Brevet FR2383405A1 — publié le 19781006

La présente invention, due à la collaboration de Monsieur Louis .FOUDET, se rapporte à un échangeur de chaleur de type plan en contact thermique étroit avec un réseau de tubes dans lequel circule un fluide caloporteur et, enparticulier, à la réalisation d'un capteur d'énergie solaire. L'invention concerne également le procédé d'assemblage d'un tel échangeur sur le lieu d'utilisation. On connait de nombreuses réalisations de capteurs solaires formés par l'assemblage d'une plaque en matériau thermoconductetar recouverte éventuellement d'une couche d'une matière à fort pouvoir absorbant du rayonnement thermique solaire et d'un faisceau tubulaire ou d'un serpentin parcouru par le fluide à chauffer et disposé sur l'une au moins des faces de la plaque. L'ensemble est ensuite placé dans une enceinte close mais transparente au rayonnement et relié par des tuyauteries annexes au roseau de circulation du fluide caloporteur. Selon les cas, les tubes et les plaques sont assemblées soit par sondage, soit par agrafage au moyen de pièces rapportées sur la plaque ou sur les tubes0 Be soudage est un procédé onéreux du fait de l'apport de la soudure elle-même et inadéquat du fait qu'il exclut certains maté- riaux difficilement compatibles. C'est le cas notamment pour le soudage de l'aluminium avec de l'acier, matériaux qui pourraient être choisis de préférence respectivement pour la plaque et pour les tubes, l'un pour sa bonne conductibilité thermique} l'autre pour sa bonne tenue à la corrosion et son faible prix, dans le cas où le fluide caloporteur est de l'eau. D'autre part, cette solution n'est exploitable économiquement qu'en usine, avec des moyens de mise en oeuvre importants. L'agrafage suppose la fabrication supplémentaire des agrafes dans un matériau appropriet puis leur montage, ce qui entraine une augmentation du prix de revient de l'échangeur. Les régions les plus intéressées par l'exploitation de l'éner gie solaire sont celles qui disposent d'un taux d'ensoleillement relativement élevé. Ce sont souvent aussi les plus désertiques et les moins industrialisées, si bien qu'il est important de pouvoir réaliser les capteurs solaires sur le lieu même de leur utilisation, avec un outillage minimum, voire rudimentaire. On connait un procédé d'assemblage qui consiste à découper à la presse des pattes ou languettes dans la plaque, de chaque coté des gorges parallèles contenant les tubes, puis à rabattre lesdites pattes sur les tubes afin de les maintenir en contact thermique avec la plaque. Un deuxième procédé connu consiste à former dans la plaque des replis parallèles en double épaisseur, normalement au plan de la plaque, entre lesquels on engage les tubes, et à refoulr ensuite ces plis autour des tubes pour les emprisonner en contact conducteur direct avec la plaque, de manière que le joint de fermeture des replis soit situé à l'extérieur du plan de la plaque, à une distance corses pondant sensiblement au diamètre des tubes. L'existence de ces plis (deux par tube) nécessite une importante surface de plaque avant formage. Compte tenu du matériau utilisé, généralement de l'aluminium pour sa bonne conductibilité ther mioue, les coûts augmentent rapidement, surtout si les plis occupent toute la longueur des tubes, D'autre part, ces replis en forme d'épingle à cheveu peuvent amorcer des déchirures dans le métal et rendent le refoulage sur le tube d'autant plus difficile et délicat que l'épaisseur de métal est double. Le but de l'invention est d'éviter les inconvénients précédents et de réaliser un échangeur de chaleur à plaoue particulièrement simple, économique et facilement transportable autorisant son montage sur le lieu d'utilisation avec des moyens rudimentaires tout en assurant une bonne liaison thermique entre la plaque et les tubes de circulation du fluide caloporteur. A cet effet, l'invention a pour objet un échangeur du type ci-dessus, comprenant une plaque thermoconductrice munie d'une pluralité de gorges parallèles embouties sur une face et un faisceau de tubes métalliques disposés dans les gorges, pour la circulation d'un-fluide caloporteur, caractérisé en ce que chaque gorge présente avant sertissagelun fond arrondi, de rayon intérieur égal au rayon extérieur du tube à recevoir et deux faces en regard, sensiblement perpendiculaires au plan de la plaque, de hauteur au moins égale au diamètre du tube, et en ce que l'assemblage obtenu après sertissage de la gorge autour du tube laisse subsister un joint de fermeture, parallèle à une génératrice du tube et situé dans le plan de la plaque. Pour le montage de l'échangeur de chaleur selon le procédé objet de l'invention, l'on dépose chaque tube respectivement dans une gorge, pis l'on referme les faces de la gorge autour du tube, par déformation du métal, en une ou plusieurs passes, au niveau des angles formés par la plaque et la gorge, de préférence au moyen d'un dispositif de sertissage à molettes en regard, à écartement rnglable De la sorte, on assemble l'échangeur sur place, de façon exclusivement méchanique et sans adjonction de pièce ou de matière com- plémentaire, ce qui réduit le poids total des pièces détachées et facilite par ailleurs leur transport dans des régnons d'accès difficille. la configuration des plaques permet leur empilage en vue de réduire leur encombrement et de faciliter encore le transport, Dans le meme esprit, la formation des gorges par emboutissage ou par pliage est celle qui correspond à la surface nécessaire minimum de plaque et donc au poids et au coat minima. D'autres avantages et particularités ressortiront de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple, en référence aux dessins annexes sur lesquels 'la figure 1 représente, en perspective, la plaque de l'échangeur après formation des gorges par emboutissage, La figure 2 représente en coupe, le profil d'une gorge, 'les figures 3 et 4 représentent, à plus grande échelle, un tube déposé dans une gorge, respectivement avant et après sertissage et, la figure 5 représente, en-coupe, le sertissage de la gorge autour du tube au moyen d'un appareil à molettes. En se reportant à la figure 1, on 2 représenté une plaque 1 de bonnes caractéristiques thermo-conductrnces, de préférence en aluminium, éventuellement revetue d'une couche absorbante du rayonnement thermique solaire si on la destine à la réalisation d'un élément de capteur solaire. I1 peut s'agir d'une peinture noire, d'une couche de noir de chrome ou de toute autre matière appropriée. 'la plaque 1 présente une série de gorges parallèles 2 obtenues par une opération mécanique classique d'emboutissage ou encore par pliage ou moletage. Ces gorges sont régulièrement espacées entre elles d'une distance "d" définie par les conditions thermiques d'utilisation du capteur et aménagées sur toute la longueur "L" de ladite plaque. Elles sont destinées à recevoir chacune un tube metallicue 3 (figure 3) de circulation du fluide caloporteur, de préférence en acier pour son faible coat et sa bonne résistance à la corrosion, notamment lorsque le fluide est de l'eau. Conformément à une caractéristique de l'invention, figure 2, chaque gorge 2 présente en coupe une forme générale en U, en dessous du plan de la plaque t, et comporte un fond arrondi 4 de rayon intérieur "R" égal au rayon extérieur du tube 3 à recevoir, prolongé per deux faces 5,6, en regard sensiblement perpendiculaires au plan de la plaque. Pour faciliter le transport des plaques par empilage et embus tement des gorges 2 les unes dans les autres, on prévoit sur chaque face 5,6 de la gorge une légère dépouille 'b(" par rapport à la normale à la plaque, d'une valeur comprise entre 2,5 et 5 degrés. La hauteur "H" des faces (5t6) est au moins égale au diamètre du tube 3 à recevoir, de manière à ce qu'après sertissage de la gor ge autour du tube (figure 4), ce dernier soit recouvert sur un angle concave " compris entre 300 degrés et un cercle complet, correspon dant à la fermeture quasi-totale, en laissant subsister un joint de fermeture 7, parallèle à une génératrice du tube 3 et situé dans le plan de la plaque 1. Le procédé de montage selon l'invention est illustré par les figures 3 à 5 où, après avoir déposé le tube 3 au fond de sa gorge 2 il suffit de refermer les faces en regard 5,6 de la gorge autour du tube, au niveau des angles formés par la gorge 2 et la plaque 1, par déformation du métal, au moyen d'un dispositif classique comprenant deux molettes 8,9 en regard de forme appropriée pour éviter undéchirement du métal, inclinées par rapport au plan de la plaque et à écartement réglable. I1 peut s'agir d'une machine industrielle importante si les tubes sont montés en usine, mais aussi d'un appareil plus maniable, portatif, pour le montage sur-le lieu d'utilisation. L'entrainement des molettes 8,9 peut donc être aussi bien manuel, qu'électrique ou pneumatique selon la source d'énergie disponible. Selon la nature et l'épaisseur du métal, il peut Qtre nécessaire de procéder à ce sertissage en plusieurs passes, le même appareil pouvant être doté de plusieurs jeux de molettes disposés successivement, le premier jeu assurant un préformage de métal le ou les jeux suivants rapprochant peu à peu les bords de la gorge 2 autour du tube 9 jusqu'à avoir, si on le désire, une fermeture totale du joint 7. le sertissage donne lieu à un rapprochement deo faces 5,6 de la gorge, mais aussi des portions de surface de la plaque 1 dispo- sées de part et d'autre de la gorge. I1 s1 ensuit un retrécissement général de la largeur hors-tout de la plaque dont il faudra tenir compte et, éventuellement, une déformation de la planéité de ladite plaque selon sa nature et son épaisseur. Pour rétablir cette planéité, une opération finale de redressement est conseillée et, dans les cas extrêmes, on pourra fixer me barrette de maintien (non représentée) sur toute la largeur de la plaque 1, perpendiculairement au faisceau de tubes 3. L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit,C'est ainsi, en particulier, que la plaque peut être réalisée à pa partir d'une pluralité de modules élémentaires préfabriqués (tel que celui représenté sur la figure 4) et placés cote-à-cote, identiques a ceux qui seraient obtenus par découpage longitudinal de la plaque 1 entre deux gorges Z consécutives et à égale distance l'une de l'autre (pointillés 10, figure 1). En variante, les plaques élémentaires peuvent être embouties en usine de manière à former uns gorge unique par plaque é'lemenaire et les tubes montés sur place selon le procédé précédent. Te transport des éléments de plaque s'en trouve encore facilité par la réduction de l'encombrement, l'empilage étant toujours possible. Un autre avantage de cette solution réside dans le fait que la réalisation dn capteur est rendue beaucoup plus souple car il suffit d'aligner cote-à-cote les modules élémentaires préalablement assemblés, dont les largeurs sont parfaitement déterminées. On s'affranchit ainsi des contraintes dues au retrécissement des grandes plaques après sertis- sage. D'autre part, les modules seraient escés d'un joint permet tant leur dilation, sans nuire à la planéité de l'ensemble. A titre facultatif, on pourra couler dans le joint de fermeture 7 des gorges 2, une peinture protectrice et/ou un cordon de résine appropriée afin d'assurer 11 isolation des contacts tubes plaques vis . vis de l'atmosphère extérieur et prévenir ainsi tout risque de corrosion. Outre son rale protecteur, cette peinture pourra également améliorer la conduction thermique entre plique et tube ; on utilisera pour cela des ingrédientsdu commerce, tels qu'un apprêt soudable chargé à la poudre de zinc et d'aluminium, ou selon les conditions de température, des silicones également chargés de pigments minérauxx assurant une bonne conductibilité thermique. Ces types de produits seront de préférence appliqués immédiatement avant sertissage, dans la gorge de la plaque et avec une épaisseur suffisante pour bien imprégner toute la surface de contact tube-plaque après sertissage. L'invention trouve une application préférentielle dans la réalisation des capteurs solaires, mais elle peut être utilisée pour la fabrication d'échargeurs de chaleur de toute nature, notamment de radiateurs de chauffage fonctionnant suivant le cycle thermique inverse. - REVENDICATIONS 1- Echangeur de chaleur, notamment pour le captage de l'éner- gie solaire rayonnée, comprenant une plaque thermoconductrice (1) munie d'une pluralité de gorges parallèles (2) embouties sur une face et un faisceau de tubes métallioues (3) disposés dans les gorges, pour la circulation d'un fluide caloporteur, caractérise' en ce que chaque gorge (2) présente avant sertissage un fond arrondi (4) de rayon (R) intérieur égal au rayon extérieur du tube (3) à recevoir et deux faces en regard (5,6) sensiblement perpendiculaires au plan de la plaque 1, de hauteur (H) au moins égale au diamètre du tube, et entre que l'assemblage obtenu après sertissage de la gorge (2) autour du tube (3) laisse subsister un joint de fermeture (7), parallèle à une génératrice du tube et situé dans le plan de la plaque (17. 2- Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les faces en regard (5,6) des gorges (2) présentent une légère depouille ( (1) par empilage. 3- Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques (1) sont en aluminium et les tubes (3) en acier. 4- Echangeur de chaleur selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est formé d'une pluralité de modules élémentaires préfabriqués et placés cote-à-cote, identiques à-ceux qui seraient obtenus par découpage longitudinal (10) de la plaque entre deux gorges (2) consécutives et à égale distance l'une de l'autre. 5- Procédé pour le montage sur le lieu d'utilisation de l'é- changeur de chaleur défini aux revendications 1 et 4, caractérisé en ce que l'on dépose chaque tube (3! respectivement dans une gorge (2) puis l'on referme les faces (5,6) de la gorge autour du tube, par dé formation du métal, en une ou plusieurs passes, au niveau des angles formés par la plaque (1) et la gorge (2), de préférence au moyen d'un dispositif de sertissage à molettes en regard (8,9), à écartement réglable, 6- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le sertissage de la gorge (2) sur le pourtour du tube (3) produit un recouvrement sur un angle (ss) ) compris entre 300 degrés et un celle complet correspondant à la fermeture totale. 7 - procédé selon les revendications 5 et 6 caractérisé en ce qu'on applique dans la gorge, avant sertissage, une couche de peinture protectrice-contre la corrosion, éventuellement chargée d'ingrédients connus pour améliorer la conductibilité thermique entre la gorge et le tube.