EGHANGEUR DE CHALEUR A AILETTES EN PARTICULIER POUR CONVECTEUR DE CHAUFFAGE DOMESTIQUE

La présente invention a pour objet un ëchan- geur de chaleur à ailettes, en particulier pour convec- teur, échangeur comportant un collecteur-distributeur de calories ayant sensiblement la forme d'un tube à l'intérieur duquel est disposé un moyen calorigène ou frigorigène, ledit collect'eur-distributeur comportant a moins deux branches rectilignes parallèles entre elles, des ailettes étant disposées transversalement par rappo aux deux branches dudit collecteur-distributeur. L'inve tion concerne également le positionnement de ces échan- geurs à l'intérieur des convecteurs de chauffage.

Des ëchangeurs de chaleur à ailettes sont con nus depuis longtemps. Ils trouvent leur application dan tous les domaines où l'on recherche un échange de chale par exemple mais non limitativement les convecteurs de chauffage domestique.

Les ailettes transversales sont' supportées en au moins un point par le moyen calorigène qu'elles en¬ tourent. Les ailettes déterminent entre elles des zones d'échange avec un flux gazeux en se réchauffant.

On peut utiliser comme moyen calorigène soit tube dans ^' . lequel circule par exemple de l'eau chaude ré chauffée, soit une résistance chauffante ce de manière on limitative. Les disposi ifs proposes jusqu'à présent présen

tent de multiples inconvénients .

Tout d'abord, de par leur structure même, ils con¬ duisent dans les convecteurs à une répartition irrégulière de températures de sortie. En effet les ailettes débordent laté- rale ent par rapport au tube renfermant le moyen calorigène qui est disposé en position telle que le tube soit horizontal Il s'ensuit la formation d'un gradient de température indési¬ rable en sortie de convecteur.

D'autre part les échangeurs connus sont tous de con ception complexe, ne permettant en outre leur positionnement que dans des convecteurs de dimensions relativement grandes, particulier en largeur.

C'est le cas notamment des échangeurs décrits dans le brevet français 997808 qui ne peuvent en aucun cas être ut lises pour les convecteurs, car leur structure ne leur permet pas d'être traversés par le flux gazeux. I'is sonten outre d'u concept-ion d'assemblage complexe.

Enfin, ils ne sont pas prévus pour recevoir une ré¬ sistance électrique ou un autre moyen calorigène tel que par exemple un tube de cuivre.

La présente invention a pour objet de pallier ces inconvénients en proposant un échangeur de chaleur du type décrit ci-dessus, permettant :

- un positionnement optimal dans un convecteur de faibles dimensions ;

- une répartition uniforme des températures de sor¬ tie d'air du convecteur.

- des températures des parois de l'habillage nette¬ ment inférieures à celles des sorties d'air et que l'on peut faire varier ;

- une augmentation du rendement de l'appareil. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu avec un échangeur de chaleur à ailettes, en particulier pour convecteur, échangeur comportant un collecteur-distributeur de calories ou frigories ayant sensiblement la forme d'un

tube, à l'intérieur duquel est disposé un moyen calorigène ou frigorigène, ledit collecteur-distributeur comportant au moins deux branches rectilignes parallèles entre elles, des ailettes étant disposées transversalement par rapport aux branches dudit tube, caractérisé en ce que les ailettes transversales sont de forme polygonale, les branches du collecteur-distributeur étant disposées à deux sommets op¬ posés de chacune des ailettes, lesdites ailettes ne débordant pas latéralement des branches du collecteur-distributeur vers l'extérieur de l'échangeur et se raccordant à celles- ci selon un plan incliné, et que le flux gazeux traverse la structure de l'échangeur par des intervalles entre les branches du collecteur-distributeur et entre les ailettes. On comprendra que cette structure apporte de mul- tiples avantages.

Tout d'abord les ailettes ne débordent pas latéra¬ lement des branches du collecteur-distributeur, ce qui permet un positionnement optimal de l'échangeur dans un convecteur. Ceci sera explicité ultérieurement. D'autre part, puisque les ailettes ont une forme générale polygonale, elles se raccordent aux branches du collecteur-distributeur selon un plan incliné, ce qui réalise en fait une section tronquée de l'échangeur sur chacune de ses arêtes. De cette manière, et conformément à une seconde caractéristique de l'invention, l'échangeur peut être disposé incliné dans le convecteur, par exemple d'un angle de 30° a 60° .

C'est cette orientation de l'échangeur et sa structure qui permettent de modifier la répartition des températures de sortie par rapport aux convecteurs connus, pour conduire a une répartition quasi uniforme et faire varier aussi les températures de surface des parois de l'habillage du convecteur.

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De manière avantageuse, l'échangeur sera réalisé en deux 1/2 coques moulées, les ailettes et les branches du collecteur-distributeur en forme de 1/2 tube hëmicylindrique étant venues de moulage. Dans ce cas les ailettes affecteront prêférentiel- lement une structure trapézoïdale.

Selon un mode avantageux de mise en oeuvre, les zones d'échanges de chacune des 1/2 coques correspondront seu¬ lement à une portion d'hëmicylindre , de manière telle que lors du montage le moyen calorigène puisse être enserré de manière optimale pour l'échange thermique avec le collecteur-dis ri¬ buteur ainsi formé par la réunion des deux portions en forme de 1/2 tube hé icylindrique .

Avantageusement il sera réalisé en aluminium, qui présente l'avantage de ne faire aucun bruit en fonctionnant, en particulier lors de la montée en température. La trans¬ mission de la chaleur est également bien meilleure avec l'alu¬ minium.

Selon un mode de mise en oeuvre, les deux coques formant l'échangeur pourront être identiques, ce qui nécessi¬ tera l'utilisation d'un seul et même moule pour leur réali¬ sation.

Dans ce cas les ailettes des deux coques sont par¬ faitement alignées. Pour des raisons de fonderie, les ailettes de chaque demi coque auront généralement un profil tronconique identique. La réunion des deux ensembles d'ailettes en vis à. vis l'un de l'autre forme une succession de Venturi traversés par le flux gazeux.

Selon une variante, on peut prévoir de décaler les ailettes d'une 1/2 coque par rapport à celles de l'autre 1/2 coque. De cette manière on augmente le nombre de bords d'atta¬ que ce qui bien évidemment augmente le rendement de l'échange. On peut évaluer ce gain à 20% en puissance environ.

Dans ce cas et de manière à permettre l'écoulement du flux gazeux au tra ers des chicanes formées par les ailet-

tes , celles-ci comporteront un évidement oblong à leur base.

Avantageusement, les ailettes décalées présente¬ ront un effilage en forme de bord d'attaque d'aile d'avion.

L'échangeur conforme à l'invention pourra être con- çu de manière modulaire, en proposant des extensions (rallon¬ ges) qui peuvent être rapportées en extrémité de manière à obtenir des échangeurs de longueur variable.

Enfin, le collecteur-distributeur pourra affecter un profil en U. Dans ce cas l'entrée et la sortie du moyen ca lorigène se font du même coté sur l'élément d'ëchangeur con¬ cerné .

De manière à permettre une meilleure évacuation the mique au ^' niveau de l'arrondi du U, on prévoiera une ailette supplémentaire reliée par des ponts de métal de grande épais- seur délimitant entre eux des ajourages. A ce niveau on pourr également, pour assurer un meilleur contact entre la zone d'échange et le moyen calorigène , révoir de disposer entre les deux éléments une substance de contact. En option cette substance peut être prévue sur toute la longueur de la zone d'échange du collecteur-distributeur.

Dans le cas d'un échangeur à eau, on peut également réaliser un assemblage des demi-coques sans trous d'assemblag On réalise dans ce cas un collage à froid. On prévoit alors dans le fond des demi-coques des barrettes ou bagues venues de fonderie, qui font office de cales d'épaisseur ou d'entre- toises pour obtenir l'épaisseur désirée de colle à froid, né¬ cessaire pour le collage. Bien entendu le collage peut être effectué en plein, sur toute la longueur des 1/2 coques pour augmenter l'échange thermique entre le collecteur-distributeur et le moyen calorigène.

A défaut de substance de contact la zone d'échange peut être peinte intérieurement en noir ou autre couleur ab- sorband bien le rayonnement du moyen calorigène.

On comprendra mieux l'invention à ^* l'aide de la description ci-après, en référence aux dessins annexés dans

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lesquels :

- la figure 1 est une vue en perspective des deux parties constitutives d'un échangeur à ailettes conforme à l'invention ; - la figure 2 illustre une résistance électrique autour de laquelle peut être disposé l'échangeur ;

- la figure 3 illustre une épingle en cuivre pour circulation d'un fluide autour de laquelle peut être disposé l'échangeur ; - la figure 4 représente une vue en élévation d'un demi échangeur normal ;

- la figure 4A est une coupe selon B-B de la figure 4 ;

- la figure 5 illustre les positions relatives et les structures possibles en coupe des ailettes ;

- l'a figure 5A représente une des structures des ailettes lorsqu'elles sont décalées ;

- la figure 6 est une vue en élévation d'un demi échangeur à ailettes décalées ; - la figure 6A est une coupe selon A-A de la figure 6 ;

- la figure 6B est une- coupe selon B-B de la figure 6 ;

- la figure 6C est une coupe selon C-C de la figure 6 ;

- la figure 7 représente un échangeur conforme à l'invention muni d'une extension. ;

- les figures 8 et 9 illustrent en coupe le posi¬ tionnement possible d'un ou plusieurs échangeurs conformes à l'invention dans un convecteur électrique ;

- les figures 10 à 17A et I7B illustrent en coupe le positionnement possible d'un ou plusieurs échangeurs con¬ formes à l'invention dans un convecteur électrique ou à circulation d'eau chaude par exemple ; - les figures 18A et 18B illustrent un assemblage

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de deux demi-coques par clip ;

- les figures 19A et 19B illustrent un clip pour l'assemblage d'un échangeur et d'une rallonge ;

- les figures 20A et 20B illustrent un assemblage par rivets venus de fonderie ;

- la figure 21A représente une vue en plan d'une demi-coque pouvant être assemblée par clip ;

- la figure 21B est une coupe selon-D-D de la figure 21A. On se référera tout d'abord à la figure 1.

L'échangeur conforme à l'invention se compose de deux coques (1) et (2) . Ces deux coques sont assemblées entre elles par tout moyen adéquat, vissage, collage, boulon rivetage, colliers, clips, collage à froid, rivets venus de foτaderie .

Chaque coque comporte essentiellement deux éléments à savoir :

- un demi collecteur-distributeur (3) en forme de demi-tube hémicylindrique en forme de U ou rectiligne comme (40) ;

- des ailettes transversales (4) .

Comme on peut le voir à la figure 1 , les ailettes sont de section polygonale et ne débordent pas latéralement des branches du collecteur-distributeur qui constitue la zone d'échange.

Dans la partie courbée (5) du U, les ailettes con¬ servent exactement le même positionnement que au niveau des branches et restent parallèles entre elles .

Les ailettes déterminent entre elles sur toute la largeur de l'échangeur des intervalles (6) au travers des¬ quels circule de l'air venant au contact des surfaces d'échan

Les ailettes présentent dans leur zone de jonction avec les demi-tubes (3) des arêtes tronquées (7,8) .

On a représenté à la figure 2 une résistance élec- trique (9) pouvant être utilisée comme moyen calorigène.

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De la même manière on a représenté à la figure 3 une épingle (10) en tube par exemple de cuivre pouvant être disposée dans les demi-tubes (3), épingle à l'intérieur de laquelle on établit une circulation d'un fluide calorigène (ou frigorigëne) , par exemple de l'eau chaude.

L'échangeur tel que décrit à la figure 1 sera très avantageusement réalisé en aluminium, les ailettes et les demi-tubes auxquels elles se raccordent étant venus de mou¬ lage. Dans l'exemple illustré à la figure 1 les deux coques (1) et (2) sont identiques et peuvent donc être obtenues a partir d'un seul et même moule.

Avec le demi-êchangeur (11) représenté a. la figure 6, on peut réaliser un montage sensiblement différent au ni¬ veau du positionnement relatif des ailettes d'une coque par rapport aux ailettes de l'autre coque.

La plupart des ailettes auront dans ce cas le profil normal (12) représenté à la coupe 6C.

Par contre l'ailette (13) représentée en co-upe 6A aura une structure légèrement modifiée de manière à permettre la fixation des deux coques. On y prévoiera aussi deux trous d'assemblage (14,15) .

Toujours dans ces cas certaines ailettes centrales (16), représentées par la coupe 6B, devront également permettre le positionnement de trous d'assemblage (17,18) qui se trouvent dans l'axe et aux extrémités de l'ailette entre le corps de celle-ci et le collecteur-distributeur.

Pour l'échangeur normal c'est-à-dire non décalé tel que représente par les figures 1 et 4 des trous d'assem¬ blage (46) sont disposés entre deux ailettes dans une épaisseur de métal faisant corps avec les deux ailettes et la partie in¬ térieure du collecteur-distributeur.

On a représenté sur la figure 5 un certain nombre de variantes possibles au niveau de la structure et du position nement relatif des ailettes. Dans le cas le plus simple, les demi-ailettes de

chaque coque seront disposées symétriquement et en vis à vis l'une de l'autre, ce qui est illustré par l'assemblage (19) .

Selon une variante, les demi-ailettes seront dis¬ posées en quinconce, avec un décalage latéral selon un pas donné, par exemple un demi-pas. Ceci est illustré clairement à la figure 5.

Les ailettes pourront avoir toute section possible. Des ailettes classiques (20) pourront également se présenter sous la forme d'ailettes raccourcies (21) . D'autre .part on pourra également utiliser des ailettes effilées, telles que celles référencées (22). Les ailettes raccourcies (21), re¬ présentées à la figure 5A, autorisent un meilleur passage du flux d'air au travers de l'échangeur notamment par leur évidement oblong. Les avantages de cette structure des échangeurs con formes à l'invention apparaîtront clairement dans les exemples ci-après illustrant leur utilisation, préférentielle mais non limitative, dans des convecteurs de chaleur à usage domestiqu Aux figures 8 et 9, on a représenté le positionnemen possible de un ou plusieurs échangeurs dans le cas d'un convec¬ teur électrique.

Pour des raisons de normes de sécurité les tubes (3) doivent être disposés à une distance minimale des parois (23, 24) des convecteurs, et à une distance minimale également l'un de l'autre, ce qui est représenté en figure 9, à la partie centrale (25) .

Le positionnement de la figure 8 montre l'intérêt de la structure conforme à l'invention, dans laquelle les ai¬ lettes sont tronquées et ne débordent pas par rapport à la zon d'échange. On peut ainsi positionner l'échangeur avec une cer¬ taine inclinaison et on réalise en même temps un gain de place appréciable en largeur tout en augmentant les performances au niveau du rendement et de la répartition des températures.

Suivant l'angle d'inclinaison choisi pour positionne l'échangeur dans son habillage, les ailettes seront disposées

de manière telle que les côtés du trapèze (50) soient bien parallèles aux parois de l'habillage (23 et 24), afin que les ailettes ne débordent pas de la zone d'échange délimitée par le collecteur-distributeur. Eventuellement on peut admettre que les pointes (51) Fig.ll des ailettes soient à l'intérieur de la zone d'échange, mais en principe jamais à l'extérieur.

Le positionnemnet de la figure 8 peut être repris pour un convecteur à eau chaude, à la seule différence que dans ce cas il n'est pas nécessaire de laisser subsister un i tervalle entre les tubes de circulation (3) et les parois (23) et (24) .

La disposition de la figure 9 représente deux échan¬ geurs électriques conformes à l'invention disposés en aligne¬ ment. La zone (25) sera la plus étroite possible compatible avec le bon fonctionnement, de manière à limiter la circula¬ tion d'air entre les deux tubes (26,27), celle-ci devant pré- fërentiellement s'opérer entre les deux branches d'un même échangeur .

Aux figures 10 à 16, on a représenté des dispositio d'échangeurs pour convecteur à eau chaude.

Aux figures 10 et 12, les échangeurs sont disposés l'un sous l'autre et parallèlement entre eux :

- avec une simple batterie de deux échangeurs à la figure 10, les tubes (28,29) étant parallèles et leurs branch étant dans un même plan vertical ;

- avec une double batterie de deux échangeurs à la figure 12, ceux-ci s 'imbriquant de manière telle que les tube supérieurs (30,31) de deux échangeurs soient dans un même pla vertical médian que les tubes inférieurs (32,33) des deux aut échangeurs.

Aux figures 11 et 13, les échangeurs sont disposés symétriquement par rapport à un plan horizontal :

- avec une simple batterie de deux échangeurs à la figure 11 ; - avec une double batterie de deux échangeurs à la

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figure 13.

Cette disposition n ' es rendue possible que du fait de la structure tronquée des ailettes.

On notera ici encore que le tube inférieur (34) et le tube supérieur (35) des échangeurs d'une même batterie sont alignés dans un plan vertical médian avec le tube supé¬ rieur (36) et le tube inférieur (37) des échangeurs de la seconde batterie.

Enfin on a représenté : - à la figure 14 une disposition en losange de quatre échangeurs conformes à l'invention, chacun étant incli né conformément à l'une des caractéristiques de l'invention ;

- à la figure 15 une disposition en étoile de quatr échangeurs conformes à l'invention ; - à la figure 16 une disposition en V de quatre échangeurs conformes à l'invention.

On a représenté, enfin aux figures 17A et 17B deux échangeurs pour convecteur . électrique , disposés l'un au-dessus de l'autre. On illustre ainsi le décalage qu'il faut respecter pour autoriser toujours un passage d'air frais selon la flèche F. La figure 17B illustre le cas extrême.

On réalise donc bien dans tous les cas de figure la répartition homogène des températures de sortie en haut des convectuers .

On se référera maintenant à la figure 7. En extré¬ mité libre (38) d'un échangeur conforme à l'invention, c'est- à-dire à l'extrémité opposée à la partie courbée du U, on peut rapporter une extension (39) formant rallonge et comportant essentiellement deux demi-tubes rectilignes (40) , ouverts à chacune de leurs extrémités latérales, et des ailettes trans¬ versales (41) de même structure et obéissant aux mêmes règles de construction que les ailettes décrites dans les paragraphes précédents . Les résistances électriques à y incorporer ou les

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tubes en épingle seront modifiés en conséquence. Ces rallonges sont composées de deux 1/2 coques identiques. On peut ainsi de manière modulaire réaliser des échangeurs à la dimension exac¬ te désirée à partir d'un élément d'extrémité intégrant la par- tie courbe du U du collecteur-distributeur et d'extensions permettant de rallonger les branches du collecteur-distribu¬ teur en U.

Pour réaliser au mieux cet assemblage, des extré¬ mités mâles (47) de l'élément de la Fig. 7 viennent s'encastre dans des troncs de cônes (48) récepteurs représentés sur les Fig. 4 et 6. D'une façon avantageuse les 4 demi-trous (49) de la fig. 7 enserreront au montage deux tiges cylindriques équipées à chaque extrémité entre la première et la deuxième ailette de part et d'autre des points d'assemblage, par exe - pie de rondelles d'arrêt qui serviront à maintenir cet assem¬ blage dans le sens longitudinal pour bien le serrer éventuel¬ lement. Les extrémités femelles des extensions sont aussi pourvues de troncs de cônes (48) afin de recevoir de la même façon des extensions et former ainsi des échangeurs de longueur variable.

^" Dans la réalisation de la figure 15, la récupération des calories d'une part et toute la zone d'échange et leur éva cuation d'autre part plus particulièrement dans la partie ar¬ rondie du tube en U sont optimales . Ainsi, comme on peut le voir à la figure 4A, les deu éléments dont la jonction constitue la zone d'échange corres¬ pondent seulement à une portion d'hêmicylindre (écart X-X) . Ainsi au montage on peut produire un serrage plus ou moins im¬ portant du moyen calorigène et donc améliorer le contact et 1 ' échange.

D'autre part l'évacuation est améliorée à l'arrondi du tube en U par une ailette supplémentaire (42) , reliée au corps de l'échangeur par des ponts de matière (43,44) de grand épaisseur déterminant entre eux un ou plusieurs ajourages (45) Enfin, la première et la dernière demi-ailette de

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chaque coque d' échangeur ou d'extension comportent des trous (52) représentés sur les figures 1 et 7 utiles pour sus¬ pendre ou fixer l'échangeur dans la position désirée. L'on peut aussi avoir recours a d'autres moyens, notamment par colliers, pièces de forme, etc... enserrant soit des ailettes ou les branches du collecteur-distributeur ou les ponts de métal faisant corps avec la dernière ailette.

On s'attachera maintenant à décrire le's différentes possibilités d'assemblage de l'échangeur. Précédemment, on a décrit ci-dessus des trous d'assemblage (17,18) sur les demi-coques pour assembler les demi-coques par exemple par vissage.

A la figure 18A, on a repésenté deux demi-coques (101), (102) reliées entre elles par un clip-ressort (103), la position finale étant représentée à la figure 18B .

La suppression dès ponts de matière entre ailettes, ponts destinés à l'assemblage dans le brevet principal, se traduit par un gain de place dans le passage du flux d'air et par une augmentation du rendement, qui peut être évaluée à environ 4 %. Ceci apparait à la figure 21A.

En bout d'ëchangeur, celui-ci comportera des rai¬ nures (107) représentées à la figure 21B, dans lesquelles se logeront les extrémités libres du clip. On notera sur cette vue que les ailettes peuvent avoir une section en trapèze non isocèle (112) en fonction de l'inclinaison de l'échangeur. L'utilisation d'un clip-ressort permet en outre un montage aisé, donc un gain intéressant au niveau de fabri¬ cation, ainsi qu'une maintenance aisée, le démontage étant très simple. Le clip sera en acier spécial inoxydable, par exemple en acier à durcissement structural, du fait des hautes températures mises en oeuvre (de l'ordre de 350°C) .

Selon le mode de mise en oeuvre des figures 19A et 19B, on réalise également des clips de jonction (108)

entre un échangeur et une rallonge.

Le clip comporte une branche élastique (109) et deux pattes latérales (110,111) représentées en vue de côté a la figure 19B. Le clip de jonction sert en outre à éviter que les deux éléments assemblés se séparent et se cintrent.

On a représenté enfin aux figures 20A et 20B un assemblage de structure sensiblement différente, dans lequel des rivets (104) venus de fonderie coopèrent avec un trou d'assemblage (105) de l'autre demi-coque. Cette structure permet de conserver la symétrie des demi-coques identique.

En fonderie on réalisera sur les demi-coques un t ton (106) qui sera ensuite riveté comme représenté à la figure 2. Enfin, pour rendre l'échangeur plus performant, un traitement de surface pourra être appliqué extérieurement, par exemple peinture, anodisation, grenaillage, etc..., ceci non limitativement, afin d'augmenter le rayonnement.