Brevet FR2214875A1 — publié le 19740819

L'invention, due à Manfred NONNENMANN, Günther KNIPP, Helmut BARDONG et Karl-Otto BENZ, concerne un échangeur de chaleur à faisceau tubulaire, comportant des tubes ronds et des caissons collecteurs destinés, en particulier, au circuit de refroidissement, ou au circuit de chauffage de véhicules, ou pour l'un et l'autre de ces circuits. Des échangeurs de chaleur à faisceau tubulaire, dans lesquels les deux extrémités des tubes sont fixées dans des fonds porte-tubes de caissons collecteurs ou de capacités à double enveloppe qui s'y raccordent, sont connus en divers types de construction. Dans des échangeurs de chaleur de ce genre, il se pose des problèmes particuliers en ce qui concerne la solidité de l'assemblage entre les tubes et les fonds porte-tubes d'une part, et la réalisation d'une étanchéité des ouvertures d'entrée des tubes suffisante pour le fluide qui y circule. Des dispositifs d'étanchéité entre tubes et fonds portet'ibes sont connus sous de nombreuses formes de réalisation. Dans de nombreux cas, on pose dans l'ouverture par laquelle entre le tube des joints d'étanchéité annulaires qui, lors de l'introduction du tube, se trouvent déplacés et partiellement déformés dans l'interstice annulaire. Dans les radiateurs tubulaires connus, la fixation des tubes au collecteur lui-même s'effectue au moyen d'une pièce d'étanchéité souple, de préférence élastique. Ce joint se trouve alors pressé contre le fond du collecteur par évasement du tube. I1 est en outre connu de prévoir, pour réaliser l'étan- chéité d'une ouverture de logement de tube dans une paroi, destinée à recevoir une extrémité de tube lisse et cylindrique, une ou plusieurs rainures annulaires ou hélicoïdales qu'on remplit d'une pâte à joints. Tous ces dispositifs d'étanchéité connus ntont cependant pas donné toute satisfaction en pratique. C'est pourquoi le but de l'invention est de réaliser un échangeur de chaleur à faisceau tubulaire comportant des tubes ronds et des caissons collecteurs, dans lequel on obtienne d'une façon simple, un assemblage étanche entre le faisceau de tubes et le fond, dans lequel on puisse sans difficulté remplacer les tubes, et dont le montage puisse se faire sans déformation des tubes, ni des fonds. Ce problème est résolu suivant l'invention pour un échangeur de chaleur du genre défini'au préambule, essentiellement par le fait que les dispositifs d'étanchéité entre les tubes et les fonds perforés sont constitués par des emboutis ou manchettes qui s'engagent dans des ouvertures desdits fonds, que lesdits dispositifs d'étanchéité sont disposés du côté extérieur des fonds et que, pour la fixation des tubes dans les fonds, il est prévu des dispositifs de bridage démontables. Les joints d'étanchéité suivant l'invention présentent un bord annulaire qui s'applique de l'extérieur contre le bord des ouvertures ménagées dans les fonds pour recevoir les tubes, et un collet qui entoure le tube ; le diamètre intérieur du collet est plus petit que le diamètre extérieur du tube, et l'ouverture prévue dans le fond présente une partie élargie ou gorge annulaire dont la dimension correspond sensiblement à la longueur du collet. Grâce à l'invention, il devient possible d'utiliser des caissons collecteurs totalement fermés. On peut aussi prévoir dans ces caissons collecteurs fermés des cloisons de séparation internes, qui sont en une seule pièce avec le couvercle et avec le fond. L'échangeur de chaleur peut facilement se démonter, par exemple pour remplacer un joint. En outre, il y a aussi une possibilité de resserrage en fonctionnement. L'objet de l'invention peut se réaliser de diverses manières. On comprendra mieux l'invention à partir de la description détaillée ci-après de certains de ses modes de réalisation, pris ici uniquement à titre d'exemples illustratifs et sans aucun caractère limitatif, description qui en fera ressortir encore d'autres avantages et caractéristiques, et qui en sera faite en se référant aux dessins schématiques annexés, dans lesquels la figure 1 représente, partiellement en coupe, un exemple de réalisation d'un échangeur de chaleur suivant l'invention la figure 2 est une coupe schématique d'un logement de tube dans un fond de caisson collecteur avec un joint d'étanchéité suivant l'invention la figure 3 est une coupe d'un détail partiel d'un exemple de réalisation différent la figure 4 montre encore un autre exemple de réalisation;; la figure 5 est une perspective cavalière d'un autre exemple de réalisation la figure 6 est une vue de face schématique de l'exemple de réalisation suivant la figure 5 la figure 7 est une vue en plan,partiellement en coupe, de l'exemple de réalisation suivant les figures 5 et 6 la figure 8 montre une autre variante de réalisation la figure 9 représente la fixation d'un tube dans un caisson collecteur au moyen d'éléments de bridage élastiques la figure 10 représente une variante de exemple de réalisation suivant la figure 9 ; la figure 11 est une vue en plan partielle de l'exemple de réalisation suivant la figure 10 la figure 12 montre un détail d'un caisson collecteur avec une forme particulière des entrées de tubes la figure 13 montre des détails de la configuration des bords d'un joint ; et la figure 14 représente une modification des exemples de réalisation suivant la figure 13. Dans l'exemple représenté schématiquement sur la figure 1, d'un échangeur de chaleur à faisceau tubulaire 1 suivant l'invention, il est prévu un certain nombre de tubes 6 qui sont munis d'ailettes de refroidissement 7, isolées ou en bandes continues. L'échangeur de chaleur 1 présente un caisson collecteur supérieur 2 avec un fond perforé 4 et un caisson collecteur inférieur 3 avec un fond perforé 5. C'est dans ces fonds 4 et 5 que sont montés les tubes 6. L'étanchéité est assurée par un élément d'étanchéité élastique 9 qui, au voisinage des entrées des tubes 6 dans les fonds 4 et 5, comporte des joints d'étanchéité 8. Les caissons collecteurs supérieur 2 et inférieur 3 sont reliés l'un à l'autre par des dispositifs de bridage 10. Dans l'exemple de réalisation suivant la figure 2, on voit un tube 6 qui présente une extrémité de forme conique 16. Dans le fond perforé 4 du caisson collecteur 2, il est prévu une gorge annulaire 13 avec une butée 13 1, le joint 8 présente un bord annulaire Il qui fait le tour d'une ouverture de logement de tube 15 pratiquée dans le fond 4 du caisson collecteur 2. Suivant une caractéristique avantageuse d'un joint 8 suivant l'invention, il est encore prévu en plus sur le bord de celui-ci un boudin ou bourrelet 14 qui, avant montage, se trouve du côté du bord annulaire 11 opposé au collet 12. On a indiqué sur la fig. 2, trois Positions différentes occupées successivement par le tube 6.Au moment de l'introduction du tube 6 dans l'ouverture de loaement de tube 15, le collet 12 et le bourrelet du bord 14 se trouvent déformés de telle sorte que, finalement, la gorge 13 se trouve totalement remplie ou que tout au moins sa partie inférieure est complètement remplie. On peut renforcer encore l'effet d'étanchéité si une première ailette 7 du tube 6 vient porter par en dessous contre le joint 8. Sur la figure 3, on a représenté schématiquement un exemple de réalisation suivant lequel le tube 6 présente une extrémité conique 16 et le fond porte-tubes 4 présente une paroi conique 13 à l'entrée de l'ouverture de logement de tube 15. Ici, l'angle d'ouverture du cône 16 du tube est plus grand que celui du cône formé par la paroi intérieure. Suivant un exemple de réalisation préféré, l'angle d'ouverture du cône du tube est de 5 à 25C environ, et celui de la paroi conique de l'entrée est égal à environ la moitié du précédent. Sur le croquis de détail de la fig. 4, on peut voir comment, avec un dimensionnement convenable du collet 12, la gorge annulaire 13 se trouve totalement remplie lors de l'introduction d'un tube 6 à extrémité conique 16. Sur les figures 5 à 7, on a représenté un autre exemple de réalisation suivant lequel les joints 8 sont constitués par une matière élastique qui peut s'injecter sous forme d'un produit ou pâte durcissable. A cet effets le caisson collecteur est de préférence réalisé en deux pièces, le fond se composant des pièces 17' et 17". Autour de chacune des ouvertures de logement de tubes 15 est disposé un canal circulaire 20, et tous ces canaux communiquent les uns avec les autres par des canaux de liaison 21. Sur la paroi extérieure du caisson collecteur 18, il est prévu un orifice d'injection 22. La ligne de séparation entre les deux parties du fond du caisson collecteur suit opportunément un tracé en zigzag qui relie les canaux annulaires 20. Au montage, on rapproche de part et d'autre les deux moitiés pour leur faire enserrer les extrémités du faisceau de tubes. Ensuite, on injecte la pâte à joint qui, en faisant prise ou en durcissant, réalise l'étanchéité. La pièce formant couvercle 19 du caisson collecteur 18 est opportunément partagée suivant une arête de raccordement située dans un plan 23. Si le couvercle 19 du caisson collecteur et son fond 17', 17" sont réalisés sé parément, il est opportun de prévoir dans la zone où ces éléments sont en contact, une gorge annulaire (non représentée), qui est en communication avec l'orifice d'injection 22, si bien que l'étanchéité est réalisée en une seule opération, non seulement entre les tubes 6 et les éléments de fond 17', 17", mais aussi à l'assemblage entre le fond et la partie supérieure du caisson collecteur. Dans la variante de réalisation représentée sur la fig. 8, la face inférieure du fond 25 d'un caisson collecteur 24 présente des évidements en forme de rainures qui, conjointement avec des évidements correspondants dans la face supérieure d'une plaque 28, forment encore des canaux annulaires 27 autour des tubes 6 et des canaux de jonction 26. Dans cet exemple de réalisation également, on injecte dans le système de canaux une matière élastique constituée par une pâte durcissable qui réalise l'étanchéité aux entrées de tubes. Sur la figure 9, on a représenté un autre exemple de réalisation, dans lequel les tubes 30 présentent une rainure annulaire 31, et le fond 4 du caisson collecteur des parties élastiques en saillie 29, séparées ou réunies en forme de secteurs circlaires. Après introduction du tube 30 dans le logement correspondant, les parties saillantes 29 s'accrochent dans la rainure annulaire 31. Pour augmenter l'élasticité des parties saillantes 29, il est opportun que le caisson collecteur présente sur sa face intérieure une gorge annulaire 33 autour de chaque ouverture de logement de tube. L'ouverture dans laquelle entre le tube présente alors un bord intérieur conique et une surface inclinée 32 au voisinage des parties saillantes 29. Il en résulte la formation d'un espace intermédiaire de forme conique, dans lequel le collet 12 d'un joint d'étanchéité se trouve pressé et prend une section méridienne en forme de coin. Suivant une variante représentée sur les figures 10 et 11 de l'exemple de réalisation de la figure 9, les parties en saillie 29 présentent des interruptions 42, dans lesquelles sien; gagent des pattes correspondantes 43 du collet 12 du joint 8. On évite par là que le joint 8 ne puisse éventuellement glisser hors de son logement. Dans l'exemple de réalisation suivant la figure 12, dans lequel on utilise des tubes purement cylindriques 6, l'effet de coin est encore renforcé, tandis que l'ouverture d'entrée du tube présente une paroi intérieure conique 34. On a représenté, en plus sur cette même figure, un mode particulier d'assemblage des tubes 6 au caisson collecteur 2 suivant lequel une ou plusieurs pinces 35 s'accrochent autour d'un bord 36 dont est muni le fond 4 du caisson collecteur et sous le bord de la première ailette de refroidissement 7. Cette disposition assure aussi un démontage facile, tandis que, par ailleurs, la tension élastique initiale obtenue au moyen des pinces 35 réalise une particulièrement bonne étanchéité. La figure 13 représente èncore une autre forme de réalisation d'un joint suivant l'invention, suivant laquelle le joint d'étanchéité comporte un bourrelet terminal 38 qui prend appui dans le chambrage formé par la gorge annulaire 37, après introduction d'un tube 6. Sur la partie droite de la fig. 13, on a représenté une variante dans laquelle la partie inférieure de la gorge annulaire 37 présente un évasement conique 39 contre lequel s'applique le collet du joint avec son bourrelet terminal 38. Suivant un autre exemple de réalisation qui est représen t sur la figure 14, le joint d'étanchéité 8 présente à l'extrémité supérieure de son collet 12 un bourrelet terminal extérieur 40, qui vient porter en butée contre le fond d'une gorge annulaire pratiquée dans le fond perforé 4 lorsqu'on introduit le tube 6. Le repère 41 désigne un élément de bridage qui est introduit à l'intérieur du tube 6, et qu'on déforme lors du montage de l'échangeur de chaleur, de préférence avec un outilpoussoir, de telle sorte que ses extrémités portent solidement contre les faces intérieures des fonds 4 et 5. Il est particulièrement avantageux que les joints d'étanchéité 8 soient réunis en forme de réseau par bandes ou par plaques 9 dans lesquelles on peut séparer ou découper à la demande les joints nécessaires en fonction de l'échangeur de chaleur que l'on veut réaliser. Du fait que, conformément à l'invention, le joint est appliqué sur le côté extérieur des caissons collecteurs, les pièces correspondantes peuvent être découpées sans difficulté dans d'assez grandes plaques. Spécialement dans le cas où l'on utilise des caissons collecteurs en une seule pièce, il ne se pose pas de problèmes d'étanchéité entre le caisson collecteur, le fond porte-tubes et la partie su périeure du caisson collecteur. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur à faisceau tubulaire comportant des tubes ronds et des caissons collecteurs, destiné en particulier au circuit de refroidissement ou au circuit de chauffage de véhicules, ou pour l'un et l'autre de ces circuits, caractérisé par le fait que les dispositifs d'étanchéité (8) entre les tubes (6) et les fonds perforés (4,5) sont constitués par des joints d'étanchéité en forme d'emboutis ou manchettes qui s'en- gagent dans des ouvertures (15) desdits fonds (4,5), que lesdits dispositifs d'étanchéité (8) sont' disposés du côté extérieur des fonds (4,5) et que, pour la fixation des tubes (5) dans les fonds(4,5), il est prévu des dispositifs de bridage (10) démontables. 2. Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les joints d'étanchéité (8) présentent un bord annulaire (11) qui s'applique de l'extérieur contre le bord des ouvertures (15) ménagées dans les fonds (4,5) pour recevoir les tubes (6), et un collet (12) qui entoure le tube (6), que le diamètre intérieur du collet (12) est plus petit que le diamètre extérieur du tube (6), et que les ouvertures prévues dans le fond (4) présentent une partie élargie ou gorge annulaire (13) dont la dimension correspond sensiblement à la longueur du collet (12). 3. Echangeur de chaleur suivant la revendication 2, 'ca- ractérisé par le fait que la gorge annulaire (13) pratiquée dans le fond (4) présente une butée (13') pour l'appui du joint d'étanchéité (8). 4. Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé par le fait quton utilise des tubes (6) présentant des extrémités coniques (16), que la gorge annulaire (13) présente une face intérieure évasée en forme de cône, et que l'angle d'ouverture du cône (16) du tube est plus grand que l'angle *'ouverture du cône formé par la paroi intérieure de la gorge. 5. Echangeur de chaleur suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que l'angle d'ouverture du cône du tube est de 5 à 25Q environ, et que l'angle d'ouverture du cône de la paroi intérieure est égal à environ la moitié du précédent. 6. Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait que la face inférieure du joint (8) présente sur son bord un bourrelet (i4) tourné vers l'extérieur. 7. Echangeur de chaleur suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que le diamètre extérieur du bourrelet (14) est au moins égal au diamètre intérieur maximum de l'ouver- ture (15) du fond (4) dans lequel se loge le tube (6). 8. Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que les joints d'étanchéité (8) sont réunis en forme de réseau par bandes ou par plaques (9). 9. Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que les fonds (4,5), les caissons collecteurs (2,3) et leurs couvercles ou une partie seulement de ces éléments, sont réalisés en une seule pièce. 10. Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que des canaux annulaires (20) sont disposés autour des ouvertures de logements des tubes (15), qu'il est prévu dans le fond (17',17") des canaux de jonction (21) entre les canaux annulaires (20) et que le joint d'étanchéité (8) est constitué par une matière élastique qui peut s'injecter sous forme d'une pâte durcissable. 11. Echangeur de chaleur suivant la revendication 10, caractérisé par le fait que le fond (17',17") ou le caisson collecteur (18), ou l'un et l'autre de ces éléments , sont partagés par un joint en zigzag qui suit de préférence le tracé d'un canal de jonction (21). 12. Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 10 et 11, caractérisé par le fait que la ligne de séparation (19) entre les deux parties du caisson collecteur (18) ou de son couvercle, suit un tracé sensiblement rectiligne dans un plan médian. 13. Echangeur de chaleur suivant la revendication 10, caractérisé par le fait que les canaux (26,27) sont disposés en partie dans la face inférieure d'un fond (25) d'un caisson collecteur (24) et en partie dans une plaque (28) assemblée au fond (25), de préférence par soudure. 14. Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que les organes de bridage (10) prevus pour presser les joints (8) dans les ouvertures de logement des tubes (15) des fonds (4,5) sont élasti ques ou peuvent se resserrer, ou présentent à la fois ces deux caractéristiques. 15. Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que le collet (12) du joint (8) a un profil en forme de coin. 16. Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que le collet (12) présente,à son extrémité supérieure, un bourrelet terminal d'étanchéité (38). 17. Echangeur de chaleur suivant la revendication 16, caractérisé par le fait que la gorge annulaire (37) présente un évasement conique (39) contre lequel s'applique le collet (12). 18. Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le collet (12) présente un bourrelet terminal (40) tourné vers l'extérieur. 19. Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé par le fait que les tubes (30) présentent une rainure annulaire (31) dans laquelle s'accrochent élastiquement des parties saillantes obliques (29) du fond (4) du caisson collecteur. 20. Echangeur de chaleur suivant la revendication 19, caractérisé par le fait que les parties saillantes (29) présentent des interruptions (42), dans lesquelles s'engagent des pattes correspondantes (43) du collet (12) du joint d'étanchéité (8). 21. Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 19 et 20, caractérisé par le fait que les parties en saillie (29) partent d'une gorge annulaire (33). 22. Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 19 à 21, caractérisé par le fait que la gorge annulaire (13) pratiquée dans le fond (4) du caisson collecteur présente une surface intérieure inclinée (32). 23. Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 19 à 22, caractérisé par le fait que la gorge annulaire (13) est remplacée par un cône.