Brevet FR2462679A1 — publié le 19810213

Les échangeurs de chaleur tubulaires, qui sont très largement utilisés en tant que refroi- disseurs d'huile pour les moteurs à combustion in- terne, sont habituellement constitués par des pièces en laiton ou en cuivre assemblées entre elles pour former un espace à fluide entre les tubes et un espace interne dans lequel le fluide d'échange de chaleur est envoyé, l'espace entre les tubes contenant habituellement un dispositif générateur de turbulences pour provoquer des turbulences dans l'écoulement du liquide s'écou- lant à travers cet espace afin d'améliorer la rela- tion d'échange de chaleur entre les fluides. - Un raccord est prévu à chaque extrémité de cet espace entre les tubes, le premier fluide étant introduit par l'un des raccords, s'écoulant dans l'espace et sortant par l'autre raccord. Un échangeur de chaleur de ce type a été représenté dans les brevets des EUA N0 2.752.125 et NI 3.959. 867, tous deux cédés à la demanderesse, ainsi que dans le brevet des EUA No 3.001.767. De tels échangeurs de chaleur ont aussi été fabriqués en aluminium de même qu'en cuivre et en laiton qui sont tous des métaux et alliages relative- ment légers et Deu résistants. L'échangeur de chaleur de la présente in- vention est fabriqué en éléments d'acier qui sont mécaniquement résistants et qui résistent à la cor- rosion et dont au moins les surfaces sont en acier inoxydable. L'invention a également pour objet un nouveau procédé de fabrication d'un tel échangeur de chaleur tubulaire qui est rigide, résistant à la corrosion et est constitué par une construction soudée d'éléments en acier inoxydable. Les éléments de l'échangeur de chaleur tubu- laire de la présente invention sont soit en acier inoxy- dable massif soit en acier muni d'un revêtement de surface qui est inoxydable et ces pièces peuvent être fabriquées en utilisant des procédés bien connus dans la technique, tels que ceux décrits dans les brevets des EUA NO 3.092.556 et NO 3.184.331, et de nombreux au- tres procédés de même nature. Bien que l'échangeur de chaleur de la pré- sente invention soit, de préférence, fabriqué en acier inoxydable au chrome, on peut utiliser d'autres types d'aciers qui sont mécaniquement résistants tout en étant résistants à la corrosion, tels que, notamment, le "Monel" et "l'Inconel". Ces aciers sont tous mécani- quement très résistants et, en outre, l'échangeur de chaleur de la présente invention est une structure sou- dée étant donné que tous les joints entre les tubes emboîtés l'un dans l'autre et entre les raccords ex- ternes et celui des tubes emboîtés qui est situé à l'extérieur sont soudés. Ce soudage est un soudage par bossage, opération au cours de laquelle on fait pas- ser un courant électrique entre les surfaces en con- tact des pièces en-acier inoxydable, en chauffant ainsi par résistance les pièces jusqu'à l'état fondu pendant qu'elles sont pressées l'une contre l'autre pour pro- duire le joint soudé. Ensuite, on refroidit les piè- ces pour produire un échangeur de chaleur de construc- tion soudée. Un échangeur de chaleur en acier inoxydable d'un type différent a été décrit dans le brevet des EUA No 4.159.034, délivré le 26 Juin 1979, cédé à la demanderesse. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen des dessins annexés dans les- quels: la figure 1 est une vue en perspective, à l'état séparé, de chacun des éléments qui consti- tuent, en combinaison, un mode de réalisation spé- cifique de l'échangeur de chaleur tubulaire de la présente invention; les figures 2 à 7 sont des vues en coupe successives qui représentent les étapes successives d'un procédé mettant en oeuvre l'invention et servant à produire un échangeur de chaleur mettant en oeuvre l'invention; et la figure 8 est une vue en élévation laté- rale du mode de réalisation de l'échangeur de chaleur de l'invention, à l'état achevé. Comme représenté dans la vue éclatée d'en- semble de la figure 1, les éléments 11 de l'échangeur de chaleur 10 comprennent deux tubes qui constituent un tube extérieur 12 et un tube intérieur 13 de dia- mètres différents et deux moitiés hémicylindriques d'un dispositif 14 générateur de turbulences, en métal déployé. Les éléments 11 comprennent également deux raccords cylindriques 15. Chaque raccord 15 a une forme générale cylindrique et il comporte un passage axial 16 d'écoulement de fluide qui le tra- verse et un anneau circulaire 17 formant surface de contact qui comporte une petite surface de contact a arête vive destinée à venir en contact avec l'un des 246267i épaulements 18 formés aux deux extrémités du plus gros tube ou tube extérieur 12. La figure 2 représente ltétape de formation des épaulements 18 formés aux deux extrémités du tube 12, cette étape formant également simultanément une ouverture 19 entourée de l'épaulement 18. Au cours de l'étape de formation représentée sur la figure 2, l'extrémité 20 du tube est serrée entre deux matri- ces de formage 23 et 24 pour former chaque épaule- ment 18 et un poinçon cylindrique 25 est poussé à tra- vers le centre de l'épaulement 18, pendant que ce dernier est ainsi serré, pour enlever un disque 26 de métal du tube 12 et former ainsi l'ouverture 19 d'écoulement de fluide. La même étape est effectuée à chaque extrémité 20 du plus gros tube ou tube extérieur 12 pour former un épaulement 18 et une ouverture 19 correspondante dans chacune de ces extrémités. L'échangeur comporte également un disposi- tif 14 générateur de turbulencesqui, dans ce mode de réalisation, est formé de deux moitiés hémicylindriques 27 et 28. Les dispositifs générateurs de turbulences d'une telle construction en métal déployé sont bien connus dans la technique et ils ont été représentés dans les brevets des EUA ci-après, qui ont tous été cédés à la demanderesse no 3.688.372, n0 3.732.921, n0 3.734.135, no 3.784.177 et n0 3.959.867. Les tubes 12 et 13 sont fabriqués dans l'acier inoxydable ci-dessus décrit tandis que le dispositif 14 générateur de turbulences et les rac- cords 15 sont en acier au carbone. Pour fabriquer l'échangeur de chaleur après que les épaulements d'extrémité 18 et les ou- vertures 19 ont été formés comme décrit ci-dessus et comme représenté sur la figure 2, on soude chaque raccord 15 par soudage par bossage à son épaulement 18 en appliquant un courant électrique au raccord, comme représenté sur la figure 3. Ce courant est fourni par une machine à souder 29 et par l'intermédiaire de conducteurs électriques 30, 33 dont l'un, le conducteur 30, est raccordé au raccord 15 tandis que l'autre, le conducteur 33, est raccordé au tube 12. Comme il est habituel, la machine à souder 29 fait ainsi passer un courant à travers la très petite surface de con- tact 17 formée par l'anneau circulaire. Du fait que la surface de contact 17 à arête vive est extrêmement petite, la résistance au flux de courant est élevée d'o il résulte que l'acier fond dans la région de la surface circulaire 17 de sorte que la pression, indiquée par la flèche 34, appliquée à cette région par l'intermédiaire du raccord 15, comme représenté schématiquement sur la figure 3, provoque la liaison ou collage du métal fondu à la suite du refroidisse- ment pour former la soudure par bossage. Cette techni- que est naturellement bien connu des spécialistes. Au cours de l'étape suivante du procédé de fabrication de l'échangeur de chaleur de la présente invention, on introduit le petit tube 13, comme indi- qué par la flèche 35, dans le tube plus gros 12 dans une disposition relative espacée de façon à former un espace 36 d'écoulement de fluide. On dispose les deux moitiés 27 et 28 du dispositif cylindrique 14 générateur de turbulences dans cet espace et on évase vers l'extérieur les deux extrémités 37 du tube intérieur 13, en appliquant une pression intérieure, comme indiqué par les flèches 38, jusqu'à ce qu'elles viennent en contact avec la surface intérieure des extrémités 20 du tube extérieur comme représenté sur la figure 5. On soude entre elles les deux extrémités en contact 20 et 37 de chaque paire de telles extré- mités en utilisant, soit un soudage à l'arc au tungstè- ne sous gaz, soit un soudage à électrode de tungstène sous gaz inerte, le courant électrique étant fourni par une machine à souder 39 par l'intermédiaire de con- ducteurs électriques 40 et 43. L'espace de l'arc a été désigné Dar la référence 41 sur la figure 6. Après le soudage des deux paires opposées d'extrémité 20 et 37 de la manière décrite, on élargit le tube intérieur 12 par application d'une pression interne représentée schématiquement par les flèches 45 en étroit contact avec le dispositif 14 générateur de turbulences et, par conséquent, le dispositif 14 générateur de turbulences est appliqué en étroit contact contre le tube ou cylindre exté- rieur 12. Comme on peut le voir sur la figure 8, les extrémités jointes 20 et 37 des tubes extérieur 12 et intérieur 13 sont situées dans des régions qui se trouvent à l'extérieur ou longitudinalement au-delà des raccords 15. Comme indiqué, les deux tubes 12 et 13 sont en acier inoxydable. Les deux raccords 15 ainsi que le dispositif 14 générateur de turbulence peuvent 4tre en acier inoxydable mais ils sont, de préférence, en acier à faible teneur en carbone. Certaines des pièces ou toutes les pièces peuvent être fabriquées en acier inoxydable massif ou elles peuvent n'avoir que leurs surfaces en acier inoxydable, comme ceci se produit lorsque la surface d'un acier ordinaire est imprégnée d'un ingrédient d'alliage d'acier compre- nant du chrome. L'acier inoxydable préféré utilisé pour fabriquer au moins les tubes 12 et 13 parmi les élé- ments 11 de l'échangeur de chaleur de la-présente in- vention est un acier qui comprend du chrome dans une proportion d'au moins 12% par exemple comprise entre 12 et 32%, tel que l'acier inoxydable SAE n 409 bien que d'autres types d'alliages inoxydables puis- sent être utilisés. Un acier contenant du chrome est préféré du fait que le chrome est un agent qui favorise beaucoup l'aptitude à prendre la trempe, étant donné qu'il diminue le taux de refroidissement critique de l'acier et du fait que l'alliage d'acier contenant du chrome a de bonnes caractéristiques de fluage, en particulier aux températures et pressions élevées. Le refroidisseur d'huile achevé, qui a été représenté sur la figure 8 en élévation latérale avec certaines parties internes représentées en traits interrompus, est habituellement monté en place par exemple sur un réservoir en fixant des moyens appro- priés au rebord saillant 47 qui fait partie intégrante de chaque raccord 15o Ceci peut être effectué en appliquant un revêtement de cuivre (non représenté) sur la surface radiale du rebord, par soudage, pla- cage ou pulvérisation de cuivre sur la surface supé- rieure 48 de cheque rebord 47. Ce revêtement de cui- vre, par exemple, est essentiel si l'appareil 10 doit être soudé ou fixé d'une autre manière similaire à un réservoir en laiton. Cependant, si le réservoir est en matière plastique ou en acier inoxydable, un tel revêtement en cuivre n'est pas nécessaire et, dans ce cas, la structure est d'une construction moins oné- reuse. On a décrit ci-dessus l'invention dans son application au mode de réalisation représenté sur les dessins annexés mais il est bien entendu que l'inventin n'est limitée par aucun des détails de la descrip- tion, sauf indication contraire, mais doit être au contraire interprétée largement dans son esprit et sa portée tels que définies par les revendications an- nexées. REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur tubulaire, rigide, en acier inoxydable, résistant à la corrosion soudé, destiné à échanger de la chaleur entre des fluides caractérisé en ce qu'il consiste: a) à utiliser deux tubes d'acier (12, 13) de diamètres différents ayant tous deux des surfaces en acier inoxydable; b) à former une ouverture (19) d'écoulement fluide entourée d'un épaulement (18) au voisinage de chaque extrémité du tube (12) de plus grand dia- mètre; c) à disposer les deux tubes de façon qu'ils forment un tube intérieur et un tube extérieur espa- cés l'un de l'autre; d) à utiliser deux raccords cylindriques (15) en acier, chaque raccord étant traversé par un passage (16) d'écoulement de fluide et comportant un anneau de contact circulaire (17) qui est formé sur une extrémité dudit raccord et qui entoure le pas- sage d'écoulement, cet anneau comportant une surface de contact ayant une faible superficie destinée à venir en contact avec un épaulement précité; e) à souder par bossage chaque raccord à un épaulement en appliquant un courant électrique au rac- cord et au tube extérieur de façon qu'un courant s'é- coule entre eux à travers l'anneau de contact tout en applicuant sous pression le raccord contre l'épaule- ment de façon ainsi à chauffer le raccord et l'épaule- ment dans la région de contact jusqu'à un état fondu, puis à refroidir l'assemblage pour former une sou- dure produite par soudage électrique par résistance de chaque raccord au tube extérieur; et f) à souder entre elles par fusion les extrémités (20, 37) des tubes intérieur et extérieur. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux tubes (12, 13) sont fabriqués en acier inoxydable massif. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'acier inoxydable est l'acier inoxydable désigné par le numéro SAE 409 de classifi- cation des aciers. 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes intérieur (13) et extérieur (12) espacés délimitent entre eux un espace (36) d'écoulement de fluide et en ce qu'on insère un dispositif en acier (14) générateur de turbulences dans les liquides dans cet espace. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes intérieur (13) et extérieur (12) espacés délimitent entre eux un espace (36) d'écoulement de fluide et en ce qu'on insère un dispositif en acier (14) générateur de turbulences dans les liquides dans cet espace, après quoi on élargit le tube intérieur (13) pour mettre les tubes et le dispositif (14) générateur de turbulences en contact sous pression permanent. 6 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on évase les extrémités (37) du tube intérieur (13) vers l'extérieur en contact avec la surface intérieure du tube extérieur (12) dans les régions situées à l'extérieur des raccords (15), le soudage des tubes entre eux étant effectué à ces extrémités en contact. 7 - Procédé selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les tubes intérieur (13) et exté- rieur (12) espacés délimitent entre eux un espace (36) d'écoulement de fluide, en ce qu'on insère un dispo- sitif en acier (14) générateur de turbulences dans les liquides dans cet espace et en ce qu'on évase les extrémités (37) du tube intérieur (13) vers l'exté- rieur en contact avec la surface intérieure du tube extérieur (12) dans les régions situées à l'extérieur des raccords (15), le soudage des tubes entre eux étant effectué à ces extrémités en contact. 8 - Procédé selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les deux tubes (12, 13) ont des surfaces en acier imprégnées d'un ingrédient d'alliage de l'acier comprenant du chrome. 9 - Echangeur de chaleur tubulaire rigide en acier inoxydable soudé conçu pour échanger de la chaleur entre des fluides caractérisé en ce qu'il comprend: a) deux tubes intérieur (13) et extérieur (12) espacés, une ouverture (19) d'écoulement de fluide entourée d'un épaulement (18) étant formée au voisinage de chaque extrémité (20) du tube extérieur (12) de plus grand diamètre; b) deux raccords cylindriques (15) en acier, chacun comportant un passage traversant (16), un an- neau circulaire (17) formant surface de contact dis- posé sur une extrémité du raccord entourant le passage et une soudure par bossage continue formée au niveau de l'anneau de contact et joignant ledit raccord à un épaulement (18); et c) une soudure continue joignant entre elles les extrémités respectives (20, 37) des tubes inté- rieur et extérieur, chacune des soudures qui assemblent les raccords (15) au tube extérieur-(12) et qui as- semblent entre eux les tubes comportant un métal de soudure qui n'est constitué essentiellement que par le métal massif préalablement fondu provenant de varties adjacentes des tubes. - Echangeur de chaleur selon la re- vendication 9, caractérisé en ce que les deux tubes (12, 13) sont fabriqués en acier inoxydable massif. 11 - Echangeur de chaleur selon la re- vendication 10, caractérisé en ce que l'acier inoxy- dable est l'acier inoxydable désigné par le-numéro SAE 409 de classification des aciers. 12 - Echangeur de chaleur selon la re- vendication 9, caractérisé en ce que les tubes intérieur (13) et extérieur (12) espacés délimiènt entre eux un espace (36) d'écoulement de fluide et en ce qu'un dispositif en acier (14) générateur de turbulences dans les liquides est disposé dans cet espace. 13 - Echangeur de chaleur selon la revendi- cation 9, caractérisé en ce que les tubes intérieur (13) et extérieur (12) espacés délimitent entre eux un espace (36) d'écoulement de fluide et en ce qu'un dispositif en acier (14) générateur de turbulences dans les liquides est disposé dans cet espace en contact sous pression permanent avec les tubes. 14 - Echangeur de chaleur selon la re- vendication 9, caractérisé en ce que le tube intérieur (13) est élargi et en contact avec la surface intérieu- re du tube extérieur (12) dans les régions situées à l'extérieur des raccords (15), les tubes étant soudés entre eux au niveau de ces extrémités en contact. - Echangeur de chaleur selon la revendi- cation 9, caractérisé en ce que les tubes intérieur (13) et extérieur (12) espacés délimitent entre eux un espace (36) d'écoulement de fluide, en ce qu'un dispositif en acier (14) générateur de turbulences dans les liquides est disposé dans cet espace et en ce que le tube intérieur (13) est élargi et en contact avec la surface intérieure du tube extérieur dans les ré- gions situées à l'extérieur des raccords (15), les tubes étant soudés entre eux au niveau de ces extré- mités en contact. 16 - Echangeur de chaleur selon la revendi- cation 9, caractérisé en ce que les deux tubes (12, 13) ont des surfaces en acier imprégnées d'un ingré- dient d'alliage de l'acier comprenant du chrome.