Brevet FR2750482A1 — publié le 19980102

Echangeur de chaleur à assemblage mécanique, en particulier pour véhicules automobiles, et procédé pour sa fabrication L'invention concerne un échangeur de chaleur à assemblage mécanique, en particulier pour véhicules automobiles, ainsi qu'un procédé pour sa fabrication. L'échangeur de chaleur de l'invention est du type comprenant une multiplicité de tubes traversant des trous alignés ménagés au travers d'une multiplicité d'ailettes, et dans lequel les tubes sont expansés radialement pour réaliser un assemblage mécanique avec les ailettes. Dans les échangeurs de chaleur connus de ce type, les tubes sont non seulement assemblés mécaniquement avec les ailettes, mais aussi avec au moins une plaque collectrice, encore appelée plaque à trous, dans laquelle les extrémités des tubes sont recules à étanchéité, la plaque collectrice étant en outre coiffée par une boîte à fluide, par exemple une boîte à eau. Les tubes de ces échangeurs de chaleur à assemblage mécanique sont habituellement réalisés par filage d'une matière métallique, en particulier de l'aluminium ou un alliage d'aluminium, et plus généralement par filage et étirage à froid. Ces tubes doivent en conséquence présenter des caractéristiques mécaniques aptes à permettre les transformations inhérentes au procédé d'assemblage des ailettes et des plaques collectrices, et cela tout particulièrement dans le cas où les tubes présentent une section transversale aplatie, par exemple de forme ovale. Ces caractéristiques mécaniques des tubes sont fonction de l'étant métallurgique de l'alliage dont ils sont formés. Or, les opérations successives d'étirage du tube écrouissent le métal, ce qui rend nécessaire de procéder à un recuit pour obtenir les caractéristiques requises. La fabrication de tels tubes filés nécessite donc de nombreuses opérations qui conduisent à des coûts élevés. On connaît aussi, d'après FR-A-2 369 033, un échangeur de chaleur à assemblage mécanique qui est obtenu à partir de tubes électrosoudés. Mais ce document est limité à des tubes de section circulaire et l'assemblage mécanique de ces tubes nécessite un outil de gonflage de structure particulièrement complexe. L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients mentionnés ci-dessus. Elle propose à cet effet un échangeur de chaleur du type défini en introduction, dans lequel les tubes sont des tubes électrosoudés possédant une section transversale de forme généralement ovale et comprenant un cordon de soudure réunissant deux bords d'une bande métallique. L'échangeur de chaleur de l'invention comprend donc des tubes électrosoudés de section transversale ovale qui, jusqu'à présent, n'avaient pu être utilisés que dans la fabrication des échangeurs de chaleur brasés. Ces échangeurs de chaleur brasés procèdent en effet d'une technique de fabrication tout à fait différente de celle des échangeurs de chaleur assemblés mécaniquement du fait qu'ils comportent des tubes électrosoudés, voire des tubes agrafés, qui sont brasés d'une part à des intercalaires ondulés formant ailettes et d'autre part aux plaques collectrices. Jusqu'à présent, il n'avait pas été possible d'utiliser des tubes électrosoudés dans la fabrication d'échangeurs de chaleur à assemblage mécanique du fait que le cordon de soudure de tels tubes forme une surépaisseur sur la paroi intérieure. En effet, il avait été considéré comme nécessaire d'utiliser des tubes à paroi lisse pour la fabrication des échangeurs de chaleur à assemblage mécanique, et cela d'une part pour assurer un bon contact mécanique et thermique entre la paroi des tubes et les ailettes, et d'autre part pour permettre le passage d'un outil d'expansion ou de gonflage à l'intérieur des tubes. Par ailleurs, l'outil de gonflage décrit dans FR-A-2 369 033 est adapté exclusivement à des tubes de section circulaire et doit pouvoir tourner par rapport à une tige de poussée pour livrer passage au cordon de soudure. Cet outil de gonflage spécifique ne pourrait en aucun cas être utilisé avec des tubes de section transversale ovale. Selon une autre caractéristique de l'invention, les tubes sont disposés de telle sorte que chacun des cordons de soudure se trouve dans au moins une position choisie par rapport aux ailettes. Cette caractéristique permet d'utiliser un outil d'expansion de forme choisie qui tient compte de cette position ou orientation particulière du cordon de soudure. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, chacun des tubes a une section transversale de forme généralement ovale présentant deux grands rayons opposés, deux petits rayons opposés, un grand axe et un petit axe. En pareil cas, il est tout particulièrement préféré que le cordon de soudure se trouve sur l'un des grands rayons, plutôt que sur l'un des petits rayons, pour éviter une éventuelle striction de la matière métallique lors de l'expansion radiale du tube. De préférence, le cordon de soudure se trouve alors à l'intersection d'un des grands rayons et du petit axe de la section transversale. I1 en résulte que le cordon de soudure se trouve dans l'une au moins de deux positions choisies lors de l'introduction du tube au travers des ailettes, ce qui favorise ensuite l'orientation de l'outil de dilatation. Sous un autre aspect, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur tel que défini cidessus. Ce procédé de fabrication comprend les opérations suivantes a) préparer une multiplicité de tubes électrosoudés possédant chacun une section transversale de forme générale ovale et présentant chacun un cordon de soudure réunissant deux bords d'une feuille de métal et formant une surépaisseur intérieure du tube b) enfiler les tubes dans les trous alignés d'une multiplicité d'ailettes ; et c) expanser radialement chaque tube au moyen d'un outil d'expansion introduit axialement à l'intérieur du tube et présentant au moins un dégagement adapté à la surépaisseur intérieure du cordon de soudure. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, dans l'opération b), les tubes sont enfilés de telle sorte que chaque cordon de soudure se trouve dans au moins une position choisie par rapport aux ailettes et, dans l'opération c), les outils d'expansion sont introduits dans les tubes de telle sorte qu'un dégagement de chaque outil corresponde à la position du cordon de soudure. Ainsi, les outils d'expansion sont positionnés à chaque fois en fonction de la position précise du cordon de soudure, ce qui permet d'éviter toute déformation locale du tube par frottement de l'outil sur la surépaisseur intérieure du cordon de soudure. Lorsqu'on utilise des tubes de section transversale de forme générale ovale comme défini précédemment, chaque outil d'expansion comporte une partie élargie ayant une section transversale de forme générale ovale adaptée à celle du tube, et présentant également deux grands rayons opposés, deux petits rayons opposés, un grand axe et un petit axe. Lorsque, comme défini précédemment, le cordon de soudure de chaque tube se trouve sur l'un des grands rayons de la section transversale, chaque outil d'expansion comporte avantageusement deux dégagements opposés situés respectivement sur les deux grands rayons de la section transversale de l'outil. Comme les tubes de section ovale sont généralement prélevés au hasard avant d'être enfilés dans les trous des ailettes, et que le cordon de soudure peut se trouver d'un côté ou de l'autre du trou ovale de l'ailette, on est assuré que l'un ou l'autre des deux dégagements de l'outil d'expansion livrera passage au cordon de soudure. Dans le cas où le cordon de soudure de chaque tube se trouve à l'intersection d'un des grands rayons et du petit axe de sa section transversale, les deux dégagements de l'outil d'expansion sont situés respectivement à l'intersection des deux grands rayons et du petit axe de sa section transversale. Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère au dessin annexé, sur lequel - la figure 1 est une vue partielle en perspective d'un échangeur de chaleur selon l'invention, représenté en cours d'assemblage avant l'introduction d'un outil d'expansion dans chacun des tubes - la figure 2 est une vue en coupe transversale d'un tube électrosoudé de section transversale ovale de l'échangeur de chaleur de la figure i - la figure 3 est un détail à échelle agrandie de la paroi du tube et du cordon de soudure, du tube de la figure 2 - la figure 4 est une vue analogue à la figure 2 montrant la position de l'outil d'expansion ; et - la figure 5 est une vue analogue à la celle de la figure 4 dans une autre forme de réalisation du tube et de l'outil de d'expansion. L'échangeur de chaleur représenté partiellement sur la figure 1 comprend une multiplicité d'ailettes 1 de forme générale rectangulaire disposées parallèlement entre elles. Ces ailettes sont de fines plaques métalliques, par exemple en aluminium, qui ménagent chacune un trou 2, dans l'exemple de forme ovale, bordé par un collet 3. L'échangeur de chaleur comprend en outre une multiplicité de tubes 4, dont un seul est visible sur la figure 1, enfilés au travers des ailettes 1 en traversant les trous alignés 2 de ces dernières. Chacun des tubes 4 a une section transversale de forme généralement ovale présentant deux grands rayons opposés R, deux petits rayons opposés r, un grand axe AA et un petit axe BB (figure 2). Chaque tube 4 est un tube électrosoudé obtenu par déformation d'une bande de métal, par exemple d'aluminium ou d'alliage d'aluminium, dont deux bords sont réunis par un cordon de soudure 5. Pour cela, on soude en continu par induction deux bords 6 et 7 de la bande métallique (figure 3) ce qui crée le cordon de soudure 5. La bande métallique est préalablement amenée à la forme circulaire dans des galets (non représentés) puis soudée bord à bord. Le tube soudé ainsi obtenu est ensuite amené à la forme ovale souhaitée dans un deuxième train de galets (non représenté). Conformément à l'invention, le cordon de soudure 5 est arasé sur la paroi extérieure au moyen d'un outil tranchant, juste après électrosoudage, ce qui permet d'éliminer la surépaisseur extérieure résultant du soudage et d'obtenir un tube tel que représenté aux figures 2 et 3 dont la paroi extérieure est lisse au niveau du cordon de soudure 5 et dont la paroi intérieure comporte une surépaisseur intérieure 8 qu'il serait très difficile d'enlever. Un tel tube électrosoudé est déjà connu en lui-même et utilisé, sous cette forme, dans la fabrication d'échangeurs de chaleur du type brasé. I1 est à remarquer que le tube 4 peut prendre deux positions différentes. Sur la figure 1, le cordon de soudure est dirigé du côté gauche du dessin. I1 pourrait, en variante, se situer du côté droit. En effet, lors de la fabrication d'un échangeur de chaleur, les tubes sont pris chacun au hasard et le cordon de soudure 5 peut se trouver dans l'une des deux positions opposées. Comme on peut le voir sur la figure 2, le cordon de soudure 5 et donc la surépaisseur intérieure 8 se trouvent tous deux à l'intersection d'un des grands rayons R et du petit axe BB de la section transversale. I1 en résulte que, en fonction de la position aléatoire du tube, le cordon de soudure 5 et par conséquent la surépaisseur intérieure 8, peuvent se trouver dans l'une ou l'autre de deux positions symétriques par rapport au grand axe (non représenté) du trou 2. Après que les tubes 4 ont été introduits dans les trous 2 des ailettes 1, il convient de les expanser radialement pour assurer un contact mécanique et thermique entre les tubes et les ailettes (plus précisément les collets 3 des ailettes). Pour cela, on introduit axialement dans chaque tube un outil d'expansion 10 (figure 1) qui comprend une tige 11 présentant une section ovale de dimensions inférieures à celles de la section ovale intérieure du tube 4. Cette tige 11 est prolongée par une partie élargie 12, encore appelée olive, qui présente un bord périphérique 13, au niveau duquel la section transversale de la partie évasée 12 possède ses dimensions maximales, lesquelles sont supérieures aux dimensions intérieures de la section ovale du tube pour provoquer son expansion ou dilatation radiale. Au niveau du bord 13, la partie élargie 12 possède une section transversale ovale qui apparaît sur la figure 4 et qui présente deux grands rayons opposés R', deux petits rayons opposés r', un grand axe A'A' et un petit axe B'B'. La partie évasée 12 de l'outil d'expansion 10 comporte deux dégagements 14 constitués sous la forme de rainures qui sont dirigées dans l'axe de l'outil et qui sont réalisées respectivement à l'intersection du petit axe B'B' et des deux grands rayons R'R'. Ces dégagements ont des dimensions légèrement supérieures à celles du cordon de soudure, et plus particulièrement de la surépaisseur intérieure 8, afin d'éviter toute déformation locale du tube par frottement de l'outil d'expansion sur le cordon de soudure. Chacun des outils 10 est introduit axialement dans un tube 4 avec une orientation bien définie, l'axe A'A' étant généralement perpendiculaire aux grands côtés 14 des ailettes. Il en résulte que, quelle que soit l'une des deux positions prises par chaque tube 4, indépendamment des autres, son cordon de soudure se trouve automatiquement dans l'axe de l'un ou l'autre des deux dégagements 14 de l'outil 10 (figure 4). Ainsi, on garantit que, lors de l'introduction de l'outil, la partie élargie 12 en forme d'olive ne peut venir frotter contre le cordon de soudure 5 et assurer la déformation locale du tube par frottement. Dans la forme de réalisation de la figure 5, à laquelle on se réfère maintenant, le cordon de soudure 5 du tube est situé à l'intersection d'un petit rayon r et d'un grand axe AA. En conséquence, la partie évasée 12 de l'outil comprend deux dégagements 14 qui sont situés aux intersections des deux petits rayons r' et du grand axe A'A'. Il est toutefois à noter que la forme de réalisation de la figure 5 est moins appropriée du fait qu'elle peut conduire à une striction trop élevée du métal dans la région du cordon de soudure. C'est la raison pour laquelle on préfère que le cordon de soudure se trouve dans un grand rayon de la section ovale, comme décrit précédemment. L'invention permet ainsi d'utiliser des tubes électrosoudés de section transversale ovale dans la fabrication d'échangeurs de chaleur à assemblage mécanique, tels que ceux utilisés notamment dans les véhicules automobiles. Il est à noter que l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites précédemment à titre d'exemple. Ainsi, la section transversale des tubes électrosoudés utilisés dans l'invention peut être plus ou moins aplatie en fonction des caractéristiques souhaitées pour les échangeurs de chaleur à réaliser. Revendications 1. Echangeur de chaleur, du type comprenant une multiplicité de tubes (4) traversant des trous alignés (2) ménagés au travers d'une multiplicité d'ailettes (1), et dans lequel les tubes (4) sont expansés radialement pour réaliser un assemblage mécanique avec les ailettes (1), caractérisé en ce que les tubes (4) sont des tubes électrosoudés possédant une section transversale de forme généralement ovale et comprenant un cordon de soudure (5) réunissant deux bords (6, 7) d'une bande métallique. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes (4) sont disposés de telle sorte que chacun des cordons de soudure (5) se trouve dans au moins une position choisie par rapport aux ailettes (1). 3. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la section transversale de forme généralement ovale de chacun des tubes (4) présente deux grands rayons opposés (R), deux petits rayons opposés (r), un grand axe (AA) et un petit axe (BB). 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le cordon de soudure (5) se trouve sur l'un des grands rayons (R) de la section transversale du tube. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le cordon de soudure (5) se trouve à l'intersection d'un des grands rayons (R) et du petit axe (BB) de la section transversale du tube. 6. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon lune des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes a) préparer une multiplicité de tubes électrosoudés (4) possédant chacun une section transversale de forme générale ment ovale et présentant chacun un cordon de soudure (5) réunissant deux bords (6,7) d'une feuille de métal et formant une surépaisseur intérieure (8) ; b) enfiler les tubes (4) dans les trous alignés (2) d'une multiplicité d'ailettes (1) ; -et c) expanser radialement chaque tube (4) au moyen d'un outil d'expansion (10) introduit axialement à l'intérieur du tube et présentant au moins un dégagement (14) adapté à la surépaisseur intérieure (8) du cordon de soudure. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que dans l'opération b) les tubes (4) sont enfilés de telle sorte que chaque cordon de soudure (5) se trouve dans au moins une position choisie par rapport aux ailettes (1) et que, dans l'opération c), les outils d'expansion (10) sont introduits dans les tubes (4) de telle sorte qu'un dégagement (14) de chaque outil corresponde à la position du cordon de soudure (5). 8. Procédé selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la section transversale de forme généralement ovale de chacun des tubes (4) présente deux grands rayons opposés (R), deux petits rayons opposés (r), un grand axe (AA) et un petit axe (BB) et en ce que chaque outil d'expansion (10) comporte une partie élargie (12) ayant une section transversale de forme généralement ovale adaptée à celle du tube (4) avec deux grands rayons opposés (R'R'), deux petits rayons opposés (r'r'), un grand axe (A'A') et un petit axe (B'B'). 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le cordon de soudure (5) de chaque tube (4) se trouve sur l'un des grands rayons (R) de la section transversale, et en ce que chaque outil d'expansion (10) comporte deux dégagements opposés (14) situés respectivement sur les deux grands rayons (R) de la section transversale de l'outil. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le cordon de soudure (5) de chaque tube (4) se trouve à l'intersection d'un des grands rayons (R) et du petit axe (BB) de sa section transversale, et en ce que les deux dégagements (14) de l'outil d'expansion (10) sont situés respectivement à l'intersection des deux grands rayons (R') et du petit axe (B'B') de sa section transversale.