Brevet FR2335282A1 — publié le 19770715

Cette invention concerne d'une manière génrale, les dispositifs d'échange de chaleur ct se rapporte plus particulièrement à un procédé et un appareil pour la fabrication d'un conduit de chaleur Un certain nombre de dispositifs ont dejà été proposés qui utilisent un système clos contenant un liquide de travail ayant à la fois une phase liquide et une phase vapeur aux temperatures nor male de fonctåcnnement. La phase liquide exposée aux temp .afures plus élevées se vaporise tandis que la phase vapeur exposée aux températures plus basses se condense.Jusqu'à ces derniers temps, les dispositifs de ce type n'ont eté capables de transferer la chaleur que dans un sens en utilisant la pesanteur pour ramener le liquide à l'extrémité chaude du système ou ont nécessité ltutillsation de mèches capillaires pour transporter-le liquide dans tous les sens. Butant donné que les mèches sont difficiles et ocreuses à monter convenablement, ce type de dispositif n'a trouvé que très peu d'applications commerciales. L'invention se rapporte à un procéda de fabrication d'un conduit de chaleur perfectionne' comportant des rainures capillaires s'étendant circonférentiellement, formées dans la paroi du conduit. Conformément à l'invention, les rainures capillaires sont obtenues par un procédé de taillage en spirale continu suivant lequel la matière de la paroi intérieure du conduit de chaleur est taillée et pliée vers la matière précédemment taillée et pliée. Le procédé utilise un nouvel outil qui est efficace et cependant très siniple et économique à fabriquer. L'invention sera mieux comprise en se reportant à la description détaillée, qui va suivre de modes de realisation donnés à ti tre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels - la Fig, 1 est une vue isomdtråque montrant un détail de la construction du conduit de chaleur réalisé selon le procédé de l'in- vention t - la Fig. 2 est une vue partielle en soupe, à plus grande é- échelle, représentant une forme de section préférentielle des rainures capillaires du conduit de chaleur de la Fig. i - la Fig. 3 est une vue schématique en élévation latérale d'un appareil selon la présente invention utilisé pour fabriquer les con duits de chaleur de la Fig. t t - la Fig. 4 est une vue à plus grande échelle d'une partie de l'appareil de ia Fig. 3, avec arrachement partiel pour montrer des détails de construction ; - la Fig. 5 est une vue arrière de l'outil de coupe de l'appa- reil représenté sur la Fig. 4 - la Fig. 6 est une vue latérale de l'outil de coupe représenté sur la Fig. 5 ;; - la Fig 7 est une vue latérale à plus grande échelle servant à illustrer le procédé de formation des rainures capillaires conformément à la présente invention mis en oeuvre. en utilisant l'outil représenté sur les Fig. 5 et 6 - la Fig. 7a est une vue en coupe, correspondant à la Fig. 7, qui montre le réarrangement du métal pour former les rainures capillaires conformément au procédé de la présente invention - la Fig. 8 est une vue en plan de la structure représentée sur la Fig. 7 ; - la Fig, 9 est une vue arrière de la structure représentée sur la Fig. 7. Le conduit de chaleur 20 représenté partiellement à la Fig. 1 peut avoir typiquement une longueur comprise entre 1,80 m et 2,50 m et un diamètre compris entre 1,27 et 1,90 cm. Le conduit de chaleur est typiquement fabriqué à partir d!un tube de cuivre 22 du fait des caractéristiques excellentes de conductivité thermique et de résistance à la corrosion du cuivre. Une pluralité d'ailettes d'échan- geur de chaleur classiques 24 sont montées sur le tube 22 d'une manière telle qu'un bon échange de chaleur entre les ailettes et le tube soit obtenu. La paroi intérieure dlun tube 22 est munie d'un grand nombre de rainures capillaires 32 s'étendant circonférentiellement et étroite- ment rapprochées, de préférence sur la totalité de sa longueur. -Lorsque le liquide de travail est le refrigérant R12, les rainures capillaires 32 ont des profondeurs de cretes à creux de l'ordre de ou356 mm et un espacement de 11 ordre de 0,178 mm. Les rainures capillaires ont, de préférence, une section transversale caractérisée par une ouverture de largeur réduite telle que celle représentée sur la Fig. 2 sur laquelle on remarquera que l'ouverture 34 est plus étroite que la largeur de la rainure au niveau du point 36 par exemple. Cette forme de section permet d'obtenir une action capillaire optimale pour transporter le liquide avec un débit maximal. En outre, les bandes ou plages de métal qui forment les rainures établissent un trajet à faible impédance thermique entre les parois du conduit de chaleur et l'interface liquide vapeur où l'évapora- tion et la condensation se produisent. On va maintenant décrire comment les rainures capillaires 32 des conduits de çhaleur 20 peuvent dtre fabriquées conformement au procédé dt au moyen de itappareil de l'invention représentes sur les Fig. 3 à 9. Comme représenté sur la Fig. 3, le dispositif 1O, avant que les extrémités du tube soient obturées est porté sur le plateau 50 d'un tour classique 52. L'arbre dXentrainement 55 55 d'une bote d'engrenages 56 est placé dans le mandrin du tour. La bolte d'engrenages 56 comporte six arbres de sortie 58 qui pénètrent dans six des tubes 22 du dispositif 10. Les arbres 58 peuvent entre supportés par des guides appropriés (non représentés).Pendant que les arbres 58 sont entraînés en rotation, le plateau 50 déplace le dispositif 10 en éloignement du mécanisme d'entraînement 54 à une vitesse prédéterminée choisie en fonction du pas désiré de la rainure 32 en spirale. Comme représenté sur la Fig. 4, ltextrémité de chaque arbre 58 est montée tourillonnante dans un manchon de guidage 62 qui est étroitement adapté dans le tube 22 pour centrer l'arbre avec précision.Le manchon 62 coulisse dans le tube 22 lorsque le dispositif 10 est déplacé en éloignement du mécanisme- d'entraînement 54 et est, en conséquence, fabriqué en une matière légèrement déformable à faible coefficient de frottement telle que du "Nylon" ou du tTeflon". Un porte-outil 64 est inséré dans une douille 66 à l'ex- trémité de ltarbre 58 et est maintenu en place par un accouplement à verrouillage instantané classique comportant la goupille 68, Un outil de coupe 70 est fixé dans le porte-outil 64 au moyen d'une vis de positionnement 72. t1 outil 70 qui est représenté de façon détaillée sur les Fig. 5 et 6, a un bord tranchant à courbure élliptique 78 formé par l'intersection d'une surface plane 76 et de la surface cylindrique 74 du corps de l'outil. La vis de positionnement 72 est engagée sur une surface aplatie 80 du corps cylindrique pour positionner ou disposer à un emplacement repéré le bord tranchant 78 suivant l'angle approprié de sorte que l'outil taille et forme les rainures capillaires comme on le décrira maintenant en se référant aux Fig. 7- à 9. Sur la Fig. 7, la surface 22a représente la surface intérieure de la paroi du tube 22. L'outil de coupe 70 est représenté comme se déplaçant en éloignement de l'observateur, c'est à dire en pénétrant dans le plan du dessin, par rapport à la paroi du tube 22. L'outil 70 est positionné de telle sorte que le grand axe de l'ellipse for mee par l'intersection de la surface plate 76 et de la surface cylindrique est légèrement incliné vers l'avant par rapport à une per pendiculaire au trajet de outil comme représenté par l'angle > sur la Fig. 8. Ainsi, la surface plate 76 est légèrement tournée vers ltarrière comme représenté sur la Fig. 7 de sorte que le bord tranchant 78 s'engage dans le métal du tube 22.Le bord tranchant 78 s'engage tout d'abord sur la surface 22a au point 82 (représenté également sur les Fig. 8 et 9)-. Lorsque le bord tranchant 78 avance, une bande de métal èst repoussée hors du corps principal de métal et réarrangée dans la position verticale représentée sur la Figo 7-';. Le réarrangement du métal est représenté sur la Fig. 7a qui montre que les parties A, B C et D de la surface 22a sont successivement déplacées respectivement aux positions a, b, c et d qui sont représentées en traits interrompus. Les surfaces a, b, c et d sont représentées en traits pleins sur les Fig. 7 et 8. L'examen des Fig. 7 et 7a montre que le bord tranchant ellipti que 78 formé sur outil 70 produit des rainures ayant une section transversale dont l'ouverture est nettement plus étroite que la largeur de la partie inférieure dé la rainure pour obtenir une action capillaire maximale, On notera qutil n'ya pas de métal enlevé par le procédé. Au contraire, le métal esttaillé suivant une ligne en spirale et-plié vers le haut pour former les rainures. On notera que la forme du fond des rainures correspond approximativement au profil de la surface elliptique 76 vu de l'arrière de l'outil lorsqu' il se déplace dans le métal.Le profil courbe des languettes verticales de métal formées de chaque côté de la rainure est dû à la sur 'face cylindrique du corps de l'outil qui repousse et déplace progressivement le métal-latéralement, maintenant ainsi la partie inférieu- re de la rainure ouverte alors que la partie supérieure est fermée-. Etant donné qu'il nty a pas de métal enlevé de l'intérieur des tubes il n'est pas nécessaire de projeter un liquide de nettoyage derrière l'outil 70. Du fait que l'opération de taille est effectuée à ltintérieur d'un-tube d'échange de chaleur, le tube peut être refroidi par 11 air en relation dtéchange de chaleur avec l'extérieur du tube. Le refroidissement est naturellement favorisé par les ailettes 24 qui sont dans une relation d'échange de chaleur avec le tube. Conformément au procédé de l'invention, il est important de tailler les rainures--sans utiliser un liquide pour lubrifier ou refroidir le tube.Si une huile ou autre liquide est utilisée à cet effet, l'action capillaire des rainures rend le nettoyage difficile. Le résidu de liquide tend å gener un traitement c-himique ultérieur de la surface intérieure du tube et peut finalement avoir des effets nuisibles sur le fonctionnement du système. Après que les rainures ont été taillées à sec, la surface intérieure des rainures 32 peut plus facilement faire l'objet d'un trai tement chimique pour oxyder le cuivre et améliorer les caractéristiques de mouillabilité de la surface du dispositif dtunc manière connue dans la technique du finissage des métaux. Les dimensions, le pas et la géométrie en section des rainures capillaires 32 peuvent être modifiés pour permettre d'obtenir l'ac- tion capillaire optimale pour différents fluides de travail, en modifiant les dimensions, la forme et 11 orientation de l'outil de coupe.Les dimensions et la forme optimales des rainures capillaires peuvent etre déterminées mathématiquement en partant des informations sur les phénomènes-de tension superficielle qui peuvent titre trouvees dans la ducumentation relative à- ce domaineo B4en que l'invention décrite ici soit particulièrement appropriée pour être utilisée dans les systèmes d'échange de chaleur fermés, les diverses caractéristiques de l'intention sont également atilisables dans les échangeurs de chaleur, en général.Par exemple, les bandes venues de matière avec le tube, a, b, c et dt etc.. forment des ailettes en une seule pièce avec le tube qui diminuent l'impédance thermique de la paroi du tube à l'interface liquide vapeur sans introduire d'interface métal-métal qui, sinon, formerait une barrière thermique, comme ceci est le cas dans les installations i mèche capillaire plus classiques. Des ailettes similaires peuvent également titre formées sur la surface extérieure d1un tube pour for iier des rainures capillaires. On doit également noter que -plusieurs outils de coupe 70 peuvent outre montés dans une disposition radialement décalée sur un unique porte-outil 60 pour tailler des spirales successives. Ainsi, si trois outils de coupe sont utilisés le pas des rainures est tri plé et le temps nécessaire pour tailler les rainures est réduit à 'm tiers de celui nécessaire pour tailler une unique rainure en spiraIe. - REVENDICATIONS 1 - Procédé pour former une mèche capillaire dans un tube d'échange de chaleur, caractérisé en ce qu'on taille et qu'on plie simultanément dans la paroi in térieure du tube tine série de bandes de matière s'étendant circonférentiellem ent, de-teNemorte-7re~1Bs bandes successives de la matière forment les parois latera- les des rainures s'étendant circonférentiellement. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les bandes de matière sont taillées pour former au moins une bande en spirale à peu près continue de façon à former au moins une rai nure en spirale à peu près continue. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la bande en spirale est déformée pour lui donner un profil incurvé de façon à produire une rainure ayant une ouverture rétrécie et obtenir en conséquence une action capillaire plus efficace. 4 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque bande successive de matière est taillée progressivement de la surface vers le bas et est simultanément pliée progressivement vers 11 extérieur. 5 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque bande successive est taillée à angle aigu par rapport à la surface intérieure du tube et pliée en s'éloignant de l'entaille pour former des rainures ayant une profondeur supérieure à la pro fondeur de l'entaille. 6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque bande successive est également comprimée pour accroître la largeur des parties inférieures des rainures formées entre les bandes adjacentes. 7 - Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qutil com prend : un arbre d'entraînement prévu pour passer à travers le tube; des moyens de support pour porter le tube ; des moyens d'entraîne ment pour entraîner l'arbre d'entraînement en rotation et pour dé placer les moyens de support simultanément de façon à provoquer le déplacement de l'arbre dtentraSnement dans un tube porté par les moyens support à une vitesse uniforme par rapport à la rotation de l'arbre d'entratnement t ; des moyens formant porte-outil montés sur 11 arbre d'entraînement ; et un outil de coupe monté dans les moyens formant porte-outil pour tailler et plieur simultanément une bande continue de matière à la surface intérieure du tube afin de former une rainure capillaire en spirale dans la surface intérieure du tube. 8 - Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que outil de coupe-comporte un bord tranchant courbe défini dlune manière générale par l'intersection d'un plan et d'une surface cy cylindrique; le plan étant orienté obliquement par rapport à l'axe de la surface cylindrique. 9 - Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que outil de coupe comporte un corps cylindrique ayant une face plane orientée obliquement par rapport à l'axe du corps cylindrique pour définir,une surface plane de forme elliptique définissant un bord tranchant, l'outil de coupe étant fixé dans le porte-outil de telle sorte que le profil du bord tranchant le long de la ligne de déplacement de l'outil de coupe par rapport au tube a une forme éllipti que dont le petit axe est de beaucoup inférieur au petit axe de la surface plane elliptique. 10 - Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que la surface plane est tournée dans une direction opposée au sens de déplacement de l'outil de coupe par rapport au tube. 11 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que l'outil de coupe et le porte-outil comportent des moyens de positionnement coopérants pour positionner automatiquement l'outil de coupe à la position de rotation convenable dans le porte-outil. 12 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 9 à t1, caractérisé en ce que l'extrémité de l'arbre d'entrainement éloignés des moyens dlentratnement est montée tourillonnante dans un manchon qui est engagé en coulissement sur la surface intérieure du tube à lavant de l'outil de coupe, par rapport au sens de déplacement de outil dans le tube, pour centrer l'outil de coupe au cours de sa rotation. t3 - Outil de coupe pour la mise en oeuvre du procédé selon ltune quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un corps de forme générale cylindrique ayant une face de forme générale plane, à une extrémité, coupant Il axe longitudinal du corps suivant un angle aigu pour former un bord tranchant de forme générale plane, elliptique ayant un grand axe et un petit ame et des moyens pour déplacer la pointe du bord tranchant à travers la surface de la matière du tube de-telle sorte que le profil du bord tranchant présenté au métal à tailler est elliptique et a un petit axe considérablement inférieur au petit axe du bord tranchant, de telle sorte que le métal est taillé et pli en stéloigant de la paroi pour former des ailettes et rainures alternées de section transversale prédéterminée. 14 - Outil de coupe selon la revendication 13, caractérisé en ce que le corps est positionné avec la face de forme générale plane tournée en sens opposé à celui dans lequel l'outil se déplace par rapport à la matière qui est taillée.