WO2017162966A1 - Échangeur de chaleur et son procédé de fabrication - Google Patents

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WO2017162966A1
WO2017162966A1 PCT/FR2017/050629 FR2017050629W WO2017162966A1 WO 2017162966 A1 WO2017162966 A1 WO 2017162966A1 FR 2017050629 W FR2017050629 W FR 2017050629W WO 2017162966 A1 WO2017162966 A1 WO 2017162966A1
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WO
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tubes
fins
heat exchanger
axis
angle
Prior art date
Application number
PCT/FR2017/050629
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English (en)
Inventor
Kamel Azzouz
Patrick Boisselle
Cédric DE VAULX
Original Assignee
Valeo Systemes Thermiques
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
    • F28F1/34—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending obliquely
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
    • F28F1/24—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely
    • F28F1/32—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely the means having portions engaging further tubular elements

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger and its method of manufacture. More particularly in the field of mechanical heat exchangers for an application in the automotive field.
  • a mechanical heat exchanger 1, illustrated in FIG. 1, comprises:
  • Tubes 3 parallel to each other and arranged in at least one row and in which a first coolant is able to circulate, and
  • fins 4 evolving parallel to each other and through which a second heat transfer fluid 100 is able to flow, the fins 4 are disposed perpendicular to the plane of the row or rows of tubes 3 and they have orifices 40 in which the tubes 3 are inserted and fixed.
  • Fixing the tubes 3 with the fins 4 is said to be mechanical, for example by widening said tubes 3. For this, an olive larger than that of the tubes 3 is inserted into the tubes 3 to enlarge said tubes 3, and then removed. The tubes 3 are then widened and attached to the fins 4.
  • this type of mechanical heat exchanger 1 and in particular the connection between the tubes 3 and the fins 4 has a high thermal resistance which penalizes heat exchanges between the first and second heat transfer fluid. Indeed, at the level of orifices 40, there is no continuous contact especially when the fins 4 are hot and dilated. Indeed, when the fins 4 expand, the size of the orifices 40 increases which decreases the contact areas between the tubes 3 and the fins 4.
  • An object of the present invention is therefore to at least partially overcome the disadvantages of the prior art and to provide an improved mechanical heat exchanger and its manufacturing process.
  • the present invention therefore relates to a mechanical heat exchanger, comprising:
  • the angle that the fins form with the perpendicular to the axis of the tubes induces shear stresses between the tubes and the fins.
  • the heat exchanger comprises:
  • said fins having orifices through which the tubes pass so as to form at least one group of tubes interconnected by the superposition of fins,
  • the fins of the same group of tubes have a monotonous profile between two adjacent tubes.
  • 20% of the tubes of the same group of tubes have the tangent to the surface of the fins halfway between two adjacent tubes which forms an angle greater than or equal to 0.5 ° and lower or equal to 10 ° with the perpendicular to the axis of the tubes.
  • the angle between the tangent to the surface of the fins halfway between two adjacent tubes and the perpendicular to the axis of the tubes makes it possible to reduce the thermal resistance at the orifices, especially when the fins are expanded.
  • the angle is greater than or equal to 0.5 ° and less than or equal to 5 °.
  • the fins are flat. According to another aspect of the invention, the fins are curved.
  • the fins have a sinusoidal profile, the orifices and tubes being placed at the level of ridges and hollows of said fins.
  • the heat exchanger comprises a water box disposed at each end of the tubes and covers covering the space not occupied by the fins between the end fins of the same group of tubes. and said water boxes.
  • the heat exchanger comprises a single group of tubes or at least two groups of separate tubes. The present invention also relates to a method for manufacturing a mechanical heat exchanger comprising
  • said method comprising the following steps:
  • the line connecting the ends of tubes of the same rank within the same group of tubes has an angle greater than or equal to 0.5 ° and less than or equal to 10 ° with the perpendicular to the axis of the tubes.
  • the line connecting the ends of tubes of the same rank within the same group of tubes has an angle greater than or equal to 0.5 ° and less than or equal to 5 ° with the perpendicular to the axis of the tubes.
  • the line connecting the ends of the tubes of the same group of tubes is a straight line.
  • the line connecting the ends of the tubes of the same group of tubes is a curve.
  • the line connecting the ends of the tubes of the same group of tubes is a sinusoid.
  • said manufacturing method comprises, following the step of alignment under stress, a step of setting up water boxes on the ends of the tubes and of placing covers covering the space not occupied by the fins between the fins at the ends of the same group of tubes and said water boxes.
  • the present invention also relates to a manufacturing device for implementing the manufacturing method as described above, said device comprising alignment shoes intended to press on the ends of the tubes so that the ends of said tubes pass through. a longitudinal position shifted to an aligned position where the ends of said tubes are aligned with the perpendicular to the axis of the tubes.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a mechanical heat exchanger according to the invention
  • FIGS. 3 to 6 show schematic representations of a mechanical heat exchanger according to the invention, according to different embodiments,
  • FIG. 7 shows a schematic representation of the connection between the fins and the tubes
  • FIG. 8 shows a diagram of the evolution of the electrical resistance as a function of the angle between the fins and the tubes
  • FIG. 9 shows a flowchart of the various steps of the method of manufacturing a mechanical heat exchanger
  • FIGS. 10a to 10c show schematic representations of a mechanical heat exchanger at different stages of its manufacturing process
  • Figures 11 and 12 show schematic representations of a mechanical heat exchanger at different stages of its manufacturing process, according to different embodiments.
  • an XYZ trihedron to show the angle of view of each of said figures relative to each other.
  • the axes of this trihedron can also correspond to the different orientations of the motor vehicle.
  • the axis X can thus correspond to the axis of the length of the vehicle, the axis Y to the axis of its width and the axis Z to that of its height.
  • a mechanical heat exchanger 1 comprises tubes 3 parallel to each other and arranged in at least one row and in which a first heat transfer fluid is able to circulate.
  • the refrigerant may come from a thermal management device such as air conditioning or the cooling circuit of a combustion engine of a motor vehicle.
  • These tubes 3 extend in particular in the plane defined by the axes Y and Z.
  • the heat exchanger 1 also comprises at least one superposition of fins 4 whose fins 4 evolve parallel to each other, in particular parallel to the plane defined by the axes Y and Z.
  • the fins 4 are arranged perpendicularly to the plane of the row or rows of tubes 3.
  • a second heat transfer fluid 100 is able to flow between the fins 4, for example air.
  • the fins 4 have orifices 40 through which tubes 3 pass so as to form at least one group of tubes 3 interconnected by a superposition of fins 4.
  • the heat exchanger 1 comprises:
  • the fins 4 form with a perpendicular to the axis of the tubes 3, that is to say with a parallel to the Y axis of the triad XYZ, an angle different from 0 °.
  • the tubes 3 are parallel to each other and arranged in at least one row and whose fins 4 evolve without intersecting.
  • Said fins 4 comprise the openings 40 through which the tubes 3 pass so as to form at least one group of tubes 3 interconnected by the superposition of fins 4.
  • the fins 4 of the same group of tubes 3 have a monotonous profile between two tubes 3 neighbors.
  • at least 20% of the tubes 3 of the same group of tubes 3 have the tangent to the surface of the fins 4 midway between two neighboring tubes 3 which forms an angle ⁇ greater than or equal to 0.5 ° and less than or equal to 10 °, preferably less than or equal to 5 °, with the perpendicular to the axis of the tubes 3.
  • the heat exchanger 1 may also comprise a water box 5 disposed at each end of the tubes 3. These water boxes 5 allow the collection and / or distribution of the first heat transfer fluid so that it can pass through the tubes 3.
  • the fins 4 are flat and the heat exchanger 1 comprises a single group of tubes 3 gathering all the tubes 3 of said heat exchanger 1.
  • the all of the tubes 3 has the tangent to the surface of the fins 4 at mid-distance between two adjacent tubes 3 which forms an angle a greater than or equal to 0.5 °, and less than or equal to 10 ° with the perpendicular to the tube axis 3.
  • Figure 3 shows a second embodiment where the fins 4 are curved.
  • the heat exchanger 1 also comprises a single group of tubes 3 gathering all the tubes 3 of said heat exchanger 1.
  • all the tubes 3 do not have the tangent to the surface of the fins 4 halfway between two adjacent tubes 3 which forms an angle ⁇ greater than or equal to 0.5 ° and less than or equal to 10 ° with the perpendicular to the axis of the tubes 3 due to the curved profile of fins 4.
  • Figure 4 shows a heat exchanger 1 according to a third embodiment where the fins 4 have a sinusoidal profile.
  • the orifices 40 of the fins 4 and the tubes 3 are here placed at the level of the peaks and valleys of the fins 4.
  • the heat exchanger 1 also comprises a single group of tubes 3 gathering all the tubes 3 of said heat exchanger 1.
  • the set of tubes 3 has the tangent to the surface of the fins 4 halfway between two neighboring tubes 3 which forms a angle a greater than or equal to 0.5 ° and less than or equal to 10 ° with the perpendicular to the axis of the tubes 3.
  • FIGS. 5a and 5b show a heat exchanger 1 according to a fourth embodiment where heat exchanger 1 comprises at least two groups of tubes 3.
  • the heat exchanger 1 has four groups. of tubes, each group of tubes 3 comprising two tubes 3.
  • the tubes 3 are connected to each other by a superposition of fins 4.
  • the tubes 3 have the tangent to the fin surface 4 at mid-distance between two adjacent tubes 3 which forms an angle ⁇ greater than or equal to 0.5 ° and less than or equal to 10 ° with the perpendicular to the axis of the tubes 3.
  • the fins 4 are planar.
  • the fins 4, within each group of tubes 3, have a curved profile or sinusoidal.
  • the superpositions of fins 4 of each group of tubes 3 have an identical orientation.
  • the superpositions of fins 4 of groups of tubes 3 successively have an inverted orientation, in the image of an inverted reflection in a mirror.
  • angles a may differ from one group of tubes 3 to another, while remaining greater than or equal to at 0.5 ° and less than or equal to 10 °.
  • the heat exchanger 1 may comprise covers 6 covering the space not occupied by the fins 4 between the end fins 4 of the same group of tubes 3 and said water boxes 5. These covers 6 act as a barrier for the second heat transfer fluid 100 so that it can not pass into this space not busy. The second heat transfer fluid 100 is then forced to circulate between the fins 4, which makes it possible not to deteriorate the heat exchange.
  • FIG. 8 shows a diagram of the evolution of the electric resistance in ⁇ , as a function of an angle ⁇ between 0 and 5 ° at the orifices 40 forming the interface between the tubes 3 and the fins 4.
  • the resistance electric is easy to measure and proportional to the thermal resistance.
  • the diagram of FIG. 8 shows three curves 200, 201 and 202 corresponding to the variations of the electrical resistance for three samples of tubes 3 and fins 4 as a function of angle ⁇ .
  • the three curves 200, 201 and 203 show that the greater the angle a increases, especially beyond 0.5 °, the lower the electrical resistance and therefore the thermal resistance.
  • an angle ⁇ of 10 ° appears as a saturation limit of the decrease of the electrical resistance and therefore of the thermal resistance. By this it is meant that from this value, an increase in angle ⁇ would have little effect on the thermal resistance. As shown in Figure 8, an angle between 0.5 and 5 ° is optimal.
  • the effect of the angle ⁇ on the electrical resistance and therefore on the thermal resistance is related to the shear stresses between the fins 4 and the tubes 3 exerted by the angle ⁇ . These shearing stresses make it possible to maintain good contact between the tubes 3 and the fins 4 at the orifices 40, even if the fins 4 are dilated.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing a heat exchanger 1 as described above.
  • Figure 9 shows a flowchart of the different steps of said manufacturing process.
  • the manufacturing process comprises the following steps:
  • the tubes 3 of the same group of tubes 3 are arranged parallel to each other with a longitudinal positional offset.
  • the imaginary line connecting the ends of the tubes 3 forms with a perpendicular to the axis of the tubes (3), that is to say with a parallel to the Y axis of the XYZ trihedron, an angle other than 0 °.
  • the line connecting the ends of the tubes 3 of the same rank within the same group of tubes 3, has an angle a 'greater than 0.5 ° and less than or equal to 10 °, preferably lower or equal to 5 °, with the perpendicular to the axis of the tubes 3.
  • the tubes 3 have a diameter smaller than that of the orifices 40 of the fins 4 so that they can be inserted therein.
  • This second step 112 may be carried out by expansion of the tubes 3, that is to say by an increase in their diameter which is fixed in the orifices 40.
  • This expansion of the tubes 3, can for example be performed by insertion into the tubes 3 of an olive of a diameter greater than that of the tubes 3.
  • a third step 114 for stress-aligning the ends of the tubes 3 so that the ends of said tubes 3 are aligned with a perpendicular to the axis of the tubes 3, that is to say with a parallel to the Y axis of the XYZ trihedron.
  • the angle a 'between the line connecting the ends of the tubes 3 and the perpendicular to the axis of the tubes 3, because the fins 4 and the tubes 3 are fixed together is reported in the angle ⁇ between the tangent to the surface of the fins 4 at mid-distance between two adjacent tubes 3 and perpendicular to the axis of the tubes 3.
  • the connection between the tubes 3 and the fins 4 will then be under shear stresses improving thermal exchanges.
  • This third step 114 may for example be achieved by the fact that the manufacturing device for implementing the manufacturing method comprises alignment shoes. These alignment shoes are intended to press on the ends of the tubes 3 so that the ends of said tubes 3 pass from their offset longitudinal position, illustrated in FIG. 10b, to an aligned position where the ends of said tubes 3 are aligned with the perpendicular to the axis of the tubes 3, as shown in Figure 10c.
  • the shape of the line connecting the ends of the tubes 3 of the same rank within the same group of tubes 3 made in the first step 110 determines the profile of the fins 4 of the heat exchanger 1. Thus, if this line is a straight line as shown in Figure 10a, the fins 4 will be flat at the end of the manufacturing process. If this line is a curve as shown in Figure 11, the fins 4 will also be curved at the end of the manufacturing process.
  • this line is a sinusoid as shown in Figure 12, the fins 4 will have a sinusoidal profile at the end of the manufacturing process.
  • the manufacturing method may also include, following the third step of alignment for stress alignment, a fourth step 116 of installation of water boxes 5 on the ends of the tubes 3 and of setting up covers 6 covering the space not occupied by the fins 4 between the fins 4 at the ends of the same group of tubes 3 and said water boxes 5.

Abstract

La présente invention concerne un échangeur de chaleur (1) mécanique et son procédé de fabrication. Ledit échangeur de chaleur (1) comportant : - des tubes (3) parallèles les uns avec les autres et dans lesquels un premier fluide caloporteur est apte à circuler, et - au moins une superposition d'ailettes (4) comportant des orifices par lesquels passent des tubes (3), caractérisé en ce, lorsque l'échangeur est observé suivant une direction perpendiculaire aux tubes (3), les ailettes (4) forment avec l'un des tubes (3) à l'emplacement des orifices, un angle différent de 90°. L'invention concerne également le procédé de fabrication d'un tel échangeur de chaleur.

Description

Échangeur de chaleur et son procédé de fabrication.
L'invention concerne un échangeur de chaleur et son procédé de fabrication. Plus particulièrement dans le domaine des échangeurs de chaleur mécanique pour une application dans le domaine automobile.
Un échangeur de chaleur mécanique 1, illustré à la figure 1 comporte :
• des tubes 3 parallèles les uns avec les autres et disposés en au moins un rang et dans lesquels un premier fluide caloporteur est apte à circuler, et
• des ailettes 4 évoluant parallèlement les unes par rapport aux autres et au travers desquelles un second fluide caloporteur 100 est apte à circuler, les ailettes 4 sont disposées perpendiculaires au plan du ou des rangs de tubes 3 et elles comportent des orifices 40 dans lesquels les tubes 3 sont insérés et fixés.
La fixation des tubes 3 avec les ailettes 4 est dite mécanique, par exemple par élargissement desdits tubes 3. Pour cela, une olive de taille supérieure à celle des tubes 3 est insérée dans les tubes 3 pour agrandir lesdits tubes 3, puis retirée. Les tubes 3 sont alors élargis et fixés aux ailettes 4.
Cependant ce type d'échangeur de chaleur 1 mécanique et notamment la liaison entre les tubes 3 et les ailettes 4, a une résistance thermique élevée ce qui pénalise les échanges de chaleur entre le premier et le second fluide caloporteur. En effet, au niveau de orifices 40, il n'y a pas un contact continue notamment lorsque les ailettes 4 sont chaudes et dilatées. En effet, lorsque les ailettes 4 se dilatent, la taille des orifices 40 augmente ce qui diminue les zones de contact entre les tubes 3 et les ailettes 4. Un des buts de la présente invention est donc de remédier au moins partiellement aux inconvénients de l'art antérieur et de proposer un échangeur de chaleur mécanique amélioré ainsi que son procédé de fabrication.
La présente invention concerne donc un échangeur de chaleur mécanique, comportant :
des tubes parallèles les uns avec les autres et dans lesquels un premier fluide caloporteur est apte à circuler, et
au moins une superposition d'ailettes comportant des orifices par lesquels passent des tubes,
les ailettes formant avec une perpendiculaire à l'axe des tubes un angle différent de 0°.
Selon un aspect de l'invention, l'angle que les ailettes forment avec la perpendiculaire à l'axe des tubes induit des contraintes de cisaillement entre les tubes et les ailettes.
Selon un aspect de l'invention, l'échangeur de chaleur comporte :
les tubes parallèles les uns avec les autres et disposés en au moins un rang et dont les ailettes évoluent sans se croiser,
lesdites ailettes comportant les orifices par lesquels passent les tubes de sorte à former au moins un groupe de tubes reliés entre eux par la superposition d'ailettes,
Selon un aspect de l'invention, les ailettes d'un même groupe de tubes ont un profil monotone entre deux tubes voisins. Selon un aspect de l'invention, 20 % des tubes d'un même groupe de tubes, ont la tangente à la surface des ailettes à mi-distance entre deux tubes voisins qui forme un angle supérieur ou égal à 0,5° et inférieur ou égal à 10° avec la perpendiculaire à l'axe des tubes.
L'angle entre la tangente à la surface des ailettes à mi-distance entre deux tubes voisins et la perpendiculaire à l'axe des tubes permet de diminuer la résistance thermique au niveau des orifices notamment lorsque les ailettes sont dilatées. Selon un aspect de l'invention, l'angle est supérieur ou égal à 0,5° et inférieur ou égal à 5°.
Selon un autre aspect de l'invention, les ailettes sont planes. Selon un autre aspect de l'invention, les ailettes sont courbes.
Selon un autre aspect de l'invention, les ailettes ont un profil sinusoïdal, les orifices et les tubes étant placés au niveau de crêtes et creux desdites ailettes. Selon un autre aspect de l'invention, l'échangeur de chaleur comprend une boîte à eau disposée à chaque extrémité des tubes et des caches recouvrant l'espace non occupé par les ailettes entre les ailettes d'extrémités d'un même groupe de tubes et lesdites boîtes à eau. Selon un autre aspect de l'invention, l'échangeur de chaleur comporte un unique groupe de tubes ou au moins deux groupes de tubes distincts. La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur mécanique comportant
0 des tubes parallèles les uns avec les autres et dans lesquels un premier fluide caloporteur est apte à circuler, et
0 au moins une superposition d'ailettes comportant des orifices par lesquels passent des tubes,
ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
• mise en place de tubes en au moins un groupe de tubes, lesdits tubes d'un même groupe de tubes étant disposés parallèlement les uns aux autres avec un décalage de position longitudinale, les extrémités des tubes étant reliées par une ligne qui forme avec une perpendiculaire à l'axe des tubes (3), un angle différent de 0°,
• fixation des tubes aux ailettes,
• alignement sous contrainte des extrémités des tubes de sorte que les extrémités desdits tubes soient alignés avec une perpendiculaire à l'axe des tubes.
Selon un aspect du procédé selon l'invention, dans l'étape de mise en place des tubes, la ligne reliant les extrémités de tubes d'un même rang au sein d'un même groupe de tubes, a un angle supérieur ou égal à 0,5° et inférieur ou égal à 10° avec la perpendiculaire à l'axe des tubes.
Selon un aspect du procédé selon l'invention, dans l'étape de mise en place des tubes, la ligne reliant les extrémités de tubes d'un même rang au sein d'un même groupe de tubes, a un angle supérieur ou égal à 0,5° et inférieur ou égal à 5° avec la perpendiculaire à l'axe des tubes. Selon un aspect du procédé selon l'invention, dans l'étape de mise en place des tubes, la ligne reliant les extrémités des tubes d'un même groupe de tubes est une droite.
Selon un autre aspect du procédé selon l'invention, dans l'étape de mise en place des tubes, la ligne reliant les extrémités des tubes d'un même groupe de tube est une courbe.
Selon un aspect du procédé selon l'invention, dans l'étape de mise en place des tubes, la ligne reliant les extrémités des tubes d'un même groupe de tubes est une sinusoïde.
Selon un aspect du procédé selon l'invention, ledit procédé de fabrication comporte, suite à l'étape d'alignement sous contrainte, une étape de mise en place de boites à eau sur les extrémités des tubes et de mise en place de caches recouvrant l'espace non occupé par les ailettes entre les ailettes aux extrémités d'un même groupe de tubes et lesdites boîtes à eau.
La présente invention concerne également un dispositif de fabrication pour la mise en œuvre du procédé de fabrication tel que décrit ci-dessus, ledit dispositif comportant des sabots d'alignement destinés à appuyer sur les extrémités des tubes de sorte que les extrémités desdits tubes passent d'une position longitudinale décalée à une position alignée où les extrémités desdits tubes sont alignées avec la perpendiculaire à l'axe des tubes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : la figure 1 montre une représentation schématique en perspective d'un échangeur de chaleur mécanique selon l'art antérieur,
la figure 2 montre une représentation schématique d'un échangeur de chaleur mécanique selon l'invention,
- les figures 3 à 6 montrent des représentations schématiques d'un échangeur de chaleur mécanique selon l'invention, selon différents modes de réalisations,
la figure 7 montre une représentation schématique de la liaison entre les ailettes et les tubes,
- la figure 8 montre un diagramme de l'évolution de la résistance électrique en fonction de l'angle entre les ailettes et les tubes,
la figure 9 montre un organigramme des différentes étapes du procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur mécanique,
les figures 10a à 10c montrent des représentations schématiques d'un échangeur de chaleur mécanique à différentes étapes de son procédé de fabrication,
les figures 11 et 12 montrent des représentations schématiques d'un échangeur de chaleur mécanique à différentes étapes de son procédé de fabrication, selon différents modes de réalisations.
Les éléments identiques sur les différentes figures, portent les mêmes références.
Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées ou interchangées pour fournir d'autres réalisations. Dans la présente description on peut indexer certains éléments ou paramètres, comme par exemple premier élément ou deuxième élément ainsi que premier paramètre et second paramètre ou encore premier critère et deuxième critère etc. Dans ce cas, il s'agit d'un simple indexage pour différencier et dénommer des éléments ou paramètres ou critères proches mais non identiques. Cette indexation n'implique pas une priorité d'un élément, paramètre ou critère par rapport à un autre et on peut aisément interchanger de telles dénominations sans sortir du cadre de la présente description. Cette indexation n'implique pas non plus un ordre dans le temps par exemple pour apprécier tel ou tels critères.
Sur les différentes figures, nous utiliserons un trièdre XYZ afin de montrer l'angle de vue de chacune desdites figures les unes par rapport aux autres. Les axes de ce trièdre peuvent également correspondre aux différentes orientations du véhicule automobile. L'axe X peut ainsi correspondre à l'axe de la longueur du véhicule, l'axe Y à l'axe de sa largeur et l'axe Z à celui de sa hauteur.
Comme le montre la figure 1 correspondant à un art antérieur, un échangeur de chaleur 1 mécanique, comporte des tubes 3 parallèles les uns avec les autres et disposés en au moins un rang et dans lesquels un premier fluide caloporteur est apte à circuler. Par exemple le fluide réfrigérant peut provenir d'un dispositif de gestion thermique tel que la climatisation ou du circuit de refroidissement d'un moteur thermique d'un véhicule automobile. Ces tubes 3 s'étendent notamment dans le plan définit par les axes Y et Z. L'échangeur de chaleur 1 comporte également au moins une superposition d'ailettes 4 dont les ailettes 4 évoluent parallèlement les unes par rapport aux autres, notamment parallèlement au plan défini par les axes Y et Z. Les ailettes 4 sont donc disposées perpendiculairement au plan du ou des rangs de tubes 3. Un second fluide caloporteur 100 est apte à circuler entre les ailettes 4, par exemple de l'air. Les ailettes 4 comportent des orifices 40 par lesquels passent des tubes 3 de sorte à former au moins un groupe de tubes 3 reliés entre eux par une superposition d'ailettes 4.
Comme illustré sur les figures 2 à 6, l'échangeur de chaleur 1 comprend :
- des tubes 3 parallèles les uns avec les autres et dans lesquels un premier fluide caloporteur est apte à circuler, et
au moins une superposition d'ailettes 4 comportant des orifices 40 par lesquels passent des tubes 3. Les ailettes 4 forment avec une perpendiculaire à l'axe des tubes 3, c'est-à-dire avec une parallèle à l'axe Y du trièdre XYZ, un angle différent de 0°.
Les tubes 3 sont parallèles les uns avec les autres et disposés en au moins un rang et dont les ailettes 4 évoluent sans se croiser. Lesdites ailettes 4 comportent les orifices 40 par lesquels passent les tubes 3 de sorte à former au moins un groupe de tubes 3 reliés entre eux par la superposition d'ailettes 4.
Comme illustré sur les figures 2 à 6 montrant l'échangeur de chaleur 1 et la figure 7 montrant plus en détail la liaison entre une ailette 4 et deux tubes 3, les ailettes 4 d'un même groupe de tubes 3, ont un profil monotone entre deux tubes 3 voisins. De plus, au moins 20 % des tubes 3 d'un même groupe de tubes 3, ont la tangente à la surface des ailettes 4 à mi-distance entre deux tubes 3 voisins qui forme un angle a supérieur ou égal à 0,5° et inférieur ou égal à 10°, de préférence inférieur ou égale à 5°, avec la perpendiculaire à l'axe des tubes 3. Cet angle a entre la tangente à la surface des ailettes 4 à mi-distance entre deux tubes 3 voisins et la perpendiculaire à l'axe des tubes 3 est particulièrement visible à la figure 7. L'échangeur de chaleur 1 peut également comprendre une boîte à eau 5 disposée à chaque extrémité des tubes 3. Ces boites à eau 5 permettent la collecte et/ou la distribution du premier fluide caloporteur afin qu'il puisse passer dans les tubes 3. Dans un premier mode de réalisation illustré à la figure 2, les ailettes 4 sont planes et l'échangeur de chaleur 1 comporte un unique groupe de tubes 3 regroupant tout les tubes 3 dudit échangeur de chaleur 1. Dans ce premier mode de réalisation, l'ensemble des tubes 3 a la tangente à la surface des ailettes 4 à mi-distance entre deux tubes 3 voisins qui forme un angle a supérieur ou égal à 0,5°, et inférieur ou égal à 10° avec la perpendiculaire à l'axe des tubes 3.
La figure 3 montre un deuxième mode de réalisation où les ailettes 4 sont courbes. Dans ce deuxième mode de réalisation, l'échangeur de chaleur 1 comporte également un unique groupe de tubes 3 regroupant tous les tubes 3 dudit échangeur de chaleur 1. Dans ce deuxième mode de réalisation, tous les tubes 3 n'ont pas la tangente à la surface des ailettes 4 à mi-distance entre deux tubes 3 voisins qui forme un angle a supérieur ou égal à 0,5° et inférieur ou égal à 10° avec la perpendiculaire à l'axe des tubes 3 du fait du profil courbe des ailettes 4. Seulement au moins 20 % des tubes 3 d'un même groupe de tubes 3, ont la tangente à la surface des ailettes 4 à mi-distance entre deux tubes 3 voisins qui forme un angle a supérieur ou égal à 0,5° et inférieur ou égal à 10° avec la perpendiculaire à l'axe des tubes 3.
La figure 4 montre un échangeur de chaleur 1 selon un troisième mode de réalisation où les ailettes 4 ont un profil sinusoïdal. Les orifices 40 des ailettes 4 et les tubes 3 sont ici placés au niveau des crêtes et creux des ailettes 4. Dans ce troisième mode de réalisation, l'échangeur de chaleur 1 comporte également un unique groupe de tubes 3 regroupant tous les tubes 3 dudit échangeur de chaleur 1. A l'instar du premier mode de réalisation, dans ce troisième mode de réalisation, l'ensemble des tubes 3 a la tangente à la surface des ailettes 4 à mi-distance entre deux tubes 3 voisins qui forme un angle a supérieur ou égal à 0,5° et inférieur ou égal à 10° avec la perpendiculaire à l'axe des tubes 3.
Les figures 5a et 5b montrent un échangeur de chaleur 1 selon un quatrième mode de réalisation où échangeur de chaleur 1 comporte au moins deux groupes de tubes 3. Pour les exemples présentés aux figures 5a et 5b, l'échangeur de chaleur 1 comporte quatre groupes de tubes, chaque groupe de tubes 3 comportant deux tubes 3. Dans chaque groupe de tubes 3, les tubes 3 sont reliés entre eux par une superposition d'ailettes 4. Dans chaque groupe de tubes 3, les tubes 3 ont la tangente à la surface des ailettes 4 à mi-distance entre deux tubes 3 voisins qui forme un angle a supérieur ou égal à 0,5° et inférieur ou égal à 10° avec la perpendiculaire à l'axe des tubes 3. Dans les exemples présentés aux figures 5a et 5b, au sein de chaque groupe de tube 3, les ailettes 4 sont planes. Cependant il est tout à fait possible d'imaginer que les ailettes 4, au sein de chaque groupe de tubes 3, aient un profil courbe ou encore sinusoïdal.
Dans l'exemple de la figure 5a, les superpositions d'ailettes 4 de chaque groupe de tubes 3 ont une orientation identique. Dans l'exemple de la figure 5b, les superpositions d'ailettes 4 de groupes de tubes 3 ont successivement une orientation inversée, à l'image d'un reflet inversé dans un miroir.
Il est également tout à fait possible d'imaginer que, lorsque l'échangeur de chaleur 1 comporte au moins deux groupes de tubes 3, les angles a puissent différer d'un groupe de tubes 3 à un autre, tout en restant supérieur ou égal à 0,5° et inférieur ou égal à 10°.
Comme illustré à la figure 6, l'échangeur de chaleur 1 peut comporter des caches 6 recouvrant l'espace non occupé par les ailettes 4 entre les ailettes 4 d'extrémités d'un même groupe de tubes 3 et lesdites boîtes à eau 5. Ces caches 6 jouent un rôle de barrière pour le second fluide caloporteur 100 afin qu'il ne puisse passer dans cet espace non occupé. Le second fluide caloporteur 100 est alors contraint de circuler entre les ailettes 4 ce qui permet de ne pas détériorer les échanges thermiques.
La figure 8 montre un diagramme de l'évolution de la résistance électrique en ιηΩ, en fonction d'un angle a compris entre 0 et 5° au niveau des orifices 40 faisant l'interface entre les tubes 3 et les ailettes 4. La résistance électrique est facile à mesurer et proportionnelle à la résistance thermique. Ainsi plus la résistance électrique est faible, plus la résistance thermique sera faible également. Le diagramme de la figure 8 montre trois courbes 200, 201 et 202 correspondant aux variations de la résistance électrique pour trois échantillons de tubes 3 et d'ailettes 4 en fonction de l'angle a. Les trois courbes 200, 201 et 203 montrent que plus l'angle a augmente, notamment au-delà de 0,5°, plus la résistance électrique et donc la résistance thermique est faible. En extrapolant les courbes 200, 201 et 203 et leur moyenne, un angle a de 10° apparaît comme une limite de saturation de la diminution de la résistance électrique et donc de la résistance thermique. On entend par cela qu'à partir de cette valeur, une augmentation de l'angle a n'aurait que peu d'effet sur la résistance thermique. Comme le montre la figure 8, un angle a compris entre 0,5 et 5° est un optimal.
L'effet de l'angle a sur la résistance électrique et donc sur la résistance thermique, est lié aux contraintes de cisaillement entre les ailettes 4 et les tubes 3 exercées par l'angle a. Ces contraintes de cisaillement permettent de maintenir un bon contact entre les tubes 3 et les ailettes 4 au niveau des orifices 40 et ce même si les ailettes 4 sont dilatées.
La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur 1 tel que décrit ci-dessus. La figure 9 montre un organigramme des différentes étapes dudit procédé de fabrication. Le procédé de fabrication comporte les étapes suivantes :
• une première étape 110, illustrée à la figure 10a, de mise en place de tubes 3 en au moins un groupe de tubes 3.
Lors de cette première étape 110, les tubes 3 d'un même groupe de tubes 3 sont disposés parallèlement les uns aux autres avec un décalage de position longitudinale. La ligne imaginaire reliant les extrémités des tubes 3 forme avec une perpendiculaire à l'axe des tubes (3), c'est-à-dire avec une parallèle à l'axe Y du trièdre XYZ, un angle différent de 0°.
En particulier, la ligne reliant les extrémités des tubes 3 d'un même rang au sein d'un même groupe de tubes 3, a un angle a' supérieur à 0,5° et inférieur ou égal à 10°, de préférence inférieur ou égal à 5°, avec la perpendiculaire à l'axe des tubes 3.
Lors de cette première étape 110, les tubes 3 ont un diamètre inférieur à celui des orifices 40 des ailettes 4 afin qu'ils puissent s'y insérer.
• une deuxième étape 112, illustrée à la figure 10b, de fixation des tubes 3 aux ailettes 4.
Cette deuxième étape 112 peut être réalisée par expansion des tubes 3, c'est-à- dire par une augmentation de leur diamètre ce qui vient les fixer dans les orifices 40. Cette expansion des tubes 3, peut être par exemple effectuée par insertion dans les tubes 3 d'une olive d'un diamètre supérieur à celui des tubes 3.
• une troisième étape 114, illustrée à la figure 10c, d'alignement sous contrainte des extrémités des tubes 3 de sorte que les extrémités desdits tubes 3 soient alignés avec une perpendiculaire à l'axe des tubes 3, c'est-à-dire avec une parallèle à l'axe Y du trièdre XYZ. Lors de cette troisième étape 114, l'angle a' entre la ligne reliant les extrémités des tubes 3 et la perpendiculaire à l'axe des tubes 3, du fait que les ailettes 4 et les tubes 3 sont fixés entre eux, est reporté en l'angle a entre la tangente à la surface des ailettes 4 à mi-distance entre deux tubes 3 voisins et la perpendiculaire à l'axe des tubes 3. La liaison entre les tubes 3 et les ailettes 4 sera alors sous contraintes de cisaillement améliorant les échanges thermiques.
Cette troisième étape 114 peut par exemple être réalisée par le fait que le dispositif de fabrication pour la mise en œuvre du procédé de fabrication comporte des sabots d'alignement. Ces sabots d'alignements sont destinés à appuyer sur les extrémités des tubes 3 de sorte que les extrémités desdits tubes 3 passent de leur position longitudinale décalée, illustré à la figure 10b, à une position alignée où les extrémités desdits tubes 3 sont alignées avec la perpendiculaire à l'axe des tubes 3, comme illustré à la figure 10c. La forme de la ligne reliant les extrémités des tubes 3 d'un même rang au sein d'un même groupe de tubes 3 réalisée dans la première étape 110 détermine le profil des ailettes 4 de l'échangeur de chaleur 1. Ainsi, si cette ligne est une droite comme cela est illustré à la figure 10a, les ailettes 4 seront planes à l'issue du procédé de fabrication. Si cette ligne est une courbe comme cela est illustré à la figure 11, les ailettes 4 seront elles aussi courbes à l'issue du procédé de fabrication.
Si cette ligne est une sinusoïde comme illustré à la figure 12, les ailettes 4 auront un profil sinusoïdal à l'issue du procédé de fabrication.
Le procédé de fabrication peut également comporter, suite à la troisième étape 114 d'alignement sous contrainte, une quatrième étape 116 de mise en place de boites à eau 5 sur les extrémités des tubes 3 et de mise en place de caches 6 recouvrant l'espace non occupé par les ailettes 4 entre les ailettes 4 aux extrémités d'un même groupe de tubes 3 et lesdites boîtes à eau 5.
Ainsi, on voit bien que l'échangeur de chaleur 1 du fait de l'angle a entre la tangente à la surface des ailettes 4 à mi-distance entre deux tubes 3 voisins et la perpendiculaire à l'axe des tubes 3 et des contraintes de cisaillements exercées par cet angle a entre les tubes 3 et les ailettes 4, permet de diminuer la résistance thermique au niveau des orifices 40 notamment lorsque les ailettes 4 sont dilatées.

Claims

REVENDICATIONS
Échangeur de chaleur (1) mécanique, comportant :
des tubes (3) parallèles les uns avec les autres et dans lesquels un premier fluide caloporteur est apte à circuler, et
au moins une superposition d'ailettes (4) comportant des orifices (40) par lesquels passent des tubes (3),
caractérisé en ce que les ailettes (4) forment avec une perpendiculaire à l'axe des tubes (3) un angle différent de 0°.
Échangeur de chaleur (1) selon la revendication 1, comportant :
les tubes parallèles les uns avec les autres et disposés en au moins un rang et dont les ailettes (4) évoluent sans se croiser,
lesdites ailettes (4) comportant les orifices (40) par lesquels passent les tubes (3) de sorte à former au moins un groupe de tubes (3) reliés entre eux par la superposition d'ailettes (4),
Échangeur de chaleur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les ailettes (4) d'un même groupe de tubes (3) ont un profil monotone entre deux tubes (3) voisins.
Échangeur de chaleur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'au moins 20 % des tubes (3) d'un même groupe de tubes (3), ont la tangente à la surface des ailettes (4) à mi-distance entre deux tubes (3) voisins qui forme un angle (a) supérieur ou égal à 0,5° et inférieur ou égal à 10° avec la perpendiculaire à l'axe des tubes (3).
5. Échangeur de chaleur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'angle (a) est supérieur ou égal à 0,5° et inférieur ou égal à 5°.
6. Échangeur de chaleur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les ailettes (4) sont planes.
7. Échangeur de chaleur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les ailettes (4) sont courbes.
8. Échangeur de chaleur (1) l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une boîte à eau (5) disposée à chaque extrémité des tubes (3) et qu'il comporte des caches (6) recouvrant l'espace non occupé par les ailettes (4) entre les ailettes (4) d'extrémités d'un même groupe de tubes (3) et lesdites boîtes à eau (5).
9. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur (1) mécanique comportant
0 des tubes (3) parallèles les uns avec les autres et dans lesquels un premier fluide caloporteur est apte à circuler, et
0 au moins une superposition d'ailettes (4) comportant des orifices (40) par lesquels passent des tubes (3),
ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
• mise en place de tubes (3) en au moins un groupe de tubes (3), lesdits tubes (3) d'un même groupe de tubes (3) étant disposés parallèlement les uns aux autres avec un décalage de position longitudinale, les extrémités des tubes étant reliées par une ligne qui forme avec une perpendiculaire à l'axe des tubes (3), un angle différent de 0°,
• fixation des tubes (3) aux ailettes (4), • alignement sous contrainte des extrémités des tubes (3) de sorte que les extrémités desdits tubes (3) soient alignés avec une perpendiculaire à l'axe des tubes (3).
10. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, dans l'étape de mise en place des tubes (3), la ligne reliant les extrémités de tubes (3) d'un même rang au sein d'un même groupe de tubes, a un angle (α') supérieur ou égal à 0,5° et inférieur ou égal à 10° avec la perpendiculaire à l'axe des tubes (3).
11. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que, lors de l'étape de mise en place de tubes (3), la ligne reliant les extrémités des tubes (3) d'un même rang au sein d'un même groupe de tubes (3), a un angle (α') supérieur à 0,5° et inférieur ou égal à 5° avec la perpendiculaire à l'axe des tubes (3).
12. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que, dans l'étape de mise en place des tubes (3), la ligne reliant les extrémités des tubes (3) d'un même groupe de tubes (3) est une droite.
13. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que, dans l'étape de mise en place des tubes (3), la ligne reliant les extrémités des tubes (3) d'un même groupe de tube (3) est une courbe.
14. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce qu'il comporte, suite à l'étape d'alignement sous contrainte, une étape de mise en place de boites à eau (5) sur les extrémités des tubes (3) et de mise en place de caches (6) recouvrant l'espace non occupé par les ailettes (4) entre les ailettes (4) aux extrémités d'un même groupe de tubes (3) et lesdites boîtes à eau (5).
15. Dispositif de fabrication pour la mise en œuvre du procédé de fabrication selon l'une des revendications 12 à 14, caractérisé en ce qu'il comporte des sabots d'alignement destinés à appuyer sur les extrémités des tubes (3) de sorte que les extrémités desdits tubes (3) passent d'une position longitudinale décalée à une position alignée où les extrémités desdits tubes (3) sont alignées avec la perpendiculaire à l'axe des tubes (3).
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