Brevet FR2340528A1 — publié le 19770902

La présente invention est relative à un échangeur devantAae' très 5--ger et donc fabriqué en aluminium ou alliage de'ce étal, ledit échangeur devant pouvoir être utilisé pour le refroidissement, respectivement le chauffage, de fluides à haute température, cette température pouvant être de l'ordre de 4000 à certains endroits de l'échangeur. EtanF donné que la température de fusion de l'aluminium et de ses alliages est voisine de 6000C, lorsque l'échangeur travaille à une température proche de 4000, il est évident que les caractérisques mécaniques de l'aluminium ou de l'alliage sont très affaiblies. L'inconvénient est tout particulièrement grave au niveau des soudures ou brasures qui doivent relier la partie d'entrée du fluide chaud avec la partie de l'échangeur dans lequel circule le fluide relativement plus froid, mais déjà réchauffé, puisoue la tenue des soudures et brasures est évidemment inférieure à la tenue du métal ou alliage de base. Le problème est encore compliqué lorsque l1un des fluides, par exemple le fluide à refroidir, se trouve sous des pressions relativement importantes qui peuvent être de l'ordre de 10 à 35 bars dans certains appareils, notamment dans des échangeurs refroidisseurs d'air pour machines volantes se déplaçant à très grande vitesse dans lesquelles la température de l'air de refroidissement est elle-même très élevée puisqu'elle dépend essentiellement de la vitesse, cette température étant supérieure à 2000C pour une machine volante se déplaçant au voisinage de Mach 2,5. La présente invention résout le problème exposé ci-dessus. Conformément à l'invention, l'échangeur de température en aluminium ou alliage de ce métal pour fluides à haute température est caractérisé en ce qu'on réalise au moins la boite d'entrée dudit échangeur en un métal ou alliage supportant des températures plus élevées que l'aluminium, notamment en titane, en ce qu'on réunit ladite boîte audit échangeur par des brasures ou soudures et en ce qu'on protège la zone brasée ou soudée en disposant dans ladite boîte d'entrée un tablier délimitant une chambre extérieure périphérique contenant du fluide dans des conditions de non-circulation ou au moins de circulation ralentie. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Une forme de réalisation de l'objet de l'invention est représentée, à titre d'exemple non limitatif, au dessin annexé. La fig. 1 est une élévation schématique d'un échangeur de chaleur faisant application de l'invention. La fig. 2 est une coupe-élévation partielle très agrandie vue suivant la ligne Il-Il de la fig. 1 lorsque les boites d'extrémité'de l'échangeur sont retirées. La fig. 3 est une perspective illustrant la constitution du faisceau de l'échangeur. La fig. 4 est une coupe-élévation partielle à grande échelle illustrant la réalisation de la boîte d'entrée vue sensiblement suivant la ligne IV-IV de la fig. 7. La fig. 5 est une coupe vue sensiblement suivant la ligne V-V de la fig. 4. L'échangeur représenté à la fig. 1 et désigné dans son ensemble par 1 est du type dit en épingle, c'est-à-dire qu'il comporte en fait deux échangeurs 2, respectivement 3, reliés à une extrémité par une boîte de communication ou de transfert 4 et comportant à l'autre -extrémité une boîte d'entrée 5 et une. boîte de sortie 6. Des organes de fixation 7, respectivement 8, sont prévus , d'une part, sur la boîte de transfert 4, d'autre part, sur les boites d'entrée et de sortie 5, 6. Dans l'exemple représenté, l'échangeur est destiné à refroidir de l'air entrant à haute température, par exemple entre 3500 et 400 C,amené à la bride d'entrée 9 de la boîte d'entrée 5, passant dans l'échangeur suivant les flèches Q et sortant, ensuite , par la bride 10 de la boîte de sortie 6. L'air circulant comme décrit ci-dessus est refroidi par de l'air traversant l'échangeur suivant les flèches 4 et cet air peut lui-mêmetre àRelativement,haute température lorsqu'il entre dans l'échangeur, par exemple à une température de l'ordre de 2000 ou davantage. De telles conditions de fonctionnement se rencontrent dans différentes industries et également dans des machines volantes se déplaçant à très grande vitesse. Pour assurer le passage de l'air de refroidissement suivant la flèche 2 l'échangeur comporte une buse d'entrée Il et une buse de sortie 12 de forme générale rectangulaire constitué par des profilés en L comme illustré par la fig. 5 et dônt une aile, celle désignée par 12a à ladite fig. 5, forme un rebord d'emboîtement pour le bord correspondant tel que 5a de la boite d'entrée 5 et il en est de même en ce qui concerne l'aile lIa (fig. 2) de la buse d'entrée Il pour le bord correspondant de la boîte de sortie 6. Les bords opposés, tels que 5b des boîtes d'entrée respectivement de sortie, sont emboîtés contre des barrettes trans versales 13, respectivement 14 soudé; à des plaques latérales 15, 15a, 15b et 16, 16a, 16b qui constituent les côtés latéraux de l'échangeur. La boite de transfert 4 est de la meme façon emboîtée par la base de ses bords latéraux entre les buses d'extrémité 11, 12 et les plaques 15, 15a, 15b et 16, 16a, 16b. L'air de refroidissement amené suivant les flèches Q circule dans l'échangeur par des canaux longitudinaux 17, 17a ... 17n dans lesquels sont disposées des ailettes figurées sous la forme de bandes ondulées 18 aux fig. 3 et 4. Les canaux 17 à 17n sont délimités par des tubes 19, 19a ... 19n constitués chacun par deux plaques 20, 21 reliées ensemble au niveau de la buse d'entrée Il et de la buse de sortie 12 par des barrettes verticales 22, respectivement 23. L'air à refroidir devant circuler dans les tubes 19 à 1 t suit une boucle comme illustré à la fig. 1. Les tubes sont séparés à leur partie médiane par des barrettes verticales 22a, 23a bien vIsibles aux fig. 1 et 2. Bien que cela ne soit pas représenté, des ailettes peuvent aussi être disposées dans les tubes 19, 19a ... 19n qui, ainsi que cela ressort des explications données, ouvrent dans la boîte d'entrée 5, dans la boîte de transfert 4 et dans la boîte de sortie 6. Ainsi que l'illustrent les fig. 3 et 4, les canaux 17, 17a ... 17n par lesquels circule l'air de refroidissement sont isolés des boîtes d'entrée et de sortie, d'une part, et de la boite de transfert, d'autre part, au moyen de bandes 24 reliant les plaques 20, 21 qui délimitent les tubes 19, 19a .... 19n et ces bandes présentent, sur leur côté tourné vers les canaux 17, des ailettes 25. Les ailettes 25 ne sont pas nécessaires pour les bandes 24 qui se trouvent en regard de la boîte de transfert 4 et de la boîte de sortie 6, bien que lesdites ailettes soient néanmoins avantageuses pour limiter le poids desdites bandes. Par contre, ces ailettes présentent une utilité toute particulière pour cellas des bandes qui sont disposées au niveau de la boîte d'entrée 5. En effet, Si l'on considère la fig. 4, on voit que l'air à refroidir qui entre suivant la flèche f1 e;t très chaud et, par ailleurs, l'air de refroidisseient circwP lant par les canaux 17 à 17n est lui-m & e très chaud puisqu'il a déåà traversé tout l'échangeur.C'est le cas tout particulièrement de l'air qui circule dans l'extrémité avale des canaux puisque ledit air de refroidissement ae trouve à une température qui, dans cette zone de sortie de 1'échangeur, ne présente qu'un écart faible de température avec l'air à re froidir, cet écart pouvant être de l'ordre d'une vingtaine de degrés. Suivant l'invention, toutes les pièces décrites dans ce qui précède sont fabriquées en aluminium Qu alliage de ce métal et sont assemblées par brasure ou soudure pour des questions de prix de revient et de légèreté. La seule exception est constituée par la boite d'entrée 5 qui est fabriquée en titane, étant donné que cette boite est parcourue par l'air le plus chaud. Les fig. .4 et 5 illustrent que la boîte 5 en titane est reliée sur tout son pourtour à la plaque 16b, à la barrette 13, à la plaque 15b, et aussi, comme le montre la fig. 5, au rebord 12a de la buse de sortie 12 par un cordon de soudure 26. Cette liaison, qui est nécessaire, fait que la chaleur est transmise par conduction aux plaques et barrettes énoncées ci-dessus, la quantité de chaleur pouvant être transmise étant telle qu'il pourrait en résulter des dommages, notamment au niveau du cordon de soudure 26 qui doit être compatible avec l'aluminium et dont la température de fusion est nécessairement au plus égale à celle de l'aluminium, de sorte que les caractéristiques mécaniques de cette soudure sont amoindries aux températures qui peuvent régner dans la boîte 5, c'est-à-dire des températures pouvant atteindre 4000C. Pour qu'il n'en Boit pas ainsi, selon l'invention, on dispose dans la boîte 5 un tablier protecteur 27 de préférence en titane qui est fixé à la paroi interne de la boîte 5, par exemple par des soudures 28, mais qui, le cas échéant, pourrait simplement venir en appui contre ladite paroi interne. Be tablier 27 a pour effet de délimiter entre la paroi prieure de la bote 5 et sa face externe une chambre péri lhérique 29 qui contient ainsi de flair, air qui se trouve dans une zone neutre, c'est-à-dire une zone dans laquelle il ne circule que faiblement car la chambre 29 communique seulement en partie avec les tubes d'extririr;é 19 et 19n.De cette- façon, l'air contenu dans la chambre 90 constitue un matelas isolant réduisant la transmission par conduction de la chaleur depuis l'intérieur de la boîte 5 jusqu1 au voisinage des parties-de liaison de celle-ci avec les pièces en aluminium constituées par les plaques 15b, 16b, la barrette 13 et le rebord 12a de la buse 12, rebord qui se trouve dans la zone la plus chaude de l'échan- geur comme cela ressort de la fig. 5. L'air amené par la boîte 5 pouvant se trouver à, relative- menf,haute pression, il a été observé qu'il y avait lieu aussi de limiter dans toute la mesure du possible les efforts s'exer çant notamment sur les plaques '5b, 16b et, à cet effet, des entretoises 30 sont prévues pour s'étendre entre lesdites plaques comme illustré par la f.g. 4, ces entretoises étant utilisées au surplus pour le maintien du tablier 27. Ainsi, les entretoises empêchent un gonflage des plaques 15b, 16b qui sont fragiles. Supplémentairement encore, pour que le flux d'air amené par la boîte 5 ne frappe pas directement les bandes 24 qui sont en aluminium, on fait en sorte, au moins au niveau de ladite boîte 5, que les plaques 20, 21 délimitant les tubes 19 à 19n soient galbées et réunies à leurs extrémités comme montré en 31, c'est-à-dire que ces plaques forment des embouchures convergentes 32 menant vers l'intérieur des tubes 19 à 19n. On voit au dessin que les plaques d'extrémité, désignées par 20a et 21a à la fig. 4, sont elles-mêmes galbées pour venir en appui contre les plaques 15b, 16b, ce qui protège complètement les bandes 24 dont le refroidissement est, par ailleurs, assuré par leurs ailettes 25. Afin que l'air dans la chambre d'isolation 29 soit prati quement sans mouvement, ou que le mouvement de cet air ne soit assuré tout au plus que par convexion, on munit le tablier 27 d'un feuillard souple 33 qui vient en appui contre les parties terminales accessibles des bandes 24 ou des extrémités des tubes. Un moyen supplémentaire limitant encore la transmission de la chaleur vers le cordon de soudure 26 et les zones avoisinantes consiste à disposer dans la chambre 29 un écran 34 qui peut simplement être supporté par les entretoises. Cet écran empêche ainsi le chauffage du cordon de soudure 26 et des zones avoisinantes par la chaleur rayonnée à partir de la face extérieure du tablier 27 qui est porté à haute température. L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation, représenté et décrit en détail, car divers modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. En particulier, la disposition mise en oeuvre en ce qui concerne la boite d'entré* 5 peut évidemment être mise en oeuvre aussi en ce qui concerne les autres boîtes. En outre, comme il ressort de la description qui précède l'échangeur décrit est en fait constitué par deux échangeurs identiques réunis par les plaques 15a, 16a et il est évident que des échangeurs comportant seulement une boîte d'entrée et une boîte de sortie, par exemple la moitié de l'échangeur de la fig. 1, peuvent être construits sans difficultés en mettant en oeuvre l'invention. REVENDICATIONS 1 - Echangeur de température en aluminium ou alliage de ce métal pour fluides à haute température compte tenn de la nature de ce métal, par exemple pour le refroidissement de fluides pouvant atteindre 4000C à une entrée de l'échangeur, caractérise en ce qu'on réalise au moins la boîte d'entrée digit échangeur en un métal ou alliage supportant des températures pluJ élevées que l'aluminium, notamment en titane, en ce qu' 3n réunit ladite boîte audit échangeur par des brasures u soudures et en ce qu'on protège la zone brasée ou soudée en disposant dans ladite boîte d'entrée un tablier délimitant une chambre extérieure périphérique contenant du fluide dans des conditions de non-circulation ou au moins de circulation ralentie. 2 - Echangeur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le tablier est fabriqué en même métal que la boité qui le contient et est fixé à la paroi de celle-ci. 3 - changeur suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'extrémité du tablier qui est tournée vers l'embouchure des tubes ou conduits de l'échangeur est munie d'un feuillard souple s'étendant jusqu'à la partie de l'échangeur formant collecteur pour les tubes ou conduits de sorte que ledit feuillard isole la chambre périphérique délimitée à l'extérieur du tablier. 4 - Echangeur suivant 1 'une des revendications 1 à 3, caractérisé par un écran disposé dans la chambre périphérique entre le tablier et la paroi de la boîte et de l'échangeur pour arrêter le nayonnement issu dudit tablier. 5 - Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la paroi des tubes ou conduits entrant dans la boîte contenant le tablier est évasée, les parois opposées de deux tubes consécutifs étant réunies et la paroi des tabes d'extrémité étant évasée vers la périphérie de la boîte, de sorte que des embouchures élargies sont délimitées pour 11 entrée du fluide devant circuler dans lesdits tubes ou conduits. 6 - échangeur suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la partie formant collecteur pour les tubes ou conduits est constituée par une succession de bandes reliant les parois externes des tubes ou conduits successifs et des plaques latérales délimitant les côtEs latéraux de l'échangeur, ladite partie formant collecteur se trouvant disposée au-deld des extrémités réunies entre elles des parois des tubes et conduite. 7 - Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les bandes formant collecteurs présentent des ailettes dirigées dans des canaux délimités entre les parois externes des plaques formant les tubes ou conduits, lesdits canaux servant à la circulation d'un second fluide. 8 - Echangeur suivant ltune des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les csstés latéraux des boîtes et les c8tés latéraux des plaques formant les parois latérales de l'*chaeyZe:r sont reliés par des entretoises limitant les effets dus à pression s'exerçant sur lesdits côtés latéraux des boîtes. 9 - Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les entretoises forment support pour le tablier et l'écran lorsque ce dernier est mis en oeuvre. 10 - L'application de l'échangeur, suivant l'une des revendications 1 à 9, à un refroidisseur d'air ou autre gaz pour machines volantes se déplaçant à grande vitesse dans lequel le fluide de refroidissement est l'air atmosphérique.