Brevet FR2596144A1 — publié le 19870925

La présente invention concerne un échangeur de chaleur spiralé et son procédé de fabrication. nn connait déjà des échangeurs de chaleur qui comportent une virole cylindrique externe à l'intérieur de 5 laqueiie est logé un corps spiralé délimitant deux chambres en spirale imbriquées l'une dans l'autre et parcourues respectivement par les deux fluides entre lesquels doit s'effectuer l'échange de chaleur. Un tel échanqeur est décrit, par exemple, dans la demande de brevet français N- 81 20153]fl déposé le 27 Octobre 1981 par le demandeur. Un tel échangeur, s'il apporte des avantages incontestabies par rapport aux échangeurs connus antérieurement, n'en présente pas moins certains inconvénients. En effet, le corps spiralé est réalisé par l'enroulement sur lui-même, 15 autour d'un axe transversal, d'un ensemble en sandwich formé de trois bandes de tôles superposées, b savoir deux tôles planes entre lesquelles est prise une tôle ondulée dont les ondulations s'étendent transversaiement,c'est-à-dire perpendicuiairement à la longueur des bandes. Ii est donc néces2n saire de faire appel à trois bandes de tôle distinctes pour constituer le corps spiralé. Par aiiieurs, les deux chambres en spirale imbriquées l'une dans l'autre sont délimitées d'une manière étanche, dans les faces frontales opposées de i'échangeur, en reliant entre eux, deux à deux, les bords 25 longitudinaux des spires, et ce par soudure. Comme la jonction par soudure ne concerne que les bords de deux tôles, ceci implique que chacune des tôles ait une épaisseur minimale qui est de 0,05 mm. Ii en résulte par conséquent une consommation importante de métal pour la réalisation d'un 0 tel échangeur. Enfin cet échangeur exige l'emploi d'une virole externe dans laquelle est logé le corps spiralé, d'o un ajustaqe de ce corps spiralé à l'intérieur de la virole, ce qui entraîne souvent des difficultés si les dimensions ne concordent pas exactement et un temps de main d'oeuvre assez 35 important. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en procurant un échangeur de chaleur spiralé de conception particulièrement simple, facile à fabriquer et d'un prix de revient relativement bas du fait de l'économie de matière réalisée. A cet effet, cet échangeur de chaleur comportant un corps spiralé délimitant deux chambres en spirale imbriquées l'une dans l'autre et parcourues respectivement par les deux fluides entre lesquels doit s'effectuer l'échange de cha10 leur, ce corps comportant deux fiasques transversaux extrêmes de fermeture, est caractérisé en ce que les deux chambres en spirale sont délimitées par une seule et même tôie traversant diamétralement chaque fiasque d'extrémité,un premier tronçon de la tiôle issu d'une extrémité du diamètre des 15 flasques étant lisse tandis que le second tronçon, issu de l'extrémité opposée,porte des bossages assurant l'écartement mutuel des premier et second tronçons de tiôle une fois ceuxci enroulés conjointement en spirale, l'une des chambres en spirale étant délimitée entre une spire du second tronçon de 20 tiôle et la spire du premier tronçon de tiôle située L i'extérieur par rapport au précédent tandis que l'autre chambre en spirale est délimitée par cette spire du second tronçon de tôle et la spire du second tronçon de tôle située à i'intérieur par rapport au précédent,ies parties marginales 25 longitudinales du second tronçon de tôle portant les bossages sont déformés de manière à être adjacents aux parties marginales longitudinales du premier tronçon de tôle, un profilé en Il ouvert vers l'extérieur est enrouié en spirale entre les paires de parties marginales longitudinales des 3n premier et second tronçons de tôle de manière que ies deux ailes extrêmes de ce profilé soient respectivement adjacentes h deux paires de parties mrginales longitudinales des premier et second tronçons de tôle et ce profilé en U est soudé par ses ailes à ces parties marginales ionqitudinrra35 lies,si bien que la fermeture latérale de l'une des chambres en spirale est assurée par les bords longitudinaux adjacents et soudés des premier et second tronçons de tiôle et que la 2596 1 44 fermeture latérale de l'autre chambre en spirale est assurée par le profilé en U dont les ailes sont soudées aux bords des deux tronçons de tôle. Suivant une autre caractéristique complémentaire de 5 l'invention, une tôle additionnelle formant chemise est soudée à proximité de l'extrémité d'un des tronçons de tiôle de manière à pouvoir entourer la dernière spire du corps spiralé, cette chemise étant soudée sur elle-même pour assurer le maintien du corps spiralé. L'échangeur suivant l'invention offre l'avantage qu'il est très économique à fabriquer du fait qu'il est constitué à partir d'une seule tôle.enroulée en spirale. Par ailleurs, du fait de i'utilisation, pour la fermeture iatérale des chambres en spiraie, d'un profilé en U, on obtient, 15 dans les zones de jonction, par soudage, des bords des tronçons de tôle, quatre épaisseurs de tiôle adjacentes à savoir les deux parties marginales des premier et second tronçons de tôle et les deux ailes de deux profilés en U disposés de part et d'autre des deux tronçons de tôle, si 20 bien qu'il est possible d'utiliser des tôles ayant une épaisseur très faible, par exemple de l'ordre de 0,03 mm. On décrira cil-après,è titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention,en référence au dessin annexé- sur iequel: La figure I est une demi-vue en coune axiale partielie d'un échangeur de chaieur suivant ilinvention. La figure 2 est une vue en coupe transversale schématique de l'échangeur de la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe axiale partielle du 30 corps spiralé au cours de son enroulement. La figure 4 est une vue en élévation schématique illustrant la mise en oeuvre du procédé de fabrication de l'échangeur de chaleur suivant l'invention, avant le début de l'enroulement en spirale. La figure 5 est une vue en coupe transversale faite suivant la ligne V-V de la figure 4. La figure 6 est une vue en élévation schématique illustrant le procédé au cours de la phase d'enroulement du corps spiralé. L'échangeur de chaieur représenté sur les figures 1 5 à 3 comprend un corps spiralé 1 lequel est constitué par l'enroulement en spirale d'une seule et même bande de tô e 2 (figures 4 et 6). Cet enroulement en spirale est réalisé en engageant diamétralement les bords longitudinaux de la tôie 2,entre deux paires de mandrins 3 et 4 (figures 4 et 6) ies10 quels peuvent être entraînés en rotation dans le sens de la flèche f autour d'un axe transversal commun 5. Les deux mandrins 3 et 4 de chaque paire sont disposés symétriquement par rapport à l'axe de rotation 5 de manière à délimiter entre elles une fente diamétrale dans laquelle passe la tôle 15 2. Ces mandrins 3 et 4 présentent par ailleurs une surface périphérique à section droite sensiblement en spirale ou ils ont encore la forme de gouttes d'huiie comme ii est indiqué en détail dans la demande de brevet français No 8] 20153 précitée. 2q Suivant l'invention, la bande de tiôle 2 comprend un premier tronçon lisse 2a situé du côté des mandrins d'enrouiement 3, 4, sur la figure 4. Le second tronçon 2h de la bande 2 oui est situé à gauche des mandrins 3, 4, présente, sur sa surface supérieure et sur ia plus grande partie de 25 sssa longueur, des bossages 2c destinés i constituer des entretoises entre les différentes spires. Le second tronçon 2h présente également, dans sa partie proche des mandrins 3, 4, et correspondant à un développement de la périphérie de ces mandrins sur 18n", des bossssages 2d sur sa surface 30 inférieure. Pour la formation du corps spiralé, on entraîne en rotation les deux paires de mandrins opposés 3, 4 dans le sens inverse des aiguilles d'une montre ( flèche f), la bande 2 étant disposée à plat ainsi qu'il est représenté sur 35 la figure 4. Le premier tronçon de bande 2a qui s'étend au-delà des paires de mandrins 3, 4, est laissé libre tandis que le second tronçon opposé 2b est soumis, pendant i'enroulement, à un effort de traction F qui peut être égal par 25 96144 exemplte 4 nOO N. Lors de cet enroulement, les premiers bossages inférieurs 2d se trouvent alors être tournés vers l'extérieur, tandis que les bossages supérieurs suivants 2c sont tournés vers l'intérieur. Pour assurer l'écartement des bords longitudinaux des tronçons de tôle et la fermeture des deux chambres en spirale délimitées par ces tronçons, on dispose, avant de commencer i'enrouiement, au-dessus de chaque partie marqinaie longitudinale du second tronçon de tiôle 23b, un profilé In en U 6, en tôle mince, de manière que chacun de ces profilés 6 soit soudé, à son extrémité 6a, sur la face supérieure du second tronçon de tôle 2b, à proximité immédiate de son bord longitudinai et dans la zone située entre ies bossages supérieurs 2c et ies bossages inférieurs 2d. Chaque profilé 15 6 h section en U est ouvert vers l'extérieur et il est soumis, pendant l'opération d'enroulement, à un effort de traction F1 qui est aussi égal à 4 000 N par exemple. Ainsi, au cours de i'enrouiement du corps spiralé, le profilé 6 forme une entretoise en spirale interposée entre les bords longi20 tudinaux des deux tronçons de tôle 2a et 2b et il assure la fermeture de l'une des chambres indiquée par A sur ia figure 3. Cette chambre A est délimitée entre une spire du second tronçon de bande 2b et la spire du premier tronçon de bande de tiôle lisse 2a qui se trouve à l'extérieur. La seconde 25 chambre B est, elie, délimitée par la même spire du second tronçon de bande de tôle 2b portant les bossaqes 2c tournés vers l'axe d'enroulement et la spire du premier tronçon de bande de tôle lisse se trouvant à l'intérieur et qui est appliqué contre et maintenu par ies bosssages 2c. Pour assurer la fermeture latérale de la seconde chambre B on prévoit, pendant ia phase d'enroulement, d'assurer une déformation du bord de l'un des tronçons de tôle, en l'occurrence du secondtronçon 2b portant les bossages 2c, de manière h rapprocher ce bord de celui du premier tronçon 35 de tiôle lisse 2a et de le rendre adjacent comme ii est représenté sur la figure 3. A cet effet, pour obtenir cette déformation, on loge à i'intérieur du profilé en U 6 un jonc 7 en matière souple mais incompressible qui maintient le profilé 6 sa forme originelle pendant tout le processus d'enroulement en spirale, maigré les efforts de traction F et Fi. Du fait de i'incompressibilité du jonc 7, ce dernier provoque un écrasement de la partie marginaie adjacente du 5 tronçon de tiôle 2b lequel est alors déformé et vient au contact de la partie marginale correspondante de l'autre tronçon de tiôle lisse 2a. Pour achever la fabrication du corps spiralé, on soude au second tronçon de tôle 2b,à proximité de son extré10 mité, ie long d'un cordon de soudure transversal 9, un morceau de tôl61e 8 destiné à constituer une chemise externe. Cette chemise 8 a une lonnueur ur peu supérieure au déveioppement du corps spiralé une fois ce dernier constitué. Par conséquent, lorsqu'on a formé la dernière spire du pre15 mier tronçon de tiôle lisse 2a, on soude ensemble i'extrémité de ce premier tronçon 2a et la partie extrême du second tronçon de tiôle 2b puis on achève l'enroulement en continuant àfaire tourner les mandrins 3, 4 dans ie même sens de la flèche f, de manière à enrouler complètement la chemise 2 Oexterne 8 autour des deux tronçons 2a, 2b enroulés en spiraie et imbriqués l'un dans l'autre. On soude alors la chemise extérieure sur elle-même, en formant un cordon de soudure n10 (fiqure 2). Une fois le corps spiralé ainsi réalisé et enfermé 25 dans ia chemise extérieure 10 soudée sur elle-même, on eniève les joncs 7 loqés dans les profilés latéraux en U 6 enroulés en spirale. fn sépare le corps spiralé des mandrins d'enroulement 3, 4 et on place dans les ouvertures laissées par celle-ci des flasoues d'extrémité de même forme, tels 30 que ie flasque il (Figure 1). On pionqe ensuite chaque face frontale de i'échangeur ainsi obtenu dans un bain d'étain en fusion. Une fois l'échangeur sorti du bain, on obtient des soudures 11 parfaitement étanches et qui assemblent entre elles quatre épaisseurs de tôle à savoir les deux bords 35 adjacents des deux tronçons de tiôle 2a, 2b et les deux ailes des deux profilés 6 situées de part et d'autre de chaque paire de ses bords. Du fait de cette jonction de quatre épaisseurs de tôle il est possible de réduire l'épaisseur de la tiôle utilisée pour former l'échangeur'. nn peut par exempie utiliser une tôle de n,03 mm d'épaisseur au lieu de 0,n5 mm comme cela est le cas dans les échangeurs connus jusqu'à ce jour. On réalise ainsi une économie sensible de matière et on abaisse le prix de revient de l'échangeur obtenu. D'après la description qui précède on voit que l'échangeur suivant l'invention est pratiquement réalisé en totalité sur la même machine qui assure l'enroulement en spirale. En effet la chemise externe 8 est mise en place et 10 assemblée par soudage, ê la fin de l'enroulement en spirale. nn évite ainsi d'avoir à faire appel à une virole cylindrique additionnelle recevant le corps spiralé proprement dit et or, réalise ainsi une économie importante de main d'oeuvre lors de la fabrication de l'échangeur.]5 296 1 44 REVENDICATIONS I.- Echangeur de chaleur comportant un corps spira5 lé délimitant deux chambres en spirale imbriquées l'une dans l'autre et parcourues respectivement par les deux fluides entre lesquels doit s'effectuer l'échange de chaleur, ce corps comportant deux flasques transversaux extrêmes de fermeture, est caractérisé en ce que les deux chambres en 10 spirale(A, R) sont délimitées par une seule et même tôle (2) traversant diamétralement chaque flasque d'extrémité (11),un premier tronçon (2a) de la tôle (2)issu d'une extrémité du diamètre des flasques(11) étant lisse tandis que ie second tronçon (2b), issu de l'extrémité opposée,porte des bossages 15 (2c, 2d)assurant i'écartement mutuel des premier et second tronçons de tôje (2a, 2b)une fois ceux-ci enroulés conjointement en spirale, l'une des chambres en spirale étant délimitée entre une spire du second tronçon de tôle (2b) et la spire du premier tronçon de tôle (2a) située à i'exté2fn rieur par rapport au précédent tandis que l'autre chambre en spirale (R) est délimitée par cette spire du second tronçon de tôle(2b) et la spire du second tronçon de tôle (2a) située à l'intérieur par rapport au précédent,les parties marginales longitudinales du second tronçon de tôle (2b)por25 tant les bossaoes (2c) sont déformés de manière à être adjacents aux parties marginales longitudinales du premier tronçon de tiôle (2a),un profilé en [! (6) ouvert vers l'extérieur est enroulé en soiraie entre les paires de parties marginales longitudinales des premier et second tronçons de tôie 30 (2a, 2b) de manière que les deux ailes extrêmes de ce profilé (6) soient respectivement adjacentes à deux paires de parties mrginaies longitudinales des premier et second tronçons de tiôle et ce profilé en U (6) est soudé par ses ailes à ces parties marginales longitudinales,si bien que la 35 fermeture latérale de l'une des chambres en spiraie (R) est assurée par les bords ionqitudinaux adjacents et soudés des premier et second tronçons de tiôle (2a, 2b) et que la ferme- ture latérale de l'autre chambre en spirale (A) est assurée par le profilé en U (6) dont les ailes sont soudées aux bords des deux tronçons de tôle (2a, 2b). 2.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 5 1, caractérisé en ce que une tôle additionnelle (8) formant chemise est soudée à proximité de l'extrémité d'un des tronçons de tôle (2h) de manière à pouvoir entourer la dernière spire du corps spiralé, cette chemise (8) étant soudée sur elle-même pour assurer le maintien du corps spiralé. 3.-Echanqeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le second tronçon de tôle (2d) présente, dans.sa partie qui se trouve être proche, après enroulement, des fiasques de fermeture et qui correspond à un développement de la périphérie de ces 15 fiasques sur 180", des bossages (2d) qui sont tournés vers l'extérieur, et, sur le reste de sa surface, des bossaqes (2c) tournés vers l'intérieur. 4.- Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur spiralé suivant l'une quelconque des revendications précé20 dentes caractérisé en ce qu'on enroule en spirale une bande de-tôle (2) sur des mandrins (3, 4) entraînés en rotation, cette bande de tiôle (2) étant engagée diamétralement entre ies mandrins (3, 4) et présentant, d'un côté de ces mandrins, un premier tronçon lisse (2a) et, de l'autre côté des 25 mandrins (3, 4), un second tronçon (2b) pourvu de bossages (2c, 2d), on laisse, pendant l'enroulement, le premier tronçon de tôle lisse (2a) libre tandis que l'on soumet le second tronçon opposé (2b) à un effort de traction iongitudinal, on engage, pendant l'enroulement, un profilé en U (6), 30 en tiôle mince, ouvert vers l'extérieur, soumis à un effort de traction longitudinal, entre chaque partie marginale longitudinale du second tronçon de tiôle (2b) et la partie maroinale correspondante du premier tronçon de tôle lisse (2a), en logeant pendant l'enroulement, dans chaque profilé 35 (6) à section en U, un jonc (7) en matière souple mais incompressible assurant le maintien de chaque profilé (6) à sa forme oriainelle pendant tout le processus d'enroulement en spirale, maigr4 les efforts de traction exercés sur le se- in cond tronçon de tiôle (2b) et chaque profilé (6), ce qui entraîne un écrasement de la partie marginale adjacente du second tronçon de tôie (2b) lequel est alors déformé et vient au contact de la partie marginale correspondante du 5 premier tronçon de tiôle lisse (2a), on enroule enfin, après l'achèvement du corps spiralé, un morceau de tôle (R) soudé au second tronçon de tôle (2b) pour constituer une chemise externe, on soude sur elle-même cette chemise externe, on enlève les joncs (7) logés dans les profilés latéraux en U 10 (6) enroulés en spirale, on sépare le corps spiralé des mandrins d'enroulement (3, 4), on place dans les ouvertures laissées par ceux-ci des flasques d'extrémité de même forme et on plonge chaque face frontale de l'échangeur dans un bain de soudure.