Tube pour échangeur thermique, échangeur thermique et procédé d'obtention correspondants
L'invention concerne un tube d'échangeur thermique, notamment pour véhicules automobiles, un échangeur thermique comprenant un faisceau de tels tubes, et un procédé d'obtention d'un tel tube.
L'invention se rapporte au domaine des échangeurs thermique, notamment pour véhicules automobiles.
Généralement, les échangeurs thermique comportent classiquement un faisceau de tubes et deux plaques collectrices traversées par les extrémités des tubes du faisceau de tubes et coiffées par des couvercles de boîtiers de distribution de fluide. Des intercalaires peuvent être prévus entre les tubes dudit faisceau pour améliorer l'échange thermique.
Deux technologies sont principalement utilisées pour fabriquer ces tubes. Soit par extrusion, engendrant un coût important (filières spécifiques pour chaque type de tubes), soit par pliage, offrant différents avantages. Dans ce dernier cas, les tubes utilisés sont réalisés par repliement d'une bande métallique sur elle-même.
Les tubes d'échangeur de chaleur peuvent être soumis à de nombreuses sollicitations telles qu'un impact à grande vitesse avec un objet (par exemple, un gravillon) venu de l'environnement extérieur. Les tubes d'échangeur de chaleur sont donc soumis à des sollicitations extérieures.
Ils sont également sollicités de l'intérieur par l'écoulement du fluide. En effet, en fonctionnement, les tubes sont soumis à des sollicitations thermiques, de pression, de dilatation.
II est nécessaire de garantir une résistance de matériau suffisante au niveau du tube.
Une solution connue est de permettre au tube de résister à un tel impact de manière à éviter toute fuite de fluide, ou encore aux sollicitations internes, en augmentant localement l'épaisseur de la paroi du tube lorsqu'il s'agit d'un tube extrudé.
Cependant, pour un tube plié, le renforcement du tube ne peut pas s'effectuer de
façon simple par une sur-épaisseur de matière comme c'est le cas pour un tube extrudé. Concernant les tubes pliés, on connaît par exemple une solution selon laquelle la paroi du tube est repliée plusieurs fois sur elle-même horizontalement au niveau d'un côté ou nez du tube augmentant l'épaisseur de matière en nez de tube. Un inconvénient réside dans le fait que la hauteur du tube est ainsi fonction de l'épaisseur de matière de celui-ci et correspond au nombre de plis.
Selon une autre solution présentée dans le document DE 102006006670 les tubes présentent de nombreux plis verticaux. Un inconvénient majeur de cette solution est qu'elle entraîne une surconsommation de matière.
Le brevet US 6192977 présente encore une autre solution dans laquelle, une extrémité du tube est constituée du chevauchement de la paroi du tube. Cependant, cette solution est difficilement maîtrisable pour les tubes de faibles hauteurs, par exemple de l'ordre de 1 mm, voire de 1,75 mm.
Ainsi, l'invention a pour objectif de proposer une solution pour tube plié offrant au tube une résistance suffisante aux sollicitations extérieures et aux sollicitations internes sans présenter les inconvénients précédemment cités de l'art antérieur.
À cet effet, l'invention a pour objet un tube d'échangeur thermique réalisé par pliage d'une bande métallique caractérisé en ce que ladite bande présente une épaisseur variable entre au moins une première épaisseur et au moins une seconde épaisseur supérieure à ladite première épaisseur, et en ce que ledit tube présente des premières zones amincies et des secondes zones renforcées se situant à des endroits de sollicitation mécanique forte, lesdites premières zones étant formées par des premières portions de ladite bande de première épaisseur et lesdites secondes zones renforcées étant formées par des secondes portions de ladite bande de seconde épaisseur.
Ainsi, on conserve une épaisseur traditionnelle du tube aux endroits de sollicitations fortes, qu'elles soient externes au tube, ou internes du fait de la circulation du fluide.
Ledit tube peut en outre comporter une ou plusieurs caractéristiques suivantes, prises séparément ou en combinaison :
- l'épaisseur variable de ladite bande est obtenue par amincissement localisé de ladite
bande,
- ladite bande présente des bordures opposées de seconde épaisseur et ledit tube présente une seconde zone renforcée obtenue par repliement desdites bordures et par jonction desdites bordures repliées,
- ledit tube présente une section transversale sensiblement en « B », définissant deux canaux parallèles de circulation de fluide, délimités par une cloison,
- ladite cloison est formée par jonction desdites bordures de ladite bande métallique repliées,
- ledit tube présente deux grandes faces latérales opposées raccordées par deux petites faces latérales, lesdites petites faces latérales étant des secondes zones renforcées,
- ledit tube présente au moins une zone de contact entre au moins une bordure de ladite bande et la surface interne dudit tube formé à partir de ladite bande pliée, ladite au moins une bordure et ladite surface interne formant respectivement des secondes zones renforcées.
L'invention concerne encore un échangeur thermique, notamment pour véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un faisceau de tubes tel que défini ci- dessus.
L'invention concerne aussi un procédé d'obtention d'un tel tube d'échangeur thermique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- on amincit localement une bande métallique, de façon à définir des premières portions de première épaisseur et des secondes portions de seconde épaisseur supérieure à ladite première épaisseur,
- on plie ladite bande métallique au niveau d'au moins une seconde portion, et - on réalise une jonction au niveau d'au moins deux secondes portions de ladite bande de façon à former un tube présentant des premières zones amincies et des secondes zones renforcées se situant à des endroits de sollicitation mécanique forte, lesdites premières zones étant formées par des premières portions de ladite bande de première épaisseur et lesdites secondes zones renforcées étant formées par des secondes portions de ladite bande de seconde épaisseur.
Selon un mode de réalisation, on coupe ladite bande métallique à une longueur souhaitée après le pliage.
On peut amincir localement ladite bande métallique par laminage.
Selon un autre mode de réalisation, le procédé comprend une étape préliminaire de découpe de ladite bande métallique à une longueur souhaitée avant le pliage.
On peut amincir localement ladite bande métallique par emboutissage.
Selon un exemple de réalisation, on plie ladite bande métallique de façon à former un tube présentant une section transversale sensiblement en « B », définissant deux canaux parallèles de circulation de fluide, délimités par une cloison.
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 représente de façon partielle et schématique un échangeur thermique, - la figure 2a est une vue en coupe transversale d'un tube de l'échangeur de la figure 1 comprenant des intercalaires,
- la figure 2b est une vue en coupe transversale d'un tube de l'échangeur de la figure 1 sans intercalaires,
- la figure 3a illustre de façon schématique une bande métallique servant pour la formation du tube de la figure 2a, la figure 3 a n'étant pas représentative des dimensions de la bande pour la formation du tube,
- la figure 3b illustre de façon schématique la bande métallique de la figure 3a amincie, et
- la figure 4 représente les étapes d'un procédé d'obtention du tube de la figure 2a.
Dans ces figures, les éléments sensiblement identiques portent les mêmes références.
L'invention concerne des tubes 1 pour échangeurs thermiques.
On peut citer en exemple des radiateurs de chauffage, des radiateurs de
refroidissement, des radiateurs de refroidissement d'air de suralimentation, ou bien encore des condenseurs de climatisation pour des véhicules automobiles.
Comme cela est partiellement illustré sur la figure 1, un échangeur thermique 3 comprend classiquement un faisceau de tubes longitudinaux 1 (cf figures 1 et 2a) montés entre deux boîtiers de distribution dans lesquels circule un premier fluide, par l'intermédiaire de plaques collectrices 5 (représentées partiellement et schématiquement) disposées transversalement par rapport aux tubes 1 et présentant des orifices (non représentés) pour recevoir les extrémités de ces tubes 1.
Des perturbateurs 7 (figure 2a), par exemple de forme sensiblement ondulée, peuvent être disposés à l'intérieur des tubes 1 de façon à perturber l'écoulement du premier fluide dans les tubes 1 en augmentant la surface d'échange. Ces perturbateurs 7 sont par exemple brasés aux tubes 1 au niveau des sommets 7a de leurs ondulations et par exemple au niveau des extrémités 7b des perturbateurs 7.
La perturbation générée par la présence de ces perturbateurs 7 dans les tubes 1 permet de faciliter les échanges thermiques entre les deux fluides. Ces perturbateurs 7 sont bien connus de l'homme du métier et ne sont pas décrits plus en détail dans la présente. Cet exemple est valable pour le fonctionnement d'un condenseur. Les tubes 1 peuvent être séparés les uns des autres par des intercalaires 9 (figure
1), par exemple ondulés, traversés par le deuxième fluide pour un échange thermique avec le premier fluide. Ces intercalaires 9 sont dans l'exemple illustré disposé transversalement par rapport à l'axe longitudinal des tubes 1. Les divers constituants métalliques d'un tel échangeur thermique 3, peuvent être assemblés puis brasés par passage dans un four de brasage, pour assurer la solidarisation de l'ensemble des constituants.
On se réfère maintenant aux figures 2a,2b qui montrent, une vue en coupe d'un tube 1 d'un tel échangeur 3.
Un tel tube 1 est réalisé à partir d'une bande métallique 11 (figure 3a). La bande 11 est représentée de façon schématique et illustrative sur la figure 3a.
Cette bande métallique 11 est amincie (figure 3b) puis pliée. On parle alors de « tube plié ».
À cet effet, la bande métallique 11 présente deux bordures lia, 11b opposées qui sont raccordées pour former le tube plié 1 représenté sur la figure 2b.
La bande métallique 11 (figures 3a,3b) est de préférence en aluminium ou en alliage d'aluminium.
Dans le cas d'échangeurs brasés, la bande métallique est par exemple en aluminium ou en cuivre.
Bien sur, on peut aussi prévoir des échangeurs mécaniques.
La bande métallique 11 est par exemple de forme générale rectangulaire et comprend une première face dite face externe 13 et une deuxième face dite face interne 15 parallèle à la face externe 13 et opposée à celle-ci. Les termes « interne » et « externe » sont définis par rapport à l'intérieur et à l'extérieur du tube 1 plié.
La bande métallique 11 (cf figure 3b) présente une épaisseur variable. Cette épaisseur variable peut être obtenue par amincissement localisé de la bande 11, par exemple par laminage. Selon l'exemple illustré sur la figure 3b la bande 11 présente des premières portions PI et des secondes portions P2 d'épaisseur différentes. Ces portions P1,P2 sont illustrées de façon schématique sur la figure 3b et les dimensions de la bande 11 et des portions P1,P2 ne sont pas à l'échelle.
Les premières portions PI présentent une épaisseur ei plus faible que l'épaisseur e2 des secondes portions P2. À titre d'exemple, l'épaisseur e2 est de l'ordre de 0,23 mm et l'épaisseur ej_ est de l'ordre de 0,15 mm.
Ces premières portions PI et secondes portions P2 sont définies en fonction de l'effort exercé sur le tube 1 plié. Les épaisseurs e_i et e2 sont donc déterminées en fonction de cet effort.
En effet, (figures 2a à 3b) les premières portions PI sont destinées à former des
premières zones ZI du tube 1, et les secondes portions P2 sont destinées à former des secondes zones Z2. Les secondes zones Z2 de plus grande épaisseur e2 sont donc renforcées par rapport aux premières zones ZI de plus faible épaisseur ei qui sont dites zones amincies. Les secondes zones Z2 correspondent aux zones du tube 1 qui sont le plus sollicitées.
Ces zones qui sont le plus sollicitées se trouvent notamment au niveau de la jonction des bordures lia, 11b de la bande métallique pour former le tube 1. Une autre zone de sollicitation se situe au niveau où la bande métallique 11 est repliée. Selon l'exemple illustré sur les figures 2a,2b, le tube 1 formé présente une section transversale sensiblement en « B ». Bien entendu, on peut prévoir d'autres sections, par exemple de forme sensiblement oblongue.
La section transversale en « B » du tube 1 illustré, présente deux canaux de circulation de fluide parallèles juxtaposés 17a et 17b et séparés par une cloison 19 formant entretoise.
À cet effet, la bande métallique 11 est repliée de façon à former l'enveloppe des deux canaux parallèles juxtaposés 17a et 17b. Plus précisément, la bande métallique 11 est pliée de sorte que sa face interne 15 délimite les deux canaux 17a, 17b.
La cloison 19 est par exemple réalisée par repliement sensiblement à 90° de deux bordures lia et 11b opposées de la bande métallique 11, par exemple les bordures longitudinales de la bande 11. Puis, ces bordures lla,llb repliées sont adossées l'une contre l'autre pour former conjointement la cloison 19. La face externe 13 au niveau de la bordure lia est donc en regard de la face externe 13 au niveau de la bordure opposée 11b.
On a décrit ici un tube plié en « B ». Bien entendu, on peut prévoir tout type de pliage ou encore des tubes électro-soudés.
Comme mentionné précédemment, la zone de jonction des bordures 11 a, 11b de la bande métallique pour former le tube 1 peut être sollicitée et est selon l'exemple illustré une seconde zone renforcée Z2.
Pour cela, les bordures opposées lia, 11b peuvent être des secondes portions P2 de seconde épaisseur e2 de la bande 11. Une fois le tube 1 formé, ce dernier présente donc une seconde zone renforcée Z2. Cette seconde zone renforcée Z2 est obtenue par repliement des bordures lla,llb d'épaisseur e2 et par jonction de ces bordures lla,llb repliées.
De plus, pour assurer l'indépendance entre les deux canaux 17a, 17b, les faces d'extrémité des bordures 11 a, 11b sont sensiblement au contact de la face interne 15 de la bande métallique 11.
Ainsi, une fois la bande 11 pliée, la face externe 13 de la bande 11 forme la surface externe 21 du tube 1 ainsi formé, et la face interne 15 de la bande 11 forme la surface interne 23 du tube 1 ainsi formé.
Il y a une zone de contact entre les bordures lia, 11b de la bande métallique 11 et la surface interne 23 du tube plié 1.
En outre, une fois le tube 1 formé il peut y avoir au moins une zone de contact entre au moins une bordure lia, 11b de la bande 11 et la surface interne 23 du tube 1. En complément ou en alternative aux bordures 11 a, 11b réalisées au niveau de secondes portions P2 de la bande, la surface interne 23 au niveau de cette zone de contact correspond à une seconde portion P2 de la bande 11 de façon à former une seconde zone Z2 renforcée.
De plus, la surface externe 21 du tube 1 plié présente deux grandes faces externes 21a,21b opposées et qui sont raccordées par deux petites faces latérales 21c et 21d, par exemple sensiblement incurvées.
Selon cet exemple de réalisation, pour former un tel tube 1, les petites faces latérales 21c,21d de raccordement forment des secondes zones Z2 du tube 1. À cet effet, la bande 11 est repliée au niveau de deux secondes portions P2.
Ainsi, la bande métallique 11 est donc amincie avant d'être pliée pour former le tube 1 qui présente, selon l'exemple illustré, des jambes d'une première épaisseur ei
formant les grandes faces latérales 21a,21b de la forme « B » en dehors des bordures lia, 11b de la bande métallique 11 et également en dehors de la surface interne 23 destinée à être en contact avec les extrémités de ces bordures lia, 11b une fois la bande 11 pliée. Ces jambes formant des premières zones ZI amincies. Et, les bordures lia, 11b et la zone de contact de la surface interne 23 présentant une seconde épaisseur e2 formant des secondes zones Z2 renforcées.
On a décrit ici un tube 1 plié sensiblement en « B ». Bien entendu, on peut prévoir d'autres exemples de réalisation du tube 1.
À titre d'exemple, on peut prévoir un tube 1 plié de façon à définir un unique canal de circulation de fluide. Dans ce cas, la bande métallique 11 est repliée de façon à former une enveloppe de ce canal, cette bande 11 étant repliée au niveau d'une seconde portion P2 de la bande 11 de façon à former une seconde zone renforcée Z2 du tube 1 plié.
Comme précédemment, les bordures lia, 11b de la bande peuvent être repliées et adossées l'une contre l'autre. La jonction des bordures lla,llb peut également former une seconde zone Z2 renforcée du tube; les bordures 11 a, 11b étant par exemple formées au niveau de secondes portions P2 de la bande 11.
En variante, au lieu d'être repliées puis adossées l'une contre l'autre, les bordures 1 la, 1 lb de la bande 11 peuvent être superposées.
En référence aux figures 2b, 3b et 4, on décrit maintenant un procédé d'obtention d'un tel tube 1 plié.
Lors d'une première étape El, on amincit localement la bande métallique 11. Pour cela on peut définir au préalable un certain nombre de premières portions
PI avec une première épaisseur ej_ et de secondes portions P2 avec une seconde épaisseur e2 plus élevée. Ces portions sont déterminées en fonction du pliage à réaliser et des zones du tube 1 une fois formé qui sont le plus sollicitées.
Selon l'exemple décrit, pour obtenir un tube 1 plié en « B », on amincit quatre premières portions PI jusqu'à une épaisseur ej_ inférieure à l'épaisseur e2 du reste de la
bande 11 formant les secondes portions P2, selon l'exemple illustré cinq portions P2, à savoir une portion centrale, deux portions intermédiaires et deux portions d'extrémité formant les bordures lia, 11b de la bande 11.
Cet amincissement peut par exemple se faire par laminage. Les premières portions PI sont par exemple passées entre deux rouleaux pour réduire leur épaisseur jusqu'à l'épaisseur ej_ souhaitée, par exemple 0,15mm par rapport à une épaisseur initiale de 0,23mm.
Lors d'une étape E2, on plie ou on recourbe la bande 11 au niveau d'au moins une seconde portion P2 de la bande 11.
Ce pliage peut se faire par défilement continu de la bande métallique 11 dans un train de galets.
Selon l'exemple décrit, pour obtenir un tube 1 plié en « B », on plie la bande 11 au niveau des deux portions P2 intermédiaires.
Selon une alternative, l'étape d'amincissement peut se faire pendant le pliage de la bande 11. À à cet effet, on peut prévoir des galets qui ont également une fonction de laminage.
Enfin, lors d'une troisième étape E3, on réalise une jonction au niveau d'au moins deux secondes portions P2 de façon à former le tube 1 plié.
Selon l'exemple décrit, pour obtenir un tube 1 plié en « B », on plie par exemple sensiblement à 90° les deux portions d'extrémité P2 formant les bordures lia et 11b de la bande 11, puis on adosse ces bordures lla,llb repliées l'une contre l'autre pour former conjointement la cloison 19 délimitant les deux canaux 17a, 17b.
Les faces d'extrémités de ces bordures lia, 11b viennent alors en contact avec la seconde portion P2 centrale.
Une fois le pliage formé, on peut couper la bande métallique 11 à la longueur souhaitée.
Selon une variante, la bande métallique est au préalable coupée à la longueur souhaitée.
La bande 11 coupée peut être amincie localement par emboutissage ou « stamping » en anglais.
On peut ensuite plier chaque morceau de bande 11 coupée, par exemple par passage dans un train de galets.
Comme précédemment, ce pliage peut être fait de manière à obtenir un tube plié sensiblement en « B », ou encore toute autre forme.
Le tube 1 présente alors des premières zones ZI amincies et des secondes zones Z2 renforcées, les premières zones ZI étant formées par des premières portions PI de la bande 11 et les secondes zones renforcées Z2 étant formées par des secondes portions P2 de ladite bande 11 de plus grande épaisseur que les premières portions Pl.
On peut ensuite solidariser l'ensemble lors du brasage de l'échangeur 3.
On comprend donc qu'avec un tel tube 1 plié présentant une épaisseur variable, on permet de diminuer le poids du tube 1 plié, et donc de l'échangeur 3 comprenant une pluralité de tels tubes 1, tout en garantissant suffisamment de matière aux niveaux stratégiques de façon à résister aux efforts sollicitant les tubes 1.