Brevet FR2676533A1 — publié le 19921120

Echangeur de chaleur à tubes de section ovale, en particulier pour véhicules automobiles L'invention concerne un échangeur de chaleur comportant des tubes de section ovale, destiné en particulier aux véhicules automobiles. On connaît déjà des échangeurs de chaleur qui comprennent un faisceau formé d'une multiplicité de tubes disposés en rangées et possédant des corps respectifs de section ovale ainsi que des extrémités respectives reçues dans des trous de passage correspondants, disposés en rangées et -ménagés au travers d'un collecteur. Par l'expression "section ovale", on entend désigner ici, d'une façon générale, une section fermée de forme non circulaire qui peut être une ellipse, une forme approchante, voire une forme plus aplatie telle que définie, par exemple, par deux côtés parallèles réunis entre eux par deux côtés semi-circulaires. Dans la pratique, et par analogie avec les ellipses, une telle section ovale peut être définie par son "grand axe" et son "petit axe" qui correspondent respectivement à la plus grande dimension et à la plus petite dimension de cette section. Les échangeurs de chaleur à tubes à section ovale ont comme avantage, par rapport aux échangeurs à tubes de section circulaire, de réduire la perte de charge subie par le flux du fluide généralement de l'air- qui traverse le faisceau, à condition que la direction de ce flux soit sensiblement parallèle au grand axe de la section ovale de chacun des corps des tubes, c'est-à-dire généralement perpendiculaire à la direction des rangées des tubes. Les extrémités des tubes sont reçues dans les trous du collecteur, lesquels sont généralement entourés chacun d'un collet facilitant la compression d'un joint d'étanchéité dans l'espace annulaire ménagé entre l'extrémité d'un tube et le collet correspondant. Toutefois, pour que l'extrémité du tube puisse assurer, sans se déformer, une bonne compression du joint d'étanchéité, il est nécessaire que cette extrémité soit amenée à une forme circulaire, voire à une forme ovale généralement moins allongée que celle du corps du tube. Dans ce dernier cas, il faut que le grand axe du trou ovale du collecteur soit compatible avec l'entraxe des rangées de tubes, c'est-à-dire l'entraxe des trous. En effet, compte tenu des efforts importants subis par le collecteur, il faut prévoir des ponts de matière de dimension minimale entre deux trous adjacents du collecteur pour pouvoir réaliser les collets, ce qui fait que l'entraxe entre deux rangées ne peut en pratique descendre en-dessous d'une valeur minimale. L'invention a notamment pour but de surmonter cet inconvénient. Elle propose, à cet effet, un échangeur de chaleur du type défini en introduction, dans lequel le corps de chaque tube présente une section ovale ayant un grand axe orienté dans une première direction, tandis que l'extrémité du tube est déformée par rapport au corps pour présenter une section ovale ayant un grand axe orienté dans une seconde direction offrant un décalage angulaire par rapport à la première direction. De cette manière, on peut donner aux extrémités des tubes et aux trous du collecteur une orientation angulaire différente de celle des corps des tubes, ce qui permet d'orienter les trous du collecteur dans une direction telle que le pont de matière défini entre deux trous adjacents possède une dimension minimale. De façon avantageuse, la première direction précitée est perpendiculaire à la direction des rangées des tubes, tandis que la seconde direction précitée présente ledit décalage angulaire par rapport à la perpendiculaire à la direction des rangées des trous, les trous de passage du collecteur ayant une section ovale adaptée à celle des extrémités des tubes et offrant le même décalage angulaire par rapport à la perpendiculaire à la direction des rangées des trous. En d'autres termes, les corps des tubes possèdent alors une orientation angulaire telle que la perte de charge subie par le flux de fluide traversant l'échangeur de chaleur est minimale. De plus, comme les grands axes respectifs des trous présentent un décalage angulaire par rapport à la perpendiculaire à la direction des rangées des trous, on peut les réaliser avec une disposition compacte, tout en offrant un pont de matière de dimension minimale entre deux trous adjacents. Le décalage angulaire est choisi en fonction de l'entraxe compris entre deux rangées de trous et de l'entraxe entre deux trous adjacents d'une même rangée, ainsi que de la forme particulière de la section ovale du trou. Généralement, ce décalage angulaire est inférieur à 45". Bien que les sections ovales respectives du corps et de l'extrémité d'un tube puissent être semblables, on préfère dans la pratique qu'elles aient des formes différentes. De préférence, le grand axe de la section ovale du corps du tube est plus long que le grand axe de la section ovale de son extrémité, ce qui signifie, en d'autres termes, que la section ovale de l'extrémité est plus proche d'un cercle que celle du corps du tube. La déformation de l'extrémité du tube peut être obtenue par tout moyen approprié, notamment à l'aide d'un poinçon. Dans la plupart des cas, la section ovale du corps du tube aura un périmètre de valeur inférieure ou égale à celle du périmètre de la section ovale de l'extrémité du même tube. Selon une autre caractéristique de l'invention, les sections ovales respectives du corps et de l'extrémité du tube ont des centres respectifs alignés suivant l'axe longitudinal du tube. Autrement dit, les extrémités des tubes sont dans le même alignement axial que les corps des tubes. L'invention permet ainsi de réaliser un échangeur de chaleur dans lequel les extrémités des tubes, situées d'un côté du faisceau, sont reliées à un collecteur d'un boîte à eau, tandis que leurs extrémités opposées sont, soit reliées au collecteur d'une autre boîte à eau, soit encore reliées entre elles, deux à deux, par des coudes. Dans la description qui suit, donnée seulement à titre d'exemple, on se réfère au dessin annexé, sur lequel - la figure 1 est une vue partielle de dessus du collecteur d'un échangeur de chaleur selon l'invention ; - la figure 2 est une vue partielle en coupe suivant la ligne II II de la figure 1 - la figure 3 est une vue partielle en coupe suivant la ligne III-III de la figure 2 ; et - la figure 4 est une vue partielle en perspective de l'échangeur de chaleur des figures 1 et 3, montrant un tube dont l'extrémité est déformée conformément à l'invention. L'échangeur de chaleur comprend (figure 2) un faisceau 10 formé d'une multiplicité de tubes 12 dont les axes longitudinaux respectifs XX sont parallèles. Les tubes 12 ont des corps respectifs 14 qui traversent une multiplicité d'ailettes parallèles 16 (figures 2 à 4) ainsi que des extrémités respectives 18 reçues dans des trous de passage 20 correspondants ménagés au travers d'un collecteur 22 (figures 1 et 2). Dans l'exemple représenté (figure 3), les corps 14 des tubes sont disposés suivant deux rangées parallèles R1 qui sont séparées entre elles par un entraxe El, les corps des tubes au sein d'une même rangée étant séparés par un second entraxe E2 qui est généralement différent de l'entraxe El. De même, les extrémités 18 des tubes 12 (figure 1) sont disposées suivant deux rangées parallèles R2 qui ménagent entre elles le même entraxe El que précédemment, les extrémités des tubes d'une même rangée étant séparées deux à deux du même entraxe E2 que précédemment. Il en est bien sûr de même pour les trous 20 du collecteur 22. Celui-ci est constitué d'une plaque métallique de forme générale rectangulaire comportant une âme 24 au travers de laquelle sont ménagés les trous 20, chacun des trous étant bordé par un collet 26 s'étendant dans la direction des ailettes 16 du faisceau. L'âme 24 comporte, sur tout son pourtour rectangulaire, un bord replié 28 ménageant une gorge périphérique 30 et terminé par des pattes rabattables 32. Le collecteur 22 reçoit un joint d'étanchéité 34 susceptible de s'appliquer à plat contre l'âme 24 du collecteur. Le joint 34 comprend une âme 36, de forme générale rectangulaire, dont dépendent une multiplicité de collets annulaires 38 dont chacun est susceptible d'être comprimé entre un collet 26 du collecteur et l'extrémité 18 du tube correspondant. Le joint d'étanchéité 34 est muni, sur tout son pourtour, d'un bourrelet 40 susceptible de reposer dans la gorge 30 du collecteur pour assurer l'étanchéité entre le collecteur et une paroi de boîte à eau (non représentée) lorsque les pattes 32 sont rabattues contre cette paroi de boîte à eau. La structure générale de l'échangeur de chaleur1 telle qu'elle vient d'être décrite, est connue en soi. Conformément à l'invention, le corps 14 de chaque tube 12 présente une section ovale S1, dans l'exemple elliptique, ayant un grand axe Al orienté dans une première direction D1 qui, dans l'exemple de la figure 3, est perpendiculaire à la direction des rangées Ri des tubes du faisceau. Il en résulte qu'un flux d'un fluide, par exemple de l'air, peut traverser le faisceau 10 dans la direction des flèches F (figure 3) qui est perpendiculaire aux rangées R1 et perpendiculaire au grand côté du collecteur et du faisceau. Il en résulte que la perte de charge subie par le flux du fluide est beaucoup plus faible que si les corps des tubes présentaient des sections circulaires. Conformément à l'invention, et comme on le voit en particulier sur les figures 1 et 4, l'extrémité 18 de chaque tube est déformée par rapport au corps du tube pour présenter une section ovale S2 ayant un grand axe A2 orienté dans une seconde direction D2 qui présente un décalage angulaire a par rapport à la première direction D1. Il en résulte que les trous 20 du collecteur 22 ont une section ovale dont le grand axe présente le même décalage angulaire a par rapport à une perpendiculaire aux rangées R2 des extrémités des tubes, c'est-à-dire aussi aux rangées des trous du collecteur. Comme les trous du collecteur sont décalés angulairement (figure 1), il est possible de les réaliser suivant une disposition compacte dans laquelle l'entraxe El entre deux rangées est pratiquement égal au grand axe A2 de la section ovale du trou. Ceci ne serait évidemment pas possible si le grand axe A2 de la section ovale était dans l'alignement de la direction D1 car le pont de matière existant entre deux trous adjacents appartenant à deux rangées différentes serait beaucoup trop faible pour assurer la faisabilité des collets 26 et la résistance mécanique nécessaire à l'ensemble. Par contre, lorsque les trous présentent un décalage angulaire par rapport aux rangées des trous, les ponts de matières présent entre les trous sont d'une dimension suffisante pour contribuer à une bonne résistance mécanique du collecteur et permettre la réalisation des collets. Le décalage angulaire a entre les deux directions D1 et D2 est choisie en fonction des valeurs des entraxes El et E2 et du grand axe A2, ainsi que du petit axe de la section ovale S2. Généralement, la valeur de l'angle a est inférieure à 45". Bien que les sections S1 et 52 puissent être identiques, on préfère en pratique utiliser des sections différentes. Ainsi, dans la forme de réalisation représentée au dessin, le grand axe Al de la section ovale S1 est plus long que le grand axe A2 de la section ovale S2. Il en résulte que la section ovale S1 du corps du tube est plus allongée et donc plus aplatie que la section ovale S2 de son extrémité. Pour déformer l'extrémité du tube et lui donner une section ovale décalée angulairement par rapport à la section du corps du tube, on peut faire appel à tout type de poinçon approprié. Lorsqu'on utilise un tel poinçon, il en résulte généralement une augmentation du périmètre de la section d'extrémité par rapport à la section du corps du tube. De façon avantageuse l'extrémité 18 de chaque tube 10 est déformée localement, après introduction au travers des trous correspondants du collecteur 22 et du joint 34, pour former un évasement de retenue 42 (figures 1 et 2). Ce dernier est de préférence limité aux grands rayons de la section ovale pour ne pas trop solliciter le tube. Dans l'exemple représenté, les sections ovales respectives S1 et S2 du corps et de l'extrémité du tube possèdent des centres respectifs Ol et 02 qui sont alignés suivant l'axe longitudinal XX du tube. Les extrémités des tubes 12, situées du côté opposé aux extrémités 12, peuvent être réunies entre elles, deux à deux, par des coudes ou bien être reliées à un autre collecteur de boîte à eau de la même façon que pour les extrémités 18. L'invention trouve une application toute particulière pour la réalisation d'échangeurs de chaleur tels que des radiateurs de refroidissement ou des radiateurs de chauffage pour véhicules automobiles. Revendications 1. - Echangeur de chaleur comprenant un faisceau (10) formé d'une multiplicité de tubes (12) disposés en rangées (R1) et possédant des corps respectifs (14) de section ovale et des extrémités respectives (18) reçues dans des trous de passage (20) correspondants, disposés en rangées (R2) et ménagés au travers d'un collecteur (22), caractérisé en ce que le corps (14) de chaque tube (12) présente une section ovale (S1) ayant un grand axe (A1) orienté dans une première direction (D1), tandis que l'extrémité (18) du tube est déformée par rapport au corps (14) pour présenter une section ovale (S2) ayant un grand axe (A2) orienté dans une seconde direction (D2) offrant un décalage angulaire (a) par rapport à la première direction (D1). 2. - Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première direction (D1) est perpendiculaire à la direction des rangées (R1) des tubes (12), tandis que la seconde direction (D2) présente le décalage angulaire (a) par rapport à la perpendiculaire à la direction des rangées (R2) des trous (20), les trous de passage (20) du collecteur (22) ayant une section ovale adaptée à celle des extrémités des tubes et offrant le même décalage angulaire (a) par rapport à la perpendiculaire à la direction des rangées (R2) des trous. 3. - Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le décalage angulaire (a) est inférieur à 45". 4. - Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la section ovale (S1) du corps (14) de chaque tube (12) et la section ovale (52) de son extrémité (18) ont des formes différentes. 5. - Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le grand axe (Al) de la section ovale (S1) du corps (14) du tube est plus long que le grand axe (A2) de la section ovale (S2) de son extrémité (18). 6. - Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que la section ovale (S1) du corps (14) du tube (12) a un périmètre de valeur inférieure ou égale à celle du périmètre de la section ovale (S2) de l'extrémité (18) du tube. 7. - Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les sections ovales respectives (S1 et 52) du corps (14) et de l'extrémité (18) du tube ont des centres respectifs (01,02) alignés suivant l'axe longitudinal (XX) du tube.