Brevet FR2494422A1 — publié le 19820521

249442? La présente invention se rapporte à un échangeur de chaleur comprenant des tubes plats disposés parallèlement et à un certain écartement mutuel et qui sont raccordés chacun & l'ai- de d'ouvertures de raccordement formées sur une face étroite à un tube collecteur d'arrivée et à un tube collecteur de retour, chaque tube collecteur présentant des ouvertures de raccorde- ment correspondantes, le raccordement étant assuré par soudage des tubes plats aux tubes collecteurs. Dans les échangeurs de chaleur de ce genre qui sont connus jusqu'à présent et qui comportent des tubes plats dis- posés parallèlement à un certain écartement mutuel, les tubes plats qui étaient habituels jusqu'à présent étaient utilisés, pour des raisons de technique de fabrication, dans des dimen- sions donnant une contenance d'eau relativement grande, parce que sur les faces étroites de ces tubes plats on dispose encore d'une largeur suffisante pour former des ouvertures de raccor- dement de dimensions appropriées et que cette largeur suffit encore pour obtenir un assemblage suffisamment stable des tubes par soudage des tubes plats sur les tubes collecteurs, par exem- ple par soudage par pression sur bossages. Lorsque l'échangeur de chaleur est utilisé comme corps de chauffe dans une installation de chauffage central et que l'eau chaude circule dans les tubes plats, on peut obtenir, avec une vitesse élevée de circulation de l'eau chaude dans les tubes, une inertie thermique du corps de chauffe relativement faible et une meilleure émission de chaleur et, par conséquent, une meilleure utilisation de l'énergie à dépenser. Pour attein- dre cet effet, on tend à utiliser également dans les échangeurs de chaleur du genre cité au début des tubes à section ovale ultra-plats dans lesquels l'eau circule avec une haute vitesse d'écoulement. On désigne par cette expression des tubes plats dans lesquels le rapport de la surface de section intérieure au périmètre extérieur est inférieur ou égal à 2,5. Ces tubes plats ont une profondeur trop faible pour qu'on puisse prévoir 249442? sur la petite face de ces tubes plats des ouvertures de raccor- dement suffisamment grandes pour garantir un débit suffisant d'arrivée de l'eau chaude des tubes collecteurs aux tubes plats ou d'évacuation de l'eau chaude des tubes plats aux tubes col- lecteurs. Par ailleurs, la faible profondeur des aubes plats ne permet pas d'assembler leurs faces étroites aux tubes col- lecteurs par les procédés de soudage connus d'une façon suffi- samment solide pour obtenir la solidité qu'on exige de l'échan- geur de chaleur. Le but de ltinvention est donc de créer un corps de chauffe du genre cité au début qui puisse être fabriqué avec les procédés de soudage connus et qui puisse être fabriqué avec utilisation de tubes plats de très faible profondeur CM vue d'assurer une meilleure utilisation de l'énergie à dépenser ou de réaliser des économies d'énergie. Suivant l'invention, ce problème est résolu par le fait que dans les zones de raccorde- ment, la paroi des tubes collecteurs et/ou des tubes plats est usinée de façon à permettre l'interpénétration mutuelle des ré- gions des bords des parois, et que les tubes collecteurs et les tubes plats sont soudés les uns aux autres dans des zones des parois des tubes qui sont appliquées les unes sur les autres le long de la ligne d'interpénétration des tubes, avec les ouver- tures de raccordement disposées coaxialement entre elles. Suivant des caractéristiques avantageuses de l'in- vention: dans les tubes plats, le rapport de la surface de la section intérieure au périmètre extérieur du tube est infé- rieur ou égal à 2,5, les tubes collecteurs présentent dans les zones de raccordement des augets qui s'étendent à travers le tube, transversalement à l'axe longitudinal du tube, le long d'une corde, et dont le profil, considéré dans la direction a- xiale du tube, correspond au profil de la section du tube plat au niveau de sa face étroite, de manière qu'un bord du tube plat s'encastre exactement dans un auget, les tubes pl.ats présentent, sur une face étroite, des augets qui s'étendent transversalement 249442? à l'axe longitudinal du tube plat et dont le profil, considéré dans la direction de l'axe du tube, correspond au moins à peu près au profil de la section du tube collecteur de manière que le tube collecteur et le tube plat s'épousent mutuellement; les augets sont formés par enlèvement de matière pour former un a- jour de la paroi du tube et constituent une ouverture de rac- cordement, les augets sont formés par enfoncement de la paroi du tube, et au milieu de chaque auget est formé un perçage qui joue le r8le d'une ouverture de raccordement; les tubes collec- teurs et les tubes plats sont soudés l'un à l'autre au moyen d'augets formés dans les zones de raccordement par enlèvement de matière sur le tube collecteur et sur le tube plat; des tu- bes collecteurs qui présentent des augets sont soudés à des tu- bes plats présentant des ouvertures de raccordement constitués par des perçages, ou des tubes plats présentant des augets sont soudés à des tubes collecteurs, qui présentent des ouvertures de raccordement constituées par des perçages. Les tubes plats sont élargis au niveau des augets par une déformation de la pa- roi du tube dans la direction transversale à l'axe longitudinal du tube plat; les tubes collecteurs et les tubes plats sont as- semblés entre eux par soudage ou par soudage par pression sur bossage; les tubes collecteurs sont composés chacun d'au moins deux parties qui s'étendent sur la longueur du tube et les tubes plats sont soudés à l'une de ces parties des tubes collecteurs, par la face interne de cette partie, les deux parties du tube - collecteur étant ensuite réunies entre elles par des cordons de soudure qui s'étendent sur la longueur du tube. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion appara tront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, - la Fig. 1 est une vue schématique en élévation de c8té de l'échangeur de chaleur suivant l'invention; - la Fig. 2 est une vue de dessus de l'échangeur de chaleur de la Fig. 1; - les Fig. 3 et 4 représentent par des vues de dé- tail et à plus grande échelle le tube collecteur et le tube plat séparés l'un de l'autre, le tube collecteur étant repré- senté en coupe transversale (Fig.3) et en coupe longitudinale (Fig.4) et étant muni d'un auget pour l'assemblage; - la Fig. 5 représente l'tassemblage des Fig.3 et 4 terminé, par une vue en coupe transversale du tube collecteur; - les Fig. 6 et 7 représentent par des vues partiel- les et également à plus grande échelle le tube collecteur et le tube plat séparés l'un de l'autre, le tube plat étant vu en coupe longitudinale (Fig.6) et en coupe transversale (Fig.7) et étant muni d'un auget pour l'assemblage; - la Fig. 8 montre l'assemblage des Fig. 6 et 7 ter- miné, par une vue en coupe transversale du tube collecteur; - les Fig. 9 et 10 représentent par des vues de dé- tail et également & plus grande échelle le tube collecteur et le tube plat séparés l'tun de l'autre, le tube collecteur étant représenté en coupe transversale (Fig.9) et en coupe longitu- dinale (Fig.10), le tube plat et le tube collecteur étant munis d'un auget pour l'assemblage; - les Fig. 11 et 12 représentent par des vues de dé- tail et également à plus grande échelle le tube collecteur et le tube plat séparés l'un de l'autre, le tube plat étant re- présenté en coupe longitudinale (Fig.11) et en coupe transver- sale (Fig.12) et étant muni pour l'assemblage d'un auget qui est élargi dans la direction transversale; - les Fig. 13 et 14 représentent par des vues de dé- tail et également à plus grande échelle le tube collecteur et le tube plat séparés l'un de l'autre, le tube plat étant repré- senté en coupe longitudinale (Fig.13) et en coupe transversale (Fig.14) et étant muni, pour l'assemblage, d'un perçage élargi dans la direction transversale; - les Fig. 15 et 16 représentent le tube collecteur et le tube plat séparés l'un de l'autre, le tube plat étant mu- ni pour l'assemblage d'un auget qui est resserré vers l'inté- rieur et d'un trou de raccordement évasé. L'échangeur de chaleur suivant les Fig. 1 et 2 com- prend deux tubes collecteurs 1 et 2 pour l'arrivée et le retour ainsi que des tubes plats 3 raccordés latéralement aux tubes collecteurs, ces tubes 3 étant raccordés aux deux tubes collec- teurs 1 et 2 par leurs faces étroites et étant disposés paral- lèlement et & espacement mutuel régulier. Avec les tubes plats 3 représentés en traits continus sur le c8té gauche, l'échan- geur de chaleur représente la forme de réalisation à une seule colonne, et, avec les tubes plats 4 raccordés en supplément sur le côté droit et représentés en traits discontinus, il repré- sente la forme de réalisation à deux colonnes. Pour pouvoir réaliser les assemblages et raccorde- ments non représentés sur les Fig. 1 et 2 entre les tubes col- lecteurs et les tubes plats, avec utilisation de tubes plats extrêmement plats, avec une solidité suffisante de l'assembla- ge et avec-des ouvertures de raccordement suffisamment grandes, on doit préparer les tubes collecteurs et les tubes plats, ou les deux sortes de tubes, avant la réalisation de l'assemblage, par usinage de la paroi des tubes. Dans une première forme de réalisation, représentée sur les Fig. 3 et 4, chaque tube col- lecteur la ou 2a présente, dans les zones d'assemblage, des creux ou augets 5 qui s'étendent dans le tube, transversalement à l'axe du tube, le long d'une corde, et dont le profil, consi- déré dans la direction de l'axe du tube, correspond au profil de la section du tube plat 3a au niveau de sa face étroite, ainsi qu'on peut le voir sur la Fig.4. Le creux 5 est formé au moyen d'une fraise & profiler, de sorte qu'on obtient par en- lèvement de matière un ajour de la paroi du tube servant d'ou- verture de raccordement 5, la paroi traversée du tube présen- tant le profil de l'auget, ainsi qu'il ressort de la Fig.4. Sur la Fig. 4, la coupe du tube plat 3a laisse voir que ce tube est extrêmement plat. La largeur libre du tube est de 3 à 5mu, avec une hauteur extérieure du tube d'environ 70 mm et une épaisseur de t8le de 1,25 à 2,0 mm au maximum. Avec ces cotes, dans ce tube, le rapport de la surface de section intérieure au périmètre extérieur est inférieur ou égal & 2,5. Rapporté A la 1ongueur du tube, le mime coefficient de 2,5 exprime le rapport du volume d'eau contenu dans le tube à la surface de chauffe externe du tube. Ici, comparativement aux tubes de plus forte section qui sont utilisés dans les échangeurs de chaleur connus, la faible valeur de ce coefficient signifie que la surface de chauffe rapportée 9 un même volume d'eau est plus grande et que l'émission de chaleur du corps de chauffe est donc meilleure* Etant donné que le tube plat contient une quan- tité d'eau plus faible qui s'écoule avec ule plus grande vites- se, l'inertie thermique de l'échangeur de chaleur est plus fai- ble que celle d'un échangeur qui ne comporte pas de tubes ex- trêmement plats. Ltauget 5 nécessaire pour établir un assembla- ge solide entre les tubes pourrait être également obtenu par un emboutissage transversal du tube. Dans ce cas, on aurait à former séparément une ouverture de raccordement. Sur la Fig. 5s on a représenté A plus petite échelle l'assemblage terminé entre un tube collecteur et un tube plat suivant les Fig. 3 et 4. Ici, A la différence de la représenta- tion des Fig.3 et 4, on a représenté un tube collecteur 1 ou 2 qui est composé de deux parties qui suétendent sur la longueur du tube. Dans ce procédé d'assemblage des tubes plats avec les tubes collecteurs, qui constitue l'un des différents procédés possibles, le tube plat 3a est tout d'abord soude & l'une des parties du tube collecteur, par le c8té intérieur de ce tube, et ensuite les deux parties du tube collecteur sont réunies l'une A l'autre par des cordons de soudure qui s'étendent sur la longueur du tube. Dans la forme de réalisation suivant les Fig.3 et 4, il n'est prévu comme ouverture de raccordement dans le tube plat 3a qu'un perçage 7 qui, au moment de l'assemblage entre le tube plat et le tube collecteur, vient se placer au milieu de l'ouverture de raccordement 6 formée dans ce dernier. Dans la variante de réalisation suivant les Fig.6 et 7, le tube plat 3b présente sur sa face étroite, dans cha- que zone d'assemblage, un auget 8 qui s'étend transversalement à l'axe longitudinal du tube plat et dont le profil, considéré dans la direction de l'axe du tube, correspond au profil trans- versal du tube collecteur lb ou 2b. Cet auget 8 est avantageu- sement réalisé ici également à l'aide d'une fraise à profiler, de sorte que, par enlèvement de matière, on obtient un ajour 9 de la paroi du tube qui forme l'ouverture de raccordement. Le tube collecteur lb ou 2b présente dans ce cas comme ouverture de raccordement un perçage 10. L'assemblage terminé des tubes de la forme de réalisation des Fig. 6 et 7 est représenté sur la Fig.8. Ici, à titre d'autre variante des procédés d'assem- blage du tube collecteur et du tube plat, ces tubes sont assem- blés l'un à l'autre par soudage sur la surface externe. Le sou- dage s'effectue sur tout le tour de l'ouverture de raccordement, le long de la ligne d'interpénétration des deux tubes. Un au- tre procédé connu pouvant être utilisé pour l'assemblage des tubes collecteurs et des tubes plats est constitué par le sou- dage par pression sur bossages, qui permet de réaliser simul- tanément à l'aide d'une seule machine tous les assemblages de raccordement sur l'échangeur de chaleur. Le perçage cylindrique qui forme l'ouverture de rac- cordement 7 dans le tube plat suivant la Fig.3 ou l'ouverture de raccordement 10 dans le tube collecteur suivant la Fig.6 ne peut pas être de diamètre supérieur à la largeur libre du tube plat, laquelle fixe ainsi la limite de la dimension de l'ouverture de raccordement et de cette façon, du débit d'arri- vée du fluide de chauffage des tubes collecteurs aux tubes plats et, inversement, d'évacuation du fluide de chauffage des tubes plats aux tubes collecteurs, dans les formes de réalisa- tion des Fig. 3 à 8. Lorsque, pour obtenir un plus grand débit, les ouvertures de raccordement ménagées dans les deux tubes a assembler doivent être plus grandes, on peut, comme on l'a in- diqué sur les Fig. 9 et 10, former un auget 5 dans le tube col- lecteur la ou 2a, comme dans la forme de réalisation de la Fig.3, et également un auget 8 dans le tube plat 3b, comme dans la forme de réalisation suivant la Fig.6, de sorte que les deux tubes sont en contact entre eux par des ouvertures de raccorde- ment 6 et 9 en forme de fentes. Sur les Fig. il et 12, on a représenté une autre for- me de réalisation dans laquelle, dans le tube collecteur lc ou 2c, l'ouverture de raccordement est formée par un perçage 11 qui est plus grand en diamètre que le perçage 10 suivant les Fig. 6 et 7, dont la dimension maximale dépend, ainsi qu'on l'a indiqué, de la largeur libre du tube plat. En conséquence, com- me on l'a indiqué sur les Fig. 11 et 12, le tube plat 3c est élargi, au milieu de l'auget 12 formé par enlèvement de matiè- re, par déformation de la paroi du tube dans la direction trans- versale à l'axe longitudinal du tube plat. Cet élargissement 13 de la paroi du tube ressort plus nettement de la Fig. 12 et permet à l'ouverture de raccordement 14 du tube plat de recou- vrir l'ouverture de raccordement 11 de plus grande dimension ménagée dans le tube collecteur. Dans une autre forme de réalisation suivant les Fig. 13 et 14, on a formé dans le tube plat 3d par un perçage cy- lindrique un plus petit auget 15 qui forme ensuite, avec un élargissement 16 obtenu par déformation de la paroi du tube dans la direction transversale à l'axe longitudinal du tube, une ouverture de raccordement 17. Le tube collecteur ld ou 2d possède une ouverture de raccordement 18 à peu près aussi gran- de, qui est plus grande que, par exemple, l'ouverture de rac- cordement 10, du tube collecteur lb ou 2b suivant les Fig. 6 et 7. Grâce à l'élargissement 16, le bord de la paroi du tube qui entoure l'ouverture de raccordement 17 du tube plat peut donc être fixé par soudure à la paroi du tube collecteur ld ou 2d tout autour de l'ouverture de raccordement 18. Dans une forme préférée de réalisation suivant les -Fig. 15 et 16, un auget 20 est formé par enfoncement dans le tube plat 3e sur la face étroite de ce tube. Un perçage ménagé au milieu de l'auget 20 forme l'ouverture de raccordement. Dans cette ouverture de raccordement, la section de passage du fluide de chauffage est encore agrandie par l'élargissement 21 du tube plat réalisé au moyen d'un mandrin. Le tube collecteur ld, 2d présente, comme ouverture de raccordement, un perçage 18 à peu près aussi grand, comme dans la forme de réalisation suivant les Fig. 13 et 14. Avec l'auget formé par enfoncement sur le tube plat, on peut réaliser avec le tube collecteur un assem- blage par soudage très stable, avec utilisation du soudage par pression sur bossages. Avec les formes de réalisation décrites plus haut, on peut produire d'une façon avantageuse du point de vue de la technique de fabrication et du point de vue économique un échan- geur de chaleur qui possède les avantages que l'on peut obtenir avec les tubes extrêmement plats, avantages qui résultent de la haute vitesse de l'écoulement du fluide de chauffage et de l'i- nertie thermique d'autant plus faible, ainsi que de la meilleu- re émission de chaleur, ce qui, au total, contribue à une meil- leure utilisation de l'énergie à dépenser. Les tubes plats de l'échangeur de chaleur qui sont disposés parallèlement et & un certain écartement mutuel et de préférence verticalement, et qui entourent entre eux des espaces d'air, ont en outre l'effet a- vantageux de produire un écoulement d'air ascendant, à la façon d'une cheminée. REVENDICATIONS 1 - Echangeur de chaleur comprenant des tubes plats disposés parallèlement et à un certain écartement mutuel et qui sont raccordés chacun à un tube collecteur d'arrivée et un tube collecteur de retour à l'aide d'ouvertures de raccorde- ment formées sur une face étroite, chaque tube collecteur pxé'- sentant des ouvertures de raccordement correspondantes, le rac- cordement étant assuré par soudage des tubes plats aux tubes collecteurs, cet échangeur de chaleur étant caractérisé en ce que dans les zones de raccordement, la paroi des tubes collec- teurs et/ou des tubes plats est usinée de façon à permettre l'interpénétration mutuelle des régions des bords des parois, et en ce que les tubes collecteurs et les tubes plats sont sou- dés les uns aux autres dans des zones des parois des tubes qui sont appliquées les unes sur les autres le long de la ligne d'interpénétration des tubes, avec les ouvertures de raccorde- ment disposées coaxialement entre elles. 2 - Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que dans les tubes plats (3a à 3e), le rapport de la surface de la section intérieure au périmetre extérieur du tube est inférieur ou égal à 2,5. 3 - Echangeur de chaleur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les tubes collecteurs (la, 2a) présentent dans les zones de raccordement des augets (5) qui s'étendent & travers le tube, transversalement à l'axe longitudinal du tube, le long d'une corde, et dont le profil, considéré dans la direc- tion axiale du tube, correspond au profil de la section du tube plat (3a) au niveau de sa face étroite, de manière qu'un bord du tube plat-s'encastre exactement dans un auget (5). 4 - Echangeur de chaleur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les tubes plats (3b à 3e) présentent, sur une face étroite, des augets (8, 12, 15, 20) qui st'étendent transversalement & l'axe longitudinal du tube plat et dont le profil, considéré dans la direction de l'axe du tube, corres- pondant au moins à peu près au profil de la section du tube collecteur (la & ld, 2a & 2d) de manière que le tube collecteur et le tube plat s'épousent mutuellement. - Echangeur de chaleur suivant l'une des revendi- cations 3 et 4, caractérisé en ce que les augets (5, 8, 12, 15) sont formés par enlèvement de matière pour former un ajour (6, 9, 14, 17) de la paroi du tube et constituent une ouverture de raccordement. 6 - Echangeur de chaleur suivant l'une des revendi- cations 3 et 4 caractérisé en ce que les augets (20) sont for- més par enfoncement de la paroi du tube, et en ce qu'au milieu de chaque auget est formé un perçage (22) qui joue le r8le d'u- ne ouverture de raccordement. 7 - Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 3, 4, et 5, caractérisé en ce que les tubes collecteurs (la, 2a) et les tubes plats (3b) sont soudés l'un à l'autre au moyen d'augets (5, 8) formés dans les zones de rac- cordement par enlèvement de matière sur le tube collecteur et sur le tube plat. - 8 - Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 3, 4 et 5, caractérisé en ce que des tubes col- lecteurs (la, 2a) qui présentent des augets (5) sont soudés à des tubes plats (3a) présentant des ouvertures de raccordement constitués par des perçages (7), ou en ce que des tubes plats (3b à 3e) présentant des augets (8, 12, 15, 20 sont soudés & des tubes collecteurs (lb à ld, 2b à 2d) qui présentent des ou- vertures de raccordement constituées par des perçages (10, 11, 18). 9 Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 4, 5 et 6, caractérisé en ce que les tubes plats (3c, 3d, 3e) sont élargis au niveau des augets (12, 15, 20) par une déformation (13, 16, 21) de la paroi du tube dans la direc- tion transversale à l'axe longitudinal du tube plat. - Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les tubes col- lecteurs (la à ld, 2a à 2d) et les tubes plats (ta à 3d) sont assemblés entre eux par soudage ou par soudage par pression sur bossages. I Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les tubes col- lecteurs (la à ld, 2a à 2d) sont composés chacun d'au moins deux parties qui s'étendent sur la longueur du tube et en ce que les tubes plats (3a à 3d) sont soudés à l'une de ces par- ties des tubes collecteurs, par la face interne de cette par- tie, les deux parties du tube collecteur étant ensuite réunies entre elles par des cordons de soudure qui s'étendent sur la longueur du tube.