans une fente transversale respective formée dans une paroi tubulaire d'une boîte collectrice, la paroi tubulaire comprenant une première pièce en tôle (6) présentant au moins une ouverture (7) allongée dans la direction longitudinale, dont la largeur correspond à la longueur de la section transversale des tubes, traversée par ceux-ci, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une pièce complémentaire (12) obturant les régions de ladite ouverture qui ne sont pas occupées par les tubes et en ce que ladite pièce complémentaire (12) recouvre la première pièce (6) sur une partie du périmètre de la paroi tubulaire de part et d'autre de la longueur de 1'ouverture ( 7 ). Application aux refroidisseurs de gaz à CO2 dans 1'industrie automobile.

Description

Échangeur de chaleur à tubes plats résistant à la pression
L'invention concerne un échangeur de chaleur utilisable notamment dans l'industrie automobile, comprenant une multiplicité de tubes plats présentant chacun deux faces principales gui s'étendent sensiblement selon des plans parallèles, mutuellement alignés dans une direction longitudinale perpendiculaire auxdits plans, une région d'extrémité de chaque tube s 'engageant dans une fente transversale respective formée dans une paroi tubulaire d'une boîte collectrice.
On utilise notamment dans l'industrie automobile des refroi- disseurs de gaz dans lesquels circule un fluide réfrigérant travaillant à des pressions élevées tel que CO2. Dans une application typique, un tel refroidisseur doit résister à un essai d'éclatement à une pression de 34 MPa et une tempéra- ture de 165°C, nécessitant une épaisseur de paroi de 2,5 mm pour une boîte collectrice d'un diamètre intérieur de 7 mm. il n'est pas possible de réaliser par poinçonnage dans une telle boîte collectrice des fentes pour le passage de tubes dont la section transversale présente une longueur de 7 mm et une largeur de 1,65 mm. Ces fentes doivent donc être réalisées par perçage, ce qui implique des coûts de matière et de main d'oeuvre élevés.
Le but de 1 ' invention est de remédier à ces inconvénients .
L ' invention vise notamment un échangeur de chaleur du genre défini en introduction, et prévoit que ladite paroi tubulaire comprend une première pièce en tôle présentant au moins une ouverture allongée dans la direction longitudi- nale, dont la largeur correspond à la longueur de la section transversale des tubes, traversée par ceux-ci, et au moins une pièce complémentaire obturant les régions de ladite ouverture qui ne sont pas occupées par les tubes ; 1 ' échangeur comprenant au moins une pièce complémentaire obturant les régions de ladite ouverture qui ne sont pas occupées par les tubes et en ce que ladite pièce complémentaire recouvre la première pièce sur une partie du périmètre de la paroi tubulaire à partir d'au moins un bord de l ' ouverture .
On entend par l'expression « une partie du périmètre » le fait que la circonférence de la paroi tubulaire est recouverte en partie par la pièce complémentaire de sorte que l'angle de recouvrement de la pièce complémentaire est toujours inférieur à un tour complet, soit 360°.
Les caractéristiques et avantages de 1 ' invention sont exposés plus en détail dans la description ci-après, avec réfé- rence aux dessins annexés.
,La figure 1 est une vue partielle en élévation d'un premier mode de réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention.
La figure 2 est une vue partielle en coupe selon la ligne IV-IV de la figure 1.
La figure 3 est une vue partielle en perspective d'une pièce auxiliaire en forme de peigne qui fait partie de l' échangeur de chaleur des figures 1 et 2.
Les figures 4 et 5 sont des vues partielles en perspective d'un échangeur de chaleur selon l'invention comportant une pièce rapportée en forme de peigne.
Les figures 6 et 7 sont des vues partielles en perspective d'un échangeur de chaleur selon l'invention comportant deux pièces rapportées en forme de peigne.
Les figures 8 et 9 sont des vues partielles en perspective montrant deux stades successifs de la fabrication d'une pièce en forme de peigne pour les échangeurs des figures 4 à 7. Les figures 10 et 11 sont des vues partielles en perspective d'un échangeur de chaleur selon l'invention comportant une pièce rapportée en forme de peigne à profil en T.
Les figures 12 et 13 sont des vues analogues aux figures 6 et 7 respectivement, relatives à la pièce en forme de peigne de l ' échangeur des figures 10 et 11.
L 'échangeur de chaleur représenté sur les' figures 1 et 2 comprend une rangée de tubes plats 1 mutuellement alignés dans une direction longitudinale (de gauche à droite sur la figure 1) pour la circulation d'un fluide, notamment de CO2.
De manière classique, des intercalaires ondulés 10 sorit disposés entre les tubes 1 en contact thermique avec les faces de ceux-ci. De manière classique également, les composants de l ' échangeur de chaleur sont mutuellement assemblés par brasage, le brasage assurant notamment l ' étanchéité du passage des tubes à travers les fentes.
L ' échangeur de chaleur représenté sur les figures 1 et 2 possède une pièce principale 6 constitutive de la paroi tubulaire de la boîte collectrice ' et des intercalaires ondulés 10 sont disposés entre les tubes 1 en contact thermique avec les faces de ceux-ci. De manière classique également, les composants de l ' échangeur de chaleur sont mutuellement assemblés par brasage, le brasage assurant notamment 1 ' étanchéité du passage des tubes à travers les fentes.
Une pièce unique 12 en forme de peigne, représentée séparément sur la figure 3 , est incurvée en forme de partie de cylindre creux pour épouser la surface extérieure de la pièce 6. Les dents 13 du peigne 12 sont séparées les unes des autres par des encoches 14 dont la largeur correspond à la largeur de la section transversale des tubes 1, chaque encoche étant traversée par un tube . Chaque dent 13 recouvre la partie de l'ouverture 7 de la pièce 6 située entre deux tubes consécutifs, et se prolonge au-delà de l'ouverture 7 dans la direction circonférentielle, en recouvrant étroitement la pièce 6. Les dents 13 sont reliées entre elles, à l'opposé de leur extrémité libre 15, par une hampe longitudinale 16. Du bord longitudinal libre 17 de la hampe 16 aux extrémités libres 15 des dents 13, le peigne 12 s'étend sur une partie du périmètre de la pièce 6 supérieure à la moitié de celui-ci.
Un mode de réalisation de 1 ' invention serait obtenu en prolongeant les encoches 14 jusqu'au bord libre 17 de la hampe 16, remplaçant ainsi le peigne 12 par une multiplicité de pièces séparées qui recouvrent une partie du périmètre de la pièce 6 supérieure à la moitié de celui-ci, au lieu de la totalité du périmètre.
La figure 2 illustre tout aussi bien un tel mode de réalisation, qui n'est pas autrement représenté.
L'échangeur de chaleur représenté partiellement sur les figures 4 et 5 comprend une paroi tubulaire 101 semblable dans sa forme générale à celle des modes de réalisation précédents, présentant une fente longitudinale 102 dans laquelle s'engagent les régions d'extrémité 109 de tubes. Les régions 109 sont ici maintenues écartées les unes des autres par les dents 131 d'une pièce en forme de peigne 130 représentée séparément sur la figure 11. Pour réaliser la pièce 130, on part d'une bande de tôle d'une épaisseur égale à celle des tubes et à la largeur de la fente 102, dans laquelle on découpe, à partir de l'un de ses bords longitu- dinaux, des encoches rectangulaires 132 entre lesquelles subsistent les dents 131, comme on le voit sur la figure 10, les dents 131 étant reliées entre elles par une hampe 133 s ' étendant le long de l'autre bord longitudinal de la bande. On plie ensuite la pièce 130 selon une ligne de pliage longitudinale λ s 'étendant entre la hampe 133 d'une part et les dents 131 et les encoches 132 d'autre part, pour former un profil en L, l'une des branches du L définissant les dents 131 et l'autre branche définissant la hampe 133, comme on le voit sur la figure 11. Dans l'échangeur assemblé, comme représenté sur les figures 4 et 5, la hampe 133 s'étend latéralement par rapport à la fente 102 et s'appuie sur la surface extérieure de la paroi tubulaire 101, tandis que les dents 131 pénètrent dans la fente 102, conjointement avec les régions 109 des tubes. À l'opposé de la hampe 133 par rapport à la fente 102, la paroi tubulaire 101 présente un rebord 134 faisant saillie radialement vers 1 ' extérieur et s ' étendant le long des régions 109. Après assemblage, on déforme ponctuellement le rebord 134 au moyen d'un outil pour le faire pénétrer entre les tubes et immobiliser ainsi la pièce 130 par sertissage avant la liaison définitive de l ' ensemble par brasage .
Les figures 6 et 7 représentent partiellement une paroi cylindrique 141 de boîte collectrice ayant une section transversale en forme de 108, cette paroi cylindrique formant ainsi deux parois tubulaires ayant une partie commune et délimitant chacune une chambre de fluide 136. À chacune des chambres 136 est associée une fente 102 dans laquelle s ' engagent les régions 109 de tubes identiques à ceux du mode de réalisation .des figures 4 et 5 et les dents d'un peigne 130 identiques à celui de la figure 9. Les deux fentes 102 s'étendent selon des plans parallèles entre eux, les hampes 133 des deux peignes étant tournées l'une vers l'autre, leurs bords libres s "appuyant sur des appendices radiaux 137 de la paroi 135. Des rebords 134 semblables à celui des figures 4 et 5 , s ' étendant à 1 ' opposé des hampes 133 par rapport aux fentes 102, servent au sertissage.
L'échangeur de chaleur partiellement représenté sur les figures 10 et 11 comprend de nouveau une paroi tubulaire de boîte collectrice simple 101 associée à une rangée unique de tubes dont les régions d'extrémités 109 s'engagent dans une fente longitudinale 102 de la paroi 101. Les régions 109 sont maintenues écartées les unes des autres par les dents 141 d'une pièce rapportée en forme de peigne 140, représentées séparément sur la figure 13. Pour réaliser la pièce 140, on part d'une bande de tôle à l'intérieur de laquelle on découpe des ouvertures rectangulaires 142 , comme montré sur la figure 12, de manière à obtenir un flan en forme d'échelle. On plie ensuite ce flan à 180° selon une ligne de pliage longitudinale médiane λi pour amener les deux moitiés de chaque "barreau" de l'échelle en superposition mutuelle et former ainsi les dents 41, et à 90° selon deux lignes de pliage longitudinales À2 s 'étendant chacune entre l'un des "montants" 143 et les "barreaux" de l'échelle de manière à amener les deux montants dans un même plan perpendiculaire au plan des dents 141 et de part et d'autre de celui-ci, pour former la hampe .
Dans 1 ' échangeur de chaleur assemblé, les deux ailes 143 de la hampe du peigne 140 pénètrent dans des rainures 144 ménagées dans la paroi tubulaire 101. Chaque dent 141 étant formée par la superposition de deux épaisseurs de tôle, 1 ' épaisseur de la bande de tôle de départ est égale à la moitié de la largeur de la fente 102 et de l'épaisseur des tubes .
De manière classique, dans les échangeurs de chaleur décrits, 1 ' étanchéité entre l'intérieur de la boîte collectrice et' des canaux 107 d'une part et l'extérieur d'autre part peut être assurée par la fusion d'un matériau de bra- sage recouvrant tout ou partie des surfaces de la boîte collectrice, des tubes et le cas échéant de la ou des pièces rapportées, matériau de brasage qui sert également à la solidarisation mécanique de ces composants .
Des modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits et représentés sans sortir du cadre de 1 ' invention. Ainsi, au lieu d'une ouverture continue délimitée par des bords opposés d'une tôle roulée, la première pièce de la paroi tubulaire peut présenter une ouverture obtenue par façonnage d'un cylindre creux, pouvant s'étendre sur une partie seulement de la longueur de la boîte collectrice, ou deux ouvertures ou plus s ' étendant respectivement sur des parties différentes de la longueur de la boîte et recevant chacune les régions d'extrémité de plusieurs tubes.

Claims

Revendications
1. Échangeur de chaleur comprenant une multiplicité de tubes plats (1) présentant chacun deux faces principales (2, 3) qui s'étendent sensiblement selon des plans parallèles, mutuellement alignés dans une direction longitudinale perpendiculaire auxdits plans, une région d'extrémité (4, 109) de chaque tube s ' engageant dans une fente transversale respective formée dans une paroi tubulaire d'une boîte collectrice, la paroi tubulaire comprenant une première pièce en tôle (6, 101) présentant au moins une ouverture (7, 102) allongée dans la direction longitudinale, dont la largeur correspond à la longueur de la section transversale des tubes, traversée par ceux-ci, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une pièce complémentaire (12, 130) obturant les régions de ladite ouverture qui ne sont pas occupées par les tubes et en ce que ladite pièce complémentaire (12, 130, 140) recouvre la première pièce (6, 101) sur une partie du périmètre de la paroi tubulaire à partir d'au moins un bord l'ouverture (7, 102).
2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, dans lequel la paroi tubulaire comprend une multiplicité de pièces complémentaires dont chacune obture la région de ladite ouverture comprise entre deux tubes voisins.
3. Échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pièce complémentaire (12, 130, 140) est en forme de peigne, chaque dent (13, 131) du peigne obturant la région de ladite ouverture (7, 102) comprise entre deux tubes voisins .
4. Échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la ou chaque pièce com- plémentaire (12) s'étend au total sur plus de la moitié du périmètre de la paroi tubulaire .
5. Échangeur de chaleur selon la revendication 3 , dans lequel les dents (131) du peigne (130) sont reliées entre elles par au moins une hampe longitudinale (133) décalée latéralement par rapport à la fente .
6. Échangeur de chaleur selon l'une quelconque des reven- dications 3 où 5, dans lequel la pièce en forme de peigne
(12, 130, 140) est formée d'une bande de tôle découpée et pliée.
7. Échangeur de chaleur selon la revendication 6 , dans lequel la bande de tôle (130, 140) est pliée sensiblement à angle droit selon une ligne de pliage unique (λi) pour former un profil en L dont les branches définissent les dents (131, 141) et la hampe (133, 143) respectivement.
8. Échangeur de chaleur selon la revendication 6, dans lequel la bande de tôle (140) est pliée selon trois lignes de pliage [X1, X2) délimitant quatre travées pour former un profil en T dont la barre transversale, formée par l'alignement des deux travées marginales (143), définit la hampe et dont la jambe, formée par la superposition des deux travées médianes, définit les dents (141) .
9. Échangeur de chaleur selon les revendications 1 à 3 , 7 ou 8, dans lequel la pièce complémentaire (12, 140) recouvre la première pièce (6, 101) de part et d'autre des bords de l'ouverture (7, 102) .
10 Échangeur de chaleur selon la revendication 7, dans lequel la boite collectrice comprend au moins une paroi (101) essentiellement tubulaire à travers laquelle est formée une fente longitudinale (102) et à partir de laquelle un rebord (134), aligné avec l'un des côtés de la fente, fait saillie radialement vers l'extérieur.
11. Échangeur de chaleur selon la revendication 8, lequel la boite collectrice comprend au moins une paroi (101) essentiellement tubulaire à travers laquelle est formée une fente longitudinale (102) et dans laquelle sont ménagées deux rainures longitudinales (144) s 'ouvrant en vis-à-vis l'une de l'autre de part et d'autre de ladite fente.
PCT/FR2006/001860 2005-10-28 2006-08-01 Echangeur de chaleur a tubes plats resistant a la pression WO2007048889A1 (fr)

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FR0511138A FR2887973B1 (fr) 2005-06-30 2005-10-28 Echangeur de chaleur a tubes plats deformes par torsion et boite collectrice pour un tel echangeur
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