Brevet FR2643839A1 — publié le 19900907

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour étamper la surface interne d'un tube d'échangeur de chaleur afin de produire sur celle-ci des nervures ou des rainures. Dans l'ensemble tubulaire d'un serpentin condenseur d'un conditionneur d'air, d'un serpentin d'évaporateur ou d'un autre échangeur de chaleur, il est préféré que les surfaces intérieures des tubes soient pourvues de nervures ou analogues afin d'augmenter leur étendue et d'améliorer le rendement de condensation ou d'évaporation d'un fluide réfrigérant. Une machine de rainurage ou d'étampage de la surface inférieure d'un tube d'échangeur de chaleur, qui peut être un tube en cuivre, est classique- ment réalisée par combinaison d'une machine d'étirage de tube plus ou moins standard et équipée d'un banc d'étirage, d'une matrice extérieure du type-torique, et d'une matrice intérieure comportant une surface rainurée qui produit le renforcement à nervures sur la surface intérieure du tube. Une pluralité de galets ou de billes effectue une rotation planétaire, c'est- à-dire dans une direction circonférentielle, autour de la partie du tube o la matrice de rainurage est positionnée. Il se produit normalement une contrainte importante dans le tube sous l'effet de la compression de ce dernier par contact des galets avec la matrice interne. Cela est amplifié par la petite surface de contact, qui nécessite d'utiliser de petites avances. La vitesse de conditionnement est influencée défavorable- ment car elle doit par conséquent être faible, ce qui est indésirable et augmente le coût de conditionnement du tube de cuivre. Il est décrit dans le brevet U.S. No. 4 373 366 une machine d'étampage qui utilise des billes effectuant une rotation planétaire pour refouler le tube dans la matrice interne, ces billes étant logées dans une tête qui tourne coaxialement par rapport au tube ou au tuyau. Il est à noter qu'une machine d'étampage, du fait du mouvement généralement circonférentiel des éléments de refoulement du type-bille, est appropriée pour produire des protubérances en spirale ou en hélice, mais semble moins appropriée pour produire des rainures, cannelures ou nervures internes axiales. Egalement, que cela soit ou non désiré, il se produit des rainures en spirale sur la surface extérieure du tube sous l'effet du mouvement généralement spiral des billes. Il est souhaitable de remplacer l'opération classique de refoulement d'un tube sur une matrice ou mandrin interne. Plus particulièrement, il est souhaitable de remplacer la matrice tournante classique comportant une pluralité d'éléments rotatifs qui roulent au contact du tube dans une direction parallèle au mouvement du tube. Un objet de cette invention est de créer un procédé et un dispositif pour "refouler" un tube d'échangeur de chaleur contre une matrice ou mandrin interne, pour étamper la surface interne du tube et pour augmenter l'étendue effective de cette surface et les propriétés de transmission de chaleur du tube. Un objet plus spécifique de cette invention est de créer un procédé qui évite l'intervention de forces axiales excessives, comme cela est typique dans le processus classique de refoulement avec matrice d'étirage, et qui évite en outre un refoulement vers l'ex- térieur, qui est produit de façon caractéristique par des billes, galets et analogues tournant circonférentielle- ment. Un autre objet de cette invention est de créer un procédé pour refouler un tube dans un mandrin de formation de renforcement interne en effectuant alternativement une compression et un relâchement du tube, pour produire un mouvement rapide et alterné de glissement-et-serrage. Cela refoule efficacement le métal dans les rainures du mandrin, et ensuite libère ce métal en l'empêchant d'être retenu par frottement, de sorte que le tube peut être rapidement avancé à une vitesse pouvant être produite économiquement. Conformément à un aspect de cette invention, un procédé de production du renforcement interne consiste à déplacer le tube ou tuyau d'échangeur de cha- leur axialement sur un mandrin généralement cylindrique qui est supporté à l'intérieur du tube ou tuyau dans une position sensiblement stationnaire, puis à refouler le tube d'échangeur de chaleur dans des rainures du mandrin pour produire des nervures internes ou rainures axiales dans les emplacements des rainures. Le refoulement du tube est effectué en faisant tourner une pluralité de matrices rotatives opposées contre la surface extérieure du tube dans les emplacements du mandrin. Les matrices se présentent sous la forme de roues dont les axes sont orientés généralement perpendiculairement à l'axe du tube et qui comportent des parties circonférentielles roulant au contact du tube parallèlement à l'axe de ce dernier. Les parties circonférentielles des matrices rotatives comportent une face de profil concave qui définit un arc sensiblement égal à 360 , divisé par le nombre desdites matrices. -Par exemple, dans les réalisations préférées, il est prévu quatre matrices espacées l'une de l'autre de 90 et chacune comporte une face dont le profil de contact définit un arc de 90 . Les parties extérieures ou circonférentielles des matrices rotatives produisent un battement incrémental en s'appliquant et s'écartant de la surface extérieure du tube. Dans ce but, les matrices rotatives peuvent comporter une surface circonférentielle échancrée, ou bien elles peuvent comporter une surface circulaire régulière dans l'ensemble qui est déplacée ultrasonique- ment vers et à partir de la surface extérieure du tube, ou bien elles peuvent être formées par une roue principale portant une pluralité de galets circonfé- rentiels. Dans des réalisations de cette invention, il est possible d'obtenir, si cela est souhaité, des vitesses de sortie de tube comprises entre environ 1,5 mètre par minute jusqu'à environ 45 mètres par minute ou plus, et un motif de conditionnement axial peut être étampé dans la surface extérieure du tube simplement en laissant un petit intervalle entre des matrices rotatives adjacentes. Un renforcementexterne peut être réalisé 'par étampage et il est également possible d'obtenir différentes configurations en utilisant pour les galets des-surfaces texturées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence, dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexes dans lesquels: la Figure 1 est une vue en élévation schématique d'une machine d'étirage et étampage de tubes correspondant à une première réalisation de cette invention, la Figure 2 est une vue en coupe d'extrémité de la première réalisation de cette invention, la Figure 3 est une vue en élévation latérale et en coupe d'une seconde réalisation de cette invention, la Figure 4 est une vue en bout de la seconde réalisation de cette invention, la Figure 5 est une vue en coupe partielle montrant une variante de mandrin. En référence aux dessins, et initialement à la Figure 1, une machine d'étampage 10 conforme à cette invention comprend un banc d'étirage 12, qui représente un moyen pour produire un mouvement axial d'un tube ou tuyau 14 d'échangeur de chaleur. Le banc d'étirage peut être une autre machine d'étirage de tubes, c'est-àdire un banc de tréfilage, un banc opérant en chute, etc. Ces tubes sont généralement des tubes de cuivre mais ils pourraient être des tubes formés d'un autre métal. Le tube 14 passe au travers d'une matrice de réduction annulaire 16 dans laquelle est maintenu un tampon interne "flottant". Ce tampon 18 supporte une tige 20 qui s'étend vers le bas à l'intérieur du tube 14. Une matrice ou mandrin cylindrique 22 est monté à l'extrémité distale de la tige 20 et peut tourner librement sur la tige. Sur la surface extérieure, ou cylindrique, du mandrin 22, il est prévu des rainures 24 espacées l'une de l'autre et qui peuvent être soit des rainures axiales droites, comme indiqué, soit des rainures hélicoidales inclinées, mais qui s'étendent depuis l'extrémité proximale jusqu'à l'extrémité distale du mandrin 22. Le métal du tube 14 est "refoulé" ou comprimé radialement vers l'intérieur dans les rainures 24 du mandrin de façon à produire des nervures axiales 26 sous la forme d'un renforcement interne à l'intérieur du tube ou tuyau 14. Pour produire le "refoulement" du tube 14 dans le mandrin 22, il est prévu une pluralité de matrices rotatives 28, c'est-à-dire des roues qui sont montées dans un support 30 (Figure 2), de telle sorte que les axes 32 des matrices 28 soient disposés ou orientés dans la direction perpendiculaire au tube ou tuyau. Un mécanisme de transmission 34 synchronise la rotation des matrices 28 de telle sorte qu'elles tournent toutes à la même vitesse. Un moteur 36, qui peut être, par exemple, un dispositif d'entraînement électrique ou hydraulique, est accouplé avec le mécanisme 34 par un arbre 39 pour entraîner les matrices rotatives 28 de manière permettant la commande de leur vitesse en relation avec la vitesse axiale du tube 14 le long du banc d'étirage 12. Les matrices 28 comportent chacune une partie de surface circonférentielle 38 qui roule au contact de la surface extérieure du tube ou tuyau 14. Dans cette réalisation, la surface circonférentielle 38 est échancrée, en comprenant une succession de parties 40 faisant saillie radialement et qui sont séparées par des parties radialement inférieures. Comme le montre la Figure 2, par exemple, la partie circonférentielle 38 a un profil 42 correspondant à un arc ou quadrant de quatre-vingt-dix degrés, de telle sorte que quatre matrices 28 soient ensemble en contact avec sensiblement trois-cent-soixante degrés de la circonférence du tube ou tuyau 14. Un renforcement externe axial peut être réalisé, si cela est désiré, en laissant un petit espace entre deux matrices successives 28, ou en produisant autrement un rainurage circonférentiel des matrices 28. Dans cette machine d'étampage 10, les matrices 28 roulent contre la surface extérieure du tube 14 et la percussion intermittente des parties en saillie 40 de la face circonférentielle échancrée 38 font en sorte que le métal du tube 14 s'accroche et se détache alternativement du mandrin rainuré 22. Cela fait en sorte que le métal se trouvant sur la surface intérieure du tube 14 flue dans les rainures 24 du mandrin pour former les rainures 26, et permet ensuite au tube 14 de s'écarter brusquement du mandrin 22 afin que le tube 14 puisse se déplacer axialement d'un court incrément. Les matrices rotatives 28 peuvent tourner dans la direction faisant en sorte que leurs faces circonférentielles 38 percutent la surface extérieure du tube dans la même direction que celle dans laquelle le tube avance, ou bien elles peuvent tourner dans la direction opposée à la direction d'avancement du tube. La vitesse et la direction de rotation dépendent de paramètres tels que l'épaisseur de paroi du tube et la hauteur du renforcement interne. Une seconde réalisation est représentée sur la Figure -3, o des éléments analogues à ceux de la première réalisation ont été désignés par les mêmes références numériques, augmentées cependant de 100. Ainsi, une machine d'étampage comprend un banc d'étirage ou analogue 112 sur lequel un tube ou tuyau 114 pour un échangeur de chaleur est déplacé au travers d'une matrice de réduction annulaire 116 qui maintient un tampon flottant 118, relié par une tige 120 avec un mandrin interne 122 d'étampage. Ce dernier comporte des rainures axiales 124 qui produisent des nervures axiales 126 sur la surface intérieure du tube 114. Comme dans la première réalisation, il est prévu quatre matrices rotatives 128, espacées d'intervalles de quatre-vingt-dix degrés autour du tube 114, comme le montre la Figure 4. Comme dans la première réalisation, les axes 132 des matrices 128 sont orientés dans la direction perpendiculaire à l'axe du tube ou tuyau 114. Le support des matrices rotatives 128, ainsi que les mécanismes de transmission et d'entraînement, qui sont semblables à ceux de la première réalisation, ont été omis du dessin de la Figure 2. Dans cette seconde réalisation, les matrices rotatives 128 se présentent sous la forme de roues dont la circonférence 138 est pourvue d'une pluralité de galets 140. Ces derniers ont des axes parallèles à l'axe 132 des matrices. Comme le montre la Figure 4, les galets 140 comportent chacun un profil de surface 142, correspondant sensiblement à un arc de quatre-vingt-dix degrés, de telle sorte que les galets associés 140 qui entrent en contact avec le tube 114 à un moment donné occupent sensiblement trois-cent -soixante degrés de la circonférence du tube 114. Dans cette réalisation, il est prévu dix galets 140 pour chaque roue ou matrice 128. Cependant, le nombre de galets peut être choisi en correspondance à des principes de conception mécanique standard, en fonction du diamètre et de l'épaisseur de paroi des tubes et en correspondance avec la vitesse de sortie imposée pour les tubes. Les vitesses de sortie des tubes comprises entre environ 1,5 m/min et 45 m/min peuvent être obtenues avec cette machine d'étampage 110. Dans cette réalisation, il est préféré que les matrices rotatives 128 soient entraînées en rotation dans la direction opposée à la direction de déplacement du tube ou tuyau 114 devant le mandrin 122. Comme dans la première réalisation, les galets 140 entrent successivement en contact avec la paroi du tube et refoulent le métal du tube de façon qu'il flue dans les rainures 124 du mandrin 122, puis ils libèrent le tube 114 de telle sorte que le métal de la paroi du tube s'écarte brusquement du mandrin en permettant au tube d'avancer. Les battements incrémentaux des galets contre le tube 114 peuvent créer des ondulations physiques sur la surface extérieure du tube ou tuyau 114. En faisant tourner les matrices 128 dans la direction opposée & celle du tube, les ondulations successives ont tendance à s'annuler mutuellement, ce quiréduit l'effet d'ondulation au minimum. Aussi bien dans la première que dans la seconde réalisation, les matrices 28 et 128 sont synchronisées de telle sorte que les différentes matrices de chaque machine 10, 110 entrent en contact avec le tube 14, 114, en même temps, et elles coopèrent pour créer une succession de processus rapides d'accrocha- ge et de libération entre le tube et le mandrin. Dans une version pratique de la réalisation des Figures 3 et 4, les matrices rotatives 128 peuvent être consti- tuées par une roue d'un diamètre de 306 mm, chaque roue étant pourvue de cinquante-et-un galets 140 d'un diamètre de 17,8 mm. Il est possible d'obtenir une vitesse de sortie de 30 m/min pour *une vitesse de rotation de matrices d'environ 12 000 tr/min. Dans une autre version, les matrices 128 peuvent être des roues d'un diamètre de 153 mm, comportant seize galets ayant chacun un diamètre de 9,7 mm. Si on fait tourner ces matrices 128 à une vitesse d'environ 44 000 tr/min, on obtient une vitesse de sortie de 38 m/min. Dans chaque cas, il se produit un battement incrémental permettant de créer une avance ou progression de tube d'environ 0,05 mm par galet 140. Un autre mandrin 22' rainuré en hélice, comme le montre la Figure 5, comporte des rainures en hélice ou en spirale 24' qui s'étendent d'une extrémité proximale à une extrémité distale dudit mandrin. Celui-ci peut remplacer le mandrin rainuré axialement 22 ou 122. Les rainures hélicoïdales produisent des nervures hélicoïdales de renforcement 26' sur la surface intérieure du tube ou tuyau 14. Dans ce cas, le mandrin 22' tourne pour suivre le profil des nervures 26' à mesure que le tube 14 est étiré sur lui. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé pour produire un renforcement interne sur un tube métallique (14) d'échangeur tubulaire de chaleur, caractérisé par les étapes consistant à a: - déplacer le tube (14) axialement sur un mandrin (22) cylindrique dans l'ensemble, qui est supporté à l'intérieur du tube dans une position sensiblement stationnaire, le mandrin (22) comportant une pluralité de rainures (24) qui s'étendent depuis une extrémité axiale jusqu'à son autre extrémité axiale; - refouler le tube (14) dans les rainures (24) du mandrin (22) pour produire des nervures internes (26) aux emplacements desdites rainures, en faisant tourner une pluralité de matrices rotatives opposées (28) contre la surface extérieure du tube sensiblement au-dessus dudit mandrin, lesdites matrices (28) se présentant sous la forme de roues ayant des axes (32) généralement perpendiculaires à l'axe du tube (14) d'échangeur de chaleur et comportant des parties circonférentielles (38) qui roulent au contact du tube parallèlement à l'axe de ce dernier. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune desdites matrices rotatives (28) occupe sur la circonférence du tube d'échangeur de chaleur un arc (42) sensiblement égal à 360 degrés divisés par le nombre desdites matrices, de telle sorte que sensiblement toute la circonférence de la surface extérieure du tube entre au contact desdites matrices. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites matrices (128) portent chacune une pluralité de galets circonférentiels (140), et ladite étape de rotation des matrices comprend une mise en contact intermittent de la surface extérieure du tube 114 avec lesdits galets (140). 4. Machine pour former un renforcement interne sur une surface intérieure d'un tube métallique d'échangeur de chaleur tubulaire (14), caractérisée en ce qu'elle comprend: - un moyen (12) pour faire avancer axialement ledit tube (14); - un mandrin (22) cylindrique dans l'ensemble, disposé à l'intérieur du tube (14) et comportant une pluralité de rainures axiales (24); - des moyens (16, 18) supportant ledit mandrin (22) à l'intérieur dudit tube (14) en un emplacement fixé; - une pluralité de matrices rotatives (28) se présentant sous la forme de roues comportant des axes respectifs (32) disposés dans l'ensemble perpendiculairement à l'axe du tube d'échangeur de chaleur et comportant des parties circonférentielles (38) qui roulent au contact du tube (14) parallèlement à l'axe de ce dernier, sensiblement à l'emplacement dudit mandrin (22); - des moyens (30) supportant les axes (32) desdites matrices rotatives (28) de telle sorte que les matrices soient placées en opposition au. tube et l'entourent, les parties circonférentieltes (38) des différentes matrices rotatives occupant des axes respectifs de la surface extérieure du tube de telle sorte que sensiblement toute la circonférence de la surface extérieure du tube rentre en contact avec lesdites matrices; et des moyens (32, 34, 36, 39) pour faire tourner lesdites matrices rotatives de telle sorte que leurs parties circonférentielles (38) précitées roulent au contact dudit tube quand celui-ci est avancé. 5. Machine selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdites matrices rotatives (28) comportent des surfaces circonférentielles échancrées dans l'ensemble et pourvues de parties (40) faisant saillie radialement et entrant en contact avec la surface extérieure du tube (14) successivement à mesure que les matrices tournent. 6. Machine selon la revendication 5, caractérisée par des moyens d'entraînement synchronisés (32, 34) pour faire tourner lesdites matrices rotatives (28) à la même vitesse, de telle sorte que les matrices déplacent simultanément leurs parties en saillie respectives (40) au contact de la surface extérieure du tube, puis hors de contact avec celle-ci. 7. Machine selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdites matrices rotatives (128) portent chacune une pluralité de galets circonféren- tiels (140) qui entrent en contact avec la surface extérieure dudit tube successivement à mesure que les matrices tournent. 8. Machine selon la revendication 7, caractérisée par des moyens d'entraînement synchronisés (32, 34, 36, 39) pour faire tourner lesdites matrices rotatives (128) à la même vitesse, de telle sorte que les matrices déplacent simultanément leurs galets respectifs (140) pour les amener au contact de la surface extérieure du tube et ensuite déplacent simultané- ment leurs galets (140) pour les écarter du contact avec la surface extérieure du tube.