Brevet FR2574175A1 — publié le 19860606

ECHANGEUR DE CHALEUR EN ALUMINIUM L'invention concerne les échangeurs de chaleur et plus particulièrement un échangeur de chaleur en aluminium utilisa:t un tube de métal plat muni d'un certain nombre de passages de fluide et de tubes d'entrée et de sortie de fluide reliés au tube de métal plat par des tuyaux collecteurs montés aux extrémités opposées du tube de métal plat. Comme échangeur de chaleur typique utilisant un tube de métal plat contenant un certain nombre de passages de fluide et des tubes d'entrée et de sortie de fluide reliés au tube de métal plat par des tuyaux collecteurs montés aux extrémités opposées du tube de métal plat, on connait déjà, dans l'art antérieur, un échangeur de chaleur de type à serpentin utilisé par exemple dans un évapora- teur de réfrigérant pour système de conditionnement d'air d'automobile, comme indiqué par exemple dans les Brevets U.S.A. N 4 350 025 et 4 353 224. Dans l'échangeur de chaleur à serpentin, on donne au tube de métal plat une forme contournée de serpentin permettant d'obtenir un certain nombre de parties parallèles espacées les unes.des autres. 2 5 7 4 1 7 5 Un certain nombre d'éléments d'ailettes plissés sont disposés dans les espaces compris entre parties parallèles adjacentes du tube, et sont reliés à celles-ci par brasure. Des tuyaux collecteurs sont fixés respectivement aux extrémités opposées du tube plat, et des tubes d'entrée et de sortie sont reliés respectivement aux tubes collecteurs. Dans le Brevet U.S.A. No 4 353 224, seuls les tuyaux collecteurs sont représentés en 3 et 4 sur la figure 1 des dessins, tandis que les tuyaux collecteurs représentés en 3 et 5 sur la figure 5 font corps respectivement avec le tube d'entrée et le tube de sortie. Dans une forme de réalisation pratique, les tuyaux collecteurs constituent des parties dif- férentes des tuyaux d'entrée et de sortie, et sont reliés à ceux-ci. Le tube plat et les éléments d'ailettes sont réalisés dans des matériaux très bons conducteurs de la chaleur tels que par exemple des alliages d'aluminium. Généralement le tube plat contourné en serpentin est réalisé dans un métal à base d'alumi- nium contenant 99% en poids d'Al ou plus, comme par exemple le métal AA (Aluminium Association d'U.S.A.) 1050 contenant en poids, 0,25% de Si ou moins, 0,40% de Fe ou moins, 0,05% de Cu ou moins, 0,05% de Mn ou moins, 0,05% de Mg ou moins, 0,05% de Zn ou moins, 0,03% de Ti ou moins, et 99, 50% d'Al ou plus, ou encore le métal AA 3003 contenant, en poids, 0,6% de Si ou moins, 0,7% de Fe ou moins, 0,05 à 0,20% de Cu, 1 à 1,5% de Mn, 0, 10% de Zn ou moins, et la quantité d'Al nécessaire pour le complément à 100%. L'élément d'ailettes plissé est réalisé dans une feuille d'un alliage d'aluminium à braser comportant par exemple un noyau métallique de AL 3003 recouvert d'un revêtement métallique d'un alliage d'aluminium de préparation de brasure tel que du métal AA4343, 4045 ou 4047 (comprenant, en poids, 0,30% de Cu ou moins, 5 à 13% de Si, 0,80% de Fe ou moins, 0, 15% de Mn ou moins, jusqu'à 0,1% de Mg, 0,20% de Zn ou moins, jusqu'à 0, 20% de Ti, et la quantité d'Al nécessaire pour le complément à 100%). Les éléments d'ailettes plissés en feuilles d'alliage d'alliage d'aluminium à braser, sont montés sur le tube plat contourné en serpentin, en alliage d'aluminium, puis placés ensuite dans un four à braser, ce qui permet de souder par brasure les éléments d'ailettes plissés, au tube plat. Les tuyaux collecteurs sont générale- ment réalisés à partir d'une feuille d'alliage d'aluminium à braser analogue à celle des éléments d'ailettes plissés. Les tuyaux collecteurs sont montés sur le tube plat avant d'être placés dans le four à braser. Ainsi, les tuyaux collecteurs sont également soudés au tube plat par le même processus de brasure que celui utilisé pour souder les éléments d'ailettes plissés sur ce tube plat. Ensuite, le tube d'entrée et le tube de sortie sont reliés aux tuyaux collecteurs respec- - tifs, par exemple par soudure sous GIT (Gaz Inerte au Tungstène), en maintenant les tubes dans des orientations prédéterminées. L'opération de liaison est alors difficile à réaliser ce qui augmente le coût de production de l'échangeur de chaleur. Pour pallier cet inconvénient, l'in- vention a pour but de créer un échangeur de chaleur comportant un tube de métal plat, des tuyaux collec- teurs brasés aux extrémités opposées du tube plat, et des tubes d'entrée et de sortie reliés respecti- vement aux tuyaux collecteurs, dans lequel le tube d'entrée et le tube de sortie sont maintenus, de façon fiable et facile, dans des orientations pré- déterminées par rapport au tube plat et aux tuyaux collecteurs pendant et après l'opération de liaison de ces tubes d'entrée et de sortie aux tuyaux collec- teurs. L'invention a également pour but de créer un échangeur de chaleur tel que ci-dessus, dans lequel la liaison du tube d'entrée et du tube de sortie aux tuyaux collecteurs peut se faire par la même opération de brasure que celle permettant de fixer les tuyaux collecteurs au tube plat. A cet effet, l'invention concerne un échangeur de chaleur comprenant un tube de métal plat contenant un certain nombre de passages de fluide, un certain nombre d'ailettes métalliques fixées sur les surfaces extérieures du tube de métal plat, deux tuyaux collecteurs montés _- respectivement de façon fixe sur les extrémités opposées du tube de métal plat de façon que les différents passages de fluide communiquent avec l'intérieur des deux tuyaux collecteurs présentant une extrémité ouverte_ et l'autre extrémité fermée, un tube d'entrée branché à l'extrémité ouverte de l'un des deux tuyaux collec- teurs, et un tube de sortie branché à l'extrémité ouverte de l'autre tuyau collecteur, échangeur de chaleur caractérisé en ce que l'un des tubes d'entrée et de sortie est introduit dans l'extrémité ouverte de l'un, correspondant, des deux tuyaux collecteurs, ce tube étant partiellement découpé dans le sens axial à l'endroit de la partie d'extrémité introduite, une extrémité du tube de métal plat faisant saillie dans l'un, correspondant, des tuyaux collecteurs, et s'adaptant dans la partie découpée axialement du tube d'entrée ou de sortie mentionné ci-dessus. 2 5 7 4 1 75 L'un au moins des tubes d'entrée et de sortie se trouve maintenu de façon fiable dans l'orientation voulue. Cele.a signifie;que l'opération de branchement ou de liaison de ce tube au moins, au tuyau collecteur correspondant, s'effectue facilement. L'invention sera décrite en détail en se référant aux dessins ci-joints dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspec- tive d'un échangeur de chaleur de type à serpentin classique, selon l'invention. - la figure 2 est une vue en coupe d'une partie de liaison d'un tuyau collecteur au tube plat; - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'une partie de liaison d'un tuyau collecteur, du tube plat et d'un tube d'entrée/ sortie; et, - la figure 4 est une vue en pers- pective illustrant une partie d'extrémité d'un tube d'entrée/sortie, destinée à être introduite dans unftuyau collecteur. Sur la figure 1, un échangeur de chaleur selon une forme de réalisation de l'invention, présente une disposition générale analogue à celle d'un échangeur de chaleur de type à serpentin classi- que. L'échangeur de chaleur comporte un tube plat contourné en serpentin 1, réalisé par exemple en alliage d'aluminium AA 1050. Les éléments d'ailettes plissés 2 sont réalisés par exemple à partir d'une feuille d'alliage d'aluminium à braser comportant un noyau métallique de AA 3003 recouvert d'un rev&tement métal- lique d'un alliage d'aluminium de préparation de brasure en AA 4045 (comprenant, en poids, 0,30% de Cu ou moins,9,0% à 11,0% de Si, 0,8% de Fe ou moins, 0,05% de Mn ou moi ns, 0,05% de Mg ou moins, 0,10% de Zn ou moins, 0,20% de Ti ou moins, et la quantité d'Al nécessaire au complément & 100%). Les éléments d'ailettes plissés 2 sont disposés dans les espaces compris entre parties parallèles ! adjacentes du tube plat contourné en serpentin 1, Ces éléments d'ailettes plissés sont fixés par brasure au tube plat 1 en chauffant le tube plat et les éléments d'ailettes ainsi assemblés dans un four à braser permettant de faire fondre le métal de revêtement de la feuille à braser. Deux tuyaux collecteurs 3 et 4 sont monteés de façon fixe sur les parties d'extrémité opposées du tube plat 1 de façon qu'un certain nombre de passages de fluide du tube plat communiquent avec l'intérieur des tuyaux collecteurs 3 et 4. Chaque tuyau collecteur 3 et 4 comporte une extrémité ouverte et l'autre extrémité fermée, ces tuyaux étant réalisés à partir d'une feuille d'alliage d'aluminium à braser semblable à celle des éléments d'ailettes plissés. Chaque tuyau collecteur 3 et 4 est muni, comme indiqué sur la figure 2, d'une ouverture axiale longue ou d'une fente axiale 31 et 41 ménagée dans sa surface extérieure, et dans laquelle vient s'introduire la partie d'extrémité correspondante du tube plat 1. Dans ces conditions, chaque tuyau collec- teur 3 et 4 et le tube plat 1, sont chauffés dans un four à braser permettant de les fixer ensemble par brasure. Par suite, la jonction des éléments d'ailettes plissés 2 au tube plat 1, et la jonction des tuyaux collecteurs 3 et 4 au tube plat 1, sont effectuées par le même processus de brasure en pré- assemblant les éléments d'ailettes plissés et les tuyaux collecteurs avec le tube plat. Un tube d'entrée 5 et un tube de sortie 7 4 1 75 6 sont introduits respectivement dans les extrémités ouvertes des tuyaux collecteurs 3 et 4, et fixés à celles-ci dans des orientations prédéterminées. Dans l'art antérieur, le tube d'entrée 5 et le tube de sortie 6 sont introduits dans des tubes collecteurs 3 et 4 déjà brasés au tube plat 1, puis branchés ou fixés à ceux-ci par exemple par soudure sous gaz inerte au tungstène, comme indiqué plus haut. Cette opération de jonction est difficile à réaliser car chaque tube 5 et 6 doit être maintenu dans une orientation prédéterminée pendant l'opération. Si les tubes 5 et 6 se déplacent par rapport à l'o- rientation prédéterminée, l'extrémité libre du tube, munie de moyens d'accouplement (représentés en 7a et 7b sur la figure 1) destinés à assurer le branche- ment à un tuyau de fluide extérieur, ne vient pas se placer dans la position prédéterminée par rapport au corps de l'échangeur de chaleur. En se référant aux figures 3 et 4, on peut constater que, selon l'invention, le tube d'entrée 5 est partiellement découpé, dans le sens axial, à son extrémité s'introduisant dans le tuyau collecteur 3, de manière à former une fente axiale 51 disposée axialement le long du tube à partir de l'extrémité introduite. La longueur axiale de la fente axiale 51 est préd terminée à une valeur plus petite que la longueur axiale de la partie d'ex- trémité du tube 5 introduite dans le tuyau collecteur 3. La largeur de la fente axiale 51 est déterminée en fonction de l'épaisseur du tube plat 1. La partie d'extrémité du tube plat 1 introduite dans le tuyau collecteur 3 par la fente 31, s'introduit également dans la fente axiale 51 du tuyau d'entrée 5. On empOche ainsi le tube d'entrée 5 de tourner, grace à l'engagement de la fente axiale 51 et du tube plat 1, ce qui permet ainsi de maintenir facilement le tube d'entrée 5 dans son orientation voulue pendant le processus de jonction. Il est nécessaire que la position angulaire de la fente axiale 51 soit déterminée par l'orienta- tion du tube d'entrée 5 qu'on veut obtenir. Une forme préférée de contour dela fente 51 est représentée sur la figure 4. La fente comporte une partie intermédiaire 52 (de largeur C) légèrement plus petite que l'épaisseur (b) du tube plat 1, et une partie conique 53 s'évasant vers l'extrémité ouverte 54 (de largeur a), comme indiqué par la relation a> b> c. Le tuyau de sortie 6 est également muni d'une fente axiale telle que 51, comme indiqué sur les figures 3 et 4, dans laquelle une extrémité du tube plat 1 s'introduisant dans le tuyau collecteur 4, vient s'adapter de la même manière que celle indi- quée sur la figure 3. Ainsi, le tuyau de sortie se trouve également maintenu dans son orientation voulue. Par suite, les références 6, 4, 61 et 41 désignant respectivement le tube de sortie, le tuyau collecteur recevant le tube de sortie, la fente axiale formée dans le tube de sortie, et la fente axiale formée dans le tuyau collecteur 4, sont indiquées entre parenthèses sur les figures 3 et 4, la description détaillée de ces différentes parties étant supprimée dans un but de simplification. Selon cette disposition, le tube d'entrée 5 et le tube de sortie 6 sont maintenus dans leurs positions voulues après assemblage avec les tuyaux collecteurs 3, 4 et le tube plat 1. Par suite, le tube d'entrée 5 et le tube de sortie 6 peuvent être brasés respectivement aux tuyaux collecteurs. 3 et 4 en même temps que les éléments d'ailettes plissés et les tuyaux collecteurs sont brasés au tube plat par un processus de brasure utilisant un four à braser. Plus précisément, le tube d'entrée 5 et le tube de sortie 6 sont réalisés dans un alliage d'aluminium tel que du AA 3003. Le tube d'entrée et le tube de sortie sont assemblés avec le tube plat, les tuyaux collecteurs et les éléments d'ailettes plissés, comme indiqué sur la figure 1, l'ensemble étant ensuite chargé dans un four à braser permettant d'effectuer le chauffage. Les métaux de revêtement des tuyaux collecteurs sont alors fondus de manière à braser ces tuyaux collecteurs non seulement au tube plat mais encore aux tuyaux d'entrée et de sortie respec- tifs. En même temps les métaux de revêtement des élé- ments d'ailettes plissés sont fondus de manière à braser ces derniers sur le tube plat. Cela permet ainsi de réaliser l'échangeur de chaleur muni de son tube d'entrée et de son tube de sortie, par un processus de brasure unique, sans avoir à mettre en oeuvre des opérations successives pour reiier le tube d'entrée ou le tube de sortie à son tuyaux collecteur. Dans la forme de réalisation décrite ci-dessus, le tube d'entrée et le tube de sortie sont tous deux munis de fentes axiales. Dans une autre forme de réalisation, l'un seulement de ces tubes peut 6tre muni d'une fente axiale. Dans cette dernière forme de réalisation, l'autre tube est branché ou relié au tuyau collecteur correspondant, de la même manière que dans l'art antérieur. On remarquera cependant que l'opération de branchement du tube muni de la fente axiale, au tuyau collecteur correspondant, s'effectue facilement et de façon fiable. REVENDICATIONS 1- Echangeur de chaleur comprenant un tube de métal plat (1) contenant un certain nombre de passages de fluide, un certain nombre d'ailettes métalliques (2) fixées sur les surfaces extérieures du tube de métal plat (1), deux tuyaux collecteurs (3,4) montés respectivement de façon fixe sur les extrémités opposées du tube de métal plat (1) de S façon que les différents passages de fluide communiquent avec l'intérieur des deux tuyaux collecteurs (3, 4), chacun de ces deux tuyaux collecteurs (3, 4) présentant une extrémité ouverte et l'autre extrémité fermée, un tube d'entrée (5) branché à l'extrémité ouverte de l'un des deux tuyaux collecteurs (3, 4), et un tube de sortie (6) branché à l'extrémité ouverte de l'autre tuyau collecteur, échangeur de chaleur caractérisé en ce que l'un des tubes d'entrée (5) et de sortie (6) est introduit dans l'extrémité ouverte de l'un, correspondant, des deux tuyaux collec- teurs (3, 4), ce tube étant partiellement découpé dans le sens axial à l'endroit de la partie d'extré- mité introduite, une extrémité du tube de métal plat (1) faisant saillie dans l'un, correspondant, des tuyaux collecteurs (3, 4), et s'adaptant dans la partie découpée axialement (51) du tube d'entrée (5) ou de sortie (6) mentionné ci-dessus. 2- Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'autre des tubes d'entrée (5) et de sortie (6) est introduit dans l'extrémité ouverte de l'autre des deux tuyaux collecteurs (3, 4), la partie d'extrémité introduite, de ce dernier tube, étant partiellement découpée dans le sens axial, l'autre extrémité du tube plat (1) faisant saillie dans cet autre tuyau collecteur et s'adaptant dans la partie découpée axialement (51) de l'autre des tubes d'entrée et de sortie. 3- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chacune des parties découpées (51) se présente sous la forme d'une fente axiale, munlie d'une extrémité ouverte à l'endroit de l'extrémité introduite de chacun des tubes d'entrée (5) et de sortie (6), cette fente axiale (51) comportant une partie axiale intermédiaire (52) légèrement plus petite que l'épaisseur du tube de métal plat (1), et une partie conique (53) s'évasant vers l'extrémité ouverte (54) de la fente axiale. 4- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le tube plat (1) et celui ci-dessus des tubes d'entrée (5) et de sortie (6), sont réalisés dans un alliage d'aluminium, en ce que les ailettes (2) sont constituées par des éléments d'ailettes plissés (2) réalisés à partir d'une feuille d'alliage d'alu- minium à braser comprenant un noyau métallique en alliage d'aluminium recouvert d'un revêtement métal- lique en alliage d'aluminium de préparation de brasure, en ce que les éléments d'ailettes plissés (2) sont brasés sur le tube plat (1) par le métal de préparation de brasure, en ce que chacun des deux tuyaux collec- teurs (3, 4) est réalisé à partir d'une feuille d'aluainium à braser comprenant un noyau métallique en alliage d'aluminium recouvert d'un revêtement métallique en alliage d'aluminium de préparation de brasure, en ce que chacun des deux tuyaux collecteurs (3, 4) est brasé Bur le tube plat (1) par son revête- ment de métal de préparation de brasure, et en ce que celui-ci dessus des tubes des tubes d'entrée (5) et de sortie (6), est également brasé à celui corres- pondant des tuyaux collecteurs (3, 4), par le revêtement de métal de préparation de brasure. - Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'autre des tubes d'entrée (5) et de sortie (6) est introduit dans l'extrémité ouverte de l'autre des deux tuyaux collecteurs (3, h) et se trouve partiellement découpé dans le sens axial à l'endroit de son extrémité introduite, en ce que l'autre ex- trémité du tube plat (1) fait saillie dans l'autre tuyau--collecteur et s'adapte dans la partie découpée axialement (51) de l'autre des tubes d'entrée (5) et de sortie (6), et en ce que l'autre des tubes d'entrée (5) et de sortie (6) est réalisé en alliage d'aluminium et se brase à l'autre des tube d'entrée (5) et de sortie (6) par le métal de préparation de brasure de cet autre tube. 6- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des oevendications 1 à 5, caractérisé en ce que le tube plat (1) est contourné en forme de serpentin dans sa direction axiale, de manière à former un certain nombre de parties parallèles espacées les unes des auties, les ailettes étant constituées par un certain nombre d'éléments d'ailettes plissés (2) et chacun-de ces éléments d'ailettes plissés (2) étant interposé et fixé entre les parois adja- centes des parties parallèles du tube plat (1).