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Patent Searching and Data


Title:
HEAT EXCHANGER WITH IMPROVED TUBES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/207178
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a heat exchanger (10) comprising at least one tube (12) and at least one fin (14), the tube (12) being connected to the fin (14) by the clamping of this tube (12) in a collar formed in the fin (14). The tube comprises a material (22) in contact with the collar, referred to as ductile, and means (23) of reinforcing the tube (12). The ductile material (22) is plastically deformed on contact with the collar, unlike the reinforcing means (23).

Inventors:
DE VAULX, Cédric (8 rue des Baux, Maurepas, 78310, FR)
AZZOUZ, Kamel (84 rue de Reuilly, Paris, 75012, FR)
Application Number:
EP2016/064341
Publication Date:
December 29, 2016
Filing Date:
June 22, 2016
Export Citation:
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Assignee:
VALEO SYSTEMES THERMIQUES (8 rue Louis Lormand, La Verrière, Le Mesnil Saint Denis, 78320, FR)
International Classes:
F28F1/32; B21D39/06; B21D53/08
Domestic Patent References:
2004-03-04
Foreign References:
JPH01239390A1989-09-25
JPH04253534A1992-09-09
DE102006000736A12007-07-05
JP2001221587A2001-08-17
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
NEUVIALE, Bertrand (Valeo Systèmes Thermiques, Propriété Industrielle8 rue Louis Lorman, La Verrière Le Mesnil Saint-Denis, 78320, FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1 . Echangeur de chaleur comprenant au moins un tube (12) et au moins une ailette (14), le tube (12) étant relié à l'ailette (14) par serrage de ce tube (12) dans un collet (16) ménagé dans l'ailette (14), caractérisé en ce que le tube (12) comprend un matériau (22 ; 26 ; 30 ; 36) en contact avec le collet (16), dit ductile, et des moyens de renfort (23 ; 28 ; 30 ; 38) du tube (12), le matériau ductile (22 ; 26 ; 30 ; 36) étant déformé plastiquement au contact du collet (16) contrairement aux moyens de renfort (23 ; 28 ; 30 ; 38).

2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 , dans lequel les moyens de renfort comprennent des fibres (38) ou des particules noyées dans le matériau ductile (36).

3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 , dans lequel les moyens de renfort comprennent une couche interne (23) du tube (12) plus rigide que le matériau ductile, ce matériau ductile formant une couche externe (22) du tube (12).

4. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, dans lequel la couche interne (23) est réalisée dans un alliage comprenant essentiellement de l'aluminium et la couche externe (22) est réalisée dans un alliage comprenant au moins un composant choisi parmi : le cuivre, le molybdène, le cadmium, l'argent, l'or, le plomb, le platine, le zinc et le nickel.

5. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 , dans lequel le tube (12) comprend des tubes interne (28) et externe (26) coaxiaux, le tube interne (28) formant les moyens de renfort, le tube externe (26) étant formé dans le matériau ductile, le matériau ductile étant formé par un même matériau que celui formant le tube interne (28) qui a subi un traitement thermique le rendant plus ductile que le matériau formant le tube interne (28)

6. Echangeur de chaleur selon la revendication 5, dans lequel le traitement thermique est un recuit.

7. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 , dans lequel le tube (12) présente un gradient de ductilité (30) continu dans son épaisseur.

8. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel le matériau ductile comprend essentiellement de l'aluminium.

Description:
Echangeur de chaleur à tubes améliorés

La présente invention concerne un échangeur de chaleur, et plus particulièrement des tubes pour échangeur de chaleur de type mécanique.

Un échangeur de chaleur comprend généralement des tubes, dans lesquels un fluide caloporteur est destiné à circuler, et des éléments d'échange de chaleur reliés à ces tubes.

Pour des raisons de gain de poids, il est connu de réaliser les tubes et les éléments d'échange de chaleur dans un même alliage d'aluminium.

On distingue habituellement des échangeurs de chaleur de type brasé et de type mécanique selon leur procédé de fabrication.

Ainsi, dans un échangeur de chaleur de type brasé, les éléments d'échange de chaleur sont reliés aux tubes par brassage. En revanche, dans un échangeur de chaleur de type mécanique, les éléments d'échange de chaleur sont reliés aux tubes par sertissage, sans brasure, c'est-à-dire sans apport de matière.

Plus particulièrement, dans un échangeur de chaleur de type brasé, les éléments d'échange de chaleur, appelés dans ce cas « intercalaires », sont reliés aux tubes de la façon suivante. On revêt chaque tube d'une couche de brasure. Puis, on place les tubes et les intercalaires dans un support commun en les agençant les uns par rapport aux autres dans leurs positions relatives sensiblement définitives. Ce support est nécessaire pour maintenir entre eux les tubes et les intercalaires car ces derniers ne sont pas encore reliés entre eux. Enfin, on place l'ensemble comprenant le support et les différents éléments qu'il contient dans un four de façon à chauffer cet ensemble, provoquer la fusion de la brasure et ainsi relier les tubes et les intercalaires entre eux. On notera que cette dernière étape de chauffage se fait en atmosphère neutre et confinée.

Par ailleurs, dans un échangeur de chaleur de type mécanique, les éléments d'échange de chaleur, appelés dans ce cas « ailettes », sont reliés aux tubes de la façon suivante. Tout d'abord, on forme dans les ailettes des trous de passage des tubes. Ces trous de passage sont généralement délimités chacun par un bord tombé formant un col. Puis, on dispose les ailettes sensiblement parallèlement entre elles et on enfile chaque tube dans une série de trous alignés des ailettes. Enfin, on provoque une expansion radiale des tubes en passant un outil d'expansion à l'intérieur de ces tubes de façon à lier mécaniquement les tubes et les ailettes par sertissage, les cols délimitant les trous de passage des tubes formant alors des collets serrés autour les tubes.

Le procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur de type mécanique ne requiert donc pas, pour l'assemblage des ailettes et des tubes entre eux, de brasure, c'est-à-dire d'apport de matière. Par ailleurs un tel procédé ne comporte pas d'étape complexe de chauffage dans une atmosphère neutre et confinée.

Par conséquent, un échangeur de chaleur de type mécanique est généralement moins cher à fabriquer qu'un échangeur de chaleur de type brasé.

Cependant, dans un échangeur de chaleur de type mécanique, on observe dans certains cas des défauts de contact entre les tubes et les cols des ailettes serrés autour des tubes. En effet, lors de l'expansion radiale des tubes, ces derniers, en se déformant, tendent à élargir les cols délimitant les trous de passage des tubes dans les ailettes. Or, l'expansion radiale des tubes est suivie d'un léger retour élastique des tubes en sens inverse de l'expansion. Cet effet de retour élastique est d'autant plus marqué que l'épaisseur des ailettes est réduite pour les alléger et économiser de la matière.

La combinaison des effets d'élargissement des cols délimitant les trous de passage des tubes dans les ailettes et de retour radial élastique des tubes peut conduire à l'apparition d'interstices indésirables entre les tubes et les cols des ailettes. Ces interstices forment des passages d'air réduisant les performances de l'échangeur de chaleur, car l'air est un mauvais conducteur de chaleur.

Pour remédier à cet inconvénient, on a proposé dans l'état de la technique, notamment dans JPH01239390, d'intercaler des rondelles en matériau à mémoire de forme entre les ailettes et les tubes qu'elles entourent afin d'optimiser le contact entre les tubes et les cols délimitant les trous de passage de ces tubes dans les ailettes.

On a également proposé dans l'état de la technique, notamment dans JPS5952195, d'utiliser des tubes en matériau à mémoire de forme dont le diamètre augmente fortement à haute température, ce qui a pour effet de combler les interstices.

Ces solutions proposées dans l'état de la technique sont toutefois complexes à mettre en œuvre et relativement coûteuses.

L'invention a pour but de supprimer autant que possible les interstices indésirables entre les tubes et les ailettes serrées autour des tubes d'un échangeur de chaleur de type mécanique, sans avoir à modifier notablement le procédé de fabrication de cet échangeur de chaleur, ceci avec des moyens peu coûteux n'entraînant pas la fragilisation de la structure du tube.

A cet effet, l'invention a pour objet un échangeur de chaleur comprenant au moins un tube et au moins une ailette, le tube étant relié à l'ailette par serrage de ce tube dans un collet ménagé dans l'ailette,

caractérisé en ce que le tube comprend un matériau en contact avec le collet, dit ductile, et des moyens de renfort du tube, le matériau ductile étant déformé plastiquement au contact du collet contrairement aux moyens de renfort.

Dans l'échangeur de chaleur selon l'invention, les ailettes sont reliées aux tubes par sertissage, comme cela est habituel pour un échangeur de chaleur de type mécanique.

On conserve donc les principales étapes d'un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur de type mécanique.

Par ailleurs, on observe que le matériau ductile déformé plastiquement au contact du collet réduit, voire empêche, l'apparition d'interstices entre le tube et l'ailette dans laquelle est ménagé le collet.

Par ailleurs, la présence des moyens de renfort, qui eux ne se déforment pas plastiquement, permet de conserver une bonne résistance mécanique du tube.

Ainsi, la présence conjointe du matériau ductile et des moyens de renfort permet d'assurer un contact continu entre l'ailette et la surface externe du tube, sans que la résistance mécanique de l'échangeur n'en soit affectée.

Les performances de l'échangeur de chaleur s'en trouvent grandement améliorées. On a pu constater une économie de puissance de l'ordre de 8% en moyenne et de l'ordre de 15% en cas de flux important du fluide circulant dans le tube.

Selon un premier mode de réalisation de l'invention, les moyens de renfort comprennent des fibres ou des particules noyées dans le matériau ductile.

Les fibres sont par exemple orientées dans la direction longitudinale du tube lorsque celui-ci a une forme générale allongée.

Les particules peuvent par exemple être réparties de façon homogène dans l'épaisseur et/ou la longueur du tube, ou encore concentrées vers la surface interne du tube.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les moyens de renfort comprennent une couche interne du tube plus rigide que le matériau ductile, ce matériau ductile formant une couche externe du tube.

Ce mode de réalisation présente l'avantage d'une grande simplicité de mise en œuvre. Les modes d'application peuvent par exemple inclure des techniques de dépôt chimiques ou mécanique. Par exemple, on pourra utiliser une technique de dépôt choisie parmi : l'électrodéposition, le dépôt physique par phase vapeur, le dépôt chimique par phase vapeur, l'enrobage et le co-laminage.

Avantageusement, la couche interne est réalisée dans un alliage comprenant essentiellement de l'aluminium et la couche externe est réalisée dans un alliage comprenant au moins un composant choisi parmi : le cuivre, le molybdène, le cadmium, l'argent, l'or, le plomb, le platine, le zinc et le nickel.

On entend par alliage comprenant essentiellement de l'aluminium un alliage comprenant une majorité de moles d'aluminium.

Les matériaux tels que proposés pour réaliser la couche externe présentent l'avantage d'être plus ductiles que les alliages comprenant essentiellement de l'aluminium. Ainsi, tandis que l'alliage d'aluminium de la couche interne ne se déformera pas plastiquement lors de l'expansion, la couche externe comprenant un des alliages ci-dessus sera déformée plastiquement pour éviter l'apparition d'interstices entre le tube et le collet.

En outre, les alliages prévus pour la couche externe ont une conductivité thermique élevée, propice à l'échange de chaleur entre le tube et chaque ailette.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le tube comprend des tubes interne et externe coaxiaux, le tube interne formant les moyens de renfort, le tube externe étant formé dans le matériau ductile, le matériau ductile étant formé par un même matériau que celui formant le tube interne qui a subi un traitement thermique le rendant plus ductile que le matériau formant le tube interne.

Dans ce cas, les moyens de renfort seront de préférence formés par un tube interne ajusté pour être emboîté dans un tube externe en matériau ductile, ce tube externe venant en contact avec l'ailette après l'expansion.

Dans une variante, le tube interne est emboîté dans le tube externe et leur solidarisation assurée au moment de l'expansion du tube par insertion d'un outil d'expansion dans le tube interne.

Ce mode de réalisation présente l'avantage de pouvoir utiliser sensiblement les mêmes matériaux pour les tubes interne et externe, le matériau du tube externe ne se distinguant du tube interne que par un traitement thermique.

Selon un mode particulier de réalisation lié au précédent, le traitement thermique est un recuit.

Selon un autre mode de réalisation, le tube présente un gradient de ductilité continu dans son épaisseur.

Cette propriété peut par exemple être obtenue par exposition d'une zone externe du tube à haute température (au-delà de 400°C pour la plupart des alliages, dont les alliages comprenant essentiellement de l'aluminium), avec circulation de fluide à basse température à l'intérieur du tube pour limiter réchauffement d'une zone interne du tube.

Le gradient de ductilité continu permet d'éviter l'apparition de discontinuités dans les propriétés mécaniques du tube, qui pourraient concentrer des contraintes ou générer des fragilités.

De préférence, le matériau ductile comprend essentiellement de l'aluminium, qui est un matériau à la fois léger, bon conducteur de chaleur, et aux propriétés de résistance mécaniques adaptées à la fonction d'échangeur de chaleur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins dans lesquels :

- la figure 1 est une vue en perspective d'un échangeur de chaleur comprenant un tube selon un premier mode de réalisation de l'invention ;

- la figure 2 est une vue de détail selon la flèche II de la figure 1 ;

- la figure 3 est une vue schématique en coupe transversale de la paroi du tube de la figure 1 ;

la figure 4 est une vue en perspective de la paroi d'un tube selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;

- la figure 5 est une vue en coupe transversale de la paroi d'un tube selon un troisième mode de réalisation de l'invention ;

la figure 6 est une vue schématique en coupe d'un tube selon un quatrième mode de réalisation de l'invention.

On a représenté sur les figures 1 et 2 un échangeur de chaleur selon un premier mode de réalisation invention désigné par la référence générale 10.

L'échangeur de chaleur 10 est destiné à équiper un véhicule automobile.

L'échangeur de chaleur 10 comprend des tubes 12, dans lesquels un fluide caloporteur classique est destiné à circuler, et des éléments d'échange de chaleur 14 reliés à ces tubes 12.

L'échangeur de chaleur 10 est de type mécanique. Plus particulièrement, les tubes 12 sont reliés aux éléments d'échange de chaleur, appelés dans ce cas ailettes 14, par serrage des tubes 12 dans des collets 16 ménagés dans les ailettes 14.

En effet, en se référant plus particulièrement à la figure 2, on voit que les ailettes 14 sont munies de trous 18 de passage des tubes 12. Ces trous de passage 18 sont délimités chacun par un bord tombé formant un col 20.

Dans l'exemple décrit, les tubes 12 ont chacun une forme générale allongée et comportent une section sensiblement ovale. Les tubes 12 sont agencés sensiblement parallèlement entre eux, de façon à former une rangée unique.

Les ailettes 14 ont une forme générale sensiblement plane et sont agencées dans l'échangeur de chaleur 10 de façon sensiblement parallèle entre elles et perpendiculaire aux directions longitudinales des tubes 12.

Chaque tube 12 est enfilé dans une série de trous 18 alignés des ailettes 14. Les tubes 12 sont sertis dans les cols 20 qu'ils traversent, si bien que ces cols 20 forment les collets 16.

Dans l'exemple illustré aux figures 1 à 3 chaque tube 12 est revêtu d'une couche externe 22 de matériau ductile en contact avec le collet 16.

Pour des raisons de clarté, on a représenté cette couche externe 22 de matériau ductile sur un seul des tubes 12 de la figure 1 .

Le tube 12 comprend également des moyens de renfort qui, dans ce mode de réalisation, sont une couche interne 23 du tube 12 plus rigide que le matériau ductile formant la couche externe 22.

La couche externe 22 de matériau ductile est déformée plastiquement au contact du collet 16, contrairement à la couche interne 23 qui n'est pas déformée plastiquement.

Comme on peut le voir sur la figure 2, dans certains cas, après sertissage d'un tube 12 dans un collet 16, il peut apparaître des hétérogénéités de déformation du tube 12 ou du collet 16 traversé par le tube 12. Ainsi, sur la figure 2, on a représenté des hétérogénéités 24 de déformation entre le tube 12 et le collet 16 qu'il entoure.

Lorsque la couche externe de matériau ductile 22 est déformée lors de l'expansion provoquée par insertion d'un outil d'expansion dans le tube 12, elle comble définitivement ces hétérogénéités 24.

Ainsi, la couche 22 en matériau ductile assure une jonction thermique de qualité entre le tube 12 et le collet 16, le tube 12 conservant par ailleurs une bonne résistance mécanique grâce aux moyens de renfort constitués par la couche interne 23.

Sur figure 3, on a représenté la couche externe 22 de matériau ductile qui est réalisée dans un matériau moins rigide que celui de la couche interne 23.

Le matériau ductile de la couche externe 22 est, dans cet exemple, distinct du matériau de la couche interne 23. Le matériau de la couche interne 23 est de préférence un alliage comprenant essentiellement de l'aluminium, tout comme les ailettes 14.

De préférence, la couche externe 22 est réalisée dans un alliage comprenant au moins un composant choisi parmi : le cuivre, le molybdène, le cadmium, l'argent, l'or, le plomb, le platine, le zinc et le nickel, et les ailettes 4 sont réalisées dans un alliage comprenant essentiellement de l'aluminium.

En effet, des alliages comprenant au moins un de ces composants subissent une déformation plastique dans les conditions habituelles d'assemblage d'un échangeur mécanique.

Ce mode de réalisation présente l'avantage d'une grande simplicité de mise en œuvre.

L'application de la couche externe 22 peut par exemple se faire à l'aide de techniques de dépôt chimiques ou mécaniques. Par exemple, on pourra utiliser une technique de dépôt choisie parmi : l'électrodéposition, le dépôt physique par phase vapeur, le dépôt chimique par phase vapeur, l'enrobage et le co-laminage.

Dans un autre mode de réalisation illustré à la figure 4, le tube 12 comprend un tube externe 26 réalisé en un matériau ductile en contact avec le collet 16, et un tube externe 28, le tube interne 28 formant les moyens de renfort. Les tubes interne 28 et externe 26 sont coaxiaux.

Un tel tube 12 peut être obtenu en insérant en force le tube interne 28 dans le tube externe 26 en matériau ductile. En effet, les tubes externe 26 et interne 28 sont ajustés pour s'emboîter l'un dans l'autre.

Dans une variante, le tube interne 28 est enfilé dans le tube externe 26 et leur solidarisation assurée au moment de l'expansion du tube par insertion d'un outil d'expansion dans le tube interne 28.

Le tube externe 26 et le tube interne 28 sont formés d'un même matériau. Le matériau dans lequel est réalisé le tube externe 26 a subi un traitement thermique le rendant plus ductile que le matériau formant le tube interne 28.

Ce traitement thermique supplémentaire vise à modifier les propriétés de l'alliage du tube externe 26 de manière à assurer sa déformation plastique lors de l'expansion. Il peut s'agir par exemple d'un recuit ou d'une trempe.

De façon préférentielle, le tube externe 26 est réalisé dans un alliage comprenant essentiellement de l'aluminium ayant subi un recuit, et le tube interne 28 est réalisé dans le même alliage n'ayant pas subi de recuit.

Dans un autre mode de réalisation présenté à la figure 5, le tube 12 est formé par une paroi présentant un gradient de ductilité 30 continu dans son épaisseur.

Ainsi, une zone externe 32 du tube 12 en contact avec le collet constitue un matériau ductile déformé plastiquement, tandis qu'une zone interne 34 du tube 12 constitue un moyen de renfort qui ne se déforme pas plastiquement.

Le gradient de ductilité 30 continu peut par exemple être obtenu par exposition de la zone externe à haute température (au-delà de 400°C pour la plupart des alliages, dont les alliages comprenant essentiellement de l'aluminium), avec circulation de fluide à basse température à l'intérieur du tube pour limiter réchauffement de la zone interne.

Dans un autre mode de réalisation illustré à la figure 6, le tube 12 est formé par une paroi comportant une matrice 36 en contact avec le collet 16 réalisée dans un premier matériau ductile déformé plastiquement. Des fibres de renfort 38, réalisées dans un matériau plus rigide que celui de la matrice 36, sont noyées dans cette matrice 36. Les fibres de renfort 38 ne se déforment pas plastiquement dans les conditions habituelles d'assemblage d'un échangeur mécanique.

Par exemple, la matrice 36 est réalisée dans un alliage d'aluminium ayant subi un recuit, et les fibres de renfort 38 sont réalisées en fibres de carbones revêtues de Nickel. Les fibres de carbones apportent la rigidité au matériau composite et le revêtement de Nickel prévient la formation de composés AI 4 C 3 . Une autre possibilité consiste à utiliser des fibres de renfort en céramiques (type Al 2 0 3 ).

Le nombre et la disposition des fibres 38, de même que le matériau rigide dans lequel elles sont formées, sont avantageusement choisis pour permettre une bonne résistance mécanique du tube 12 lors de l'expansion.

Les fibres de renfort 38 sont ici orientées selon la direction longitudinale du tube 12, qui correspond à une direction normale au plan de la figure 6. Les fibres 38 s'étendent de préférence sur toute la longueur du tube 12.

Selon une variante non représentée, les fibres de renfort 38 sont remplacées par des particules de renfort réalisées dans un matériau différent de celui de la matrice 36.

Les particules peuvent par exemple être réparties de façon homogène dans l'épaisseur et/ou la longueur du tube, ou encore concentrées vers la surface interne du tube.

L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier.

Par ailleurs, une combinaison des différents modes de réalisation peut également être envisagée pour obtenir les effets recherchés.