Brevet FR2785980A1 — publié le 20000519

Echangeur de chaleur à faisceau de tubes contenu dans un boîtier cylindrique L'invention concerne un échangeur de chaleur pour le trans- fert de chaleur entre un premier fluide et un second fluide, comprenant: un boîtier central de forme générale cylindrique de révolution constitué par une paroi périphérique cylindri- que munie de tubulures d'entrée et de sortie pour le premier fluide et par deux parois d'extrémités; - un faisceau de tubes allongés parallèlement à l'axe du boîtier, les régions d'extrémités de chaque tube traversant de manière étanche aux fluides des ouvertures ménagées dans lesdites parois d'extrémités, et les faces externes des tubes délimitant à l'intérieur du boîtier une chambre pour la circulation du premier fluide; et - deux coupelles annulaires de révolution coiffant respectivement les deux extrémités du boîtier et liées de manière étanche à la périphérie de celles-ci, pour définir avec les parois d'extrémités des boîtes collectrices qui communiquent entre elles par l'intermédiaire des tubes pour la circulation du second fluide, les ouvertures centrales des coupelles constituant respectivement une ouverture d'entrée et une ouverture de sortie pour le second fluide. De tels échangeurs sont utilisés notamment pour la récupéra- tion de chaleur à partir des gaz d'échappement des véhicules automobiles, le premier fluide étant un fluide en circulation pour la récupération de la chaleur, et le second fluide étant constitué par les gaz d'échappement. Dans ces échangeurs connus, les différents éléments sont mutuellement assemblés de manière étanche aux fluides par brasage, et les coupelles d'extrémité sont des pièces massives moulées. Le matériau utilisé est l'acier inoxydable, pour permettre le brasage. Ces pièces sont reprises en usinage pour assurer l'ajustement de l'assemblage avec les autres composants et pour obtenir le bon état de surface nécessaire au brasage. Le matériau et la technique de fabrication rendent les pièces lourdes et coûteuses. De plus, les coupelles n'ont aucune élasticité et doivent être emboîtées sur le boîtier avec jeu. Elles ne peuvent se maintenir sur celui-ci par frottement, et des points de soudure doivent être réalisés pour maintenir les pièces ensemble jusqu'au brasage. Enfin, l'absence d'élasticité des coupelles limite stricte- ment l'ovalisation autorisée du boîtier. Le but de l'invention est de remédier aux inconvénients exposés ci-dessus. L'invention vise notamment un échangeur de chaleur du genre défini en introduction, et prévoit que les coupelles sont en tôle emboutie. Les coupelles en tôle emboutie sont plus légères et moins coûteuses que les coupelles moulées et usinées de l'état de la technique. Leur élasticité facilite leur assemblage avec le boîtier, et leur maintien à l'état assemblé avant le brasage. Ces effets sont encore renforcés par une légère ovalisation obtenue naturellement par l'emboutissage à partir d'une tôle laminée de faible épaisseur, qui permet d'obtenir simultané- ment un jeu diamétral approprié entre le boîtier et la coupelle, et un léger serrage dans une direction radiale particulière, permettant le maintien de l'assemblage. Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémen- taires ou alternatives, sont énoncées ci-après: - L'une au moins des coupelles présente, à son extrémité axiale tournée à l'opposé du boîtier, une portion cylindrique radialement intérieure définissant une tubulure axiale d'entrée ou de sortie pour le second fluide. - La face extérieure de la tubulure axiale est brasée à l'intérieur d'un trou traversant formé dans une bride de fixation en forme de plaque qui s'étend perpendiculairement à l'axe du boîtier. - La coupelle présente, au voisinage de la tubulure axiale, une portion orientée sensiblement radialement qui est brasée sur la face de la bride tournée vers le boîtier. - L'une au moins des coupelles présente une portion cylindri- que d'emboîtement recouvrant une région d'extrémité de ladite paroi périphérique. - Ladite portion cylindrique d'emboîtement est adjacente à une portion évasée située à l'extrémité axiale de la coupelle tournée vers le boîtier, propre à faciliter l'emboîtement de la coupelle sur le boîtier. - Ladite portion cylindrique d'emboîtement se raccorde à l'opposé du boîtier, à une portion de diamètre progressive- ment décroissant formant butée pour l'extrémité du boîtier et définissant un trajet de section variable pour le second fluide entre le boîtier et l'ouverture d'entrée ou de sortie. L'invention a également pour objet un procédé de montage d'un échangeur de chaleur tel que défini ci-dessus, dans lequel, après avoir assemblé le boîtier et les tubes, on emboîte les coupelles sur les régions d'extrémités du boîtier, et on brase l'ensemble ainsi obtenu, le diamètre extérieur du boîtier, le diamètre intérieur de ladite portion cylindrique d'emboîtement et l'élasticité des coupelles étant tels que les coupelles s'emboîtent avec un frottement permettant leur maintien en place avant le brasage. Le procédé selon l'invention peut comporter au moins certai- nes des particularités suivantes: - Le boîtier et/ou les coupelles présentent une légère ovalisation, une première des deux grandeurs constituées par ledit diamètre extérieur et ledit diamètre intérieur ayant une valeur minimale inférieure à la valeur minimale de la seconde desdites grandeurs et une valeur maximale supérieure à la valeur maximale de la seconde grandeur, et le périmètre intérieure de ladite portion d'emboîtement étant supérieur au périmètre extérieur du boîtier. - On poursuit le mouvement d'emboîtement des coupelles jusqu'à ce que leur portion de diamètre progressivement décroissant vienne en butée sur l'extrémité du boîtier. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront exposés plus en détail dans la description ci-après, en se référant aux dessins annexés. La figure 1 est une vue en coupe axiale d'un échangeur de chaleur selon l'invention pour la récupération de chaleur des gaz d'échappement d'un véhicule automobile. La figure 2 est une demi-vue en coupe axiale d'une coupelle en tôle emboutie appartenant à cet échangeur. La figure 3 est un détail agrandi de la figure 1. La figure 4 est une vue en coupe axiale d'une coupelle et d'une bride de fixation brasée à celle-ci. La figure 5 est un détail agrandi de la figure 4. Les figures 6 et 7 sont des schémas explicatifs relatifs à l'emboîtement d'une coupelle sur le boîtier de l'échangeur de chaleur. L'échangeur de chaleur représenté sur la figure 1 comprend, de manière connue en soi, un boîtier central de forme cylindrique de révolution composé d'une paroi périphérique cylindrique 1 et de deux parois d'extrémité circulaires 2, 3. Des tubulures d'entrée et de sortie 4, 5 pour le fluide de refroidissement du moteur du véhicule sont aménagées sur la paroi 1, en des positions diamétralement opposées, l'une au voisinage de la paroi 2 et l'autre au voisinage de la paroi 3. Des trous circulaires répartis sur la surface des parois 2 et 3 reçoivent les extrémités de tubes 6 allongés parallè- lement à l'axe A du boîtier. Deux coupelles annulaires 7, 8, de révolution autour de l'axe A, coiffent respectivement les extrémités du boîtier et se terminent, à l'opposé de celui- ci, par des tubulures axiales 9, 10 qui sont brasées respec- tivement à des brides 11, 12 destinées à la fixation de l'échangeur de chaleur sur le véhicule. Les parois 1-3, les tubes 6, les coupelles 7, 8 et les brides 11, 12 sont mutuellement assemblés par brasage de manière étanche aux fluides. Les gaz d'échappement pénètrent par la tubulure 9 dans la boîte collectrice 13 délimitée par la paroi 2 et la coupelle 7, cheminent à l'intérieur des tubes 6 pour attein- dre la boîte collectrice 14 délimitée par la paroi 3 et la coupelle 8, et sortent par la tubulure 10. Le fluide de refroidissement pénètre par la tubulure 4 à l'intérieur du boîtier 1-3, o il chemine en balayant la surface extérieure des tubes de manière à recueillir la chaleur des gaz qui circulent à l'intérieur ceux-ci, puis sort par la tubulure 5. La circulation de chaque fluide peut également s'effectuer en sens inverse de celui qui vient d'être décrit. Selon l'invention, les coupelles 7, 8 sont réalisées par emboutissage à partir d'une tôle laminée de faible épaisseur. Outre la réduction de poids et de coût, cette technique de fabrication permet un maintien en place provisoire des coupelles sur les extrémités du boîtier par élasticité jusqu'au brasage comme décrit en détail plus loin. On voit sur la figure 2 que la coupelle 8, identique à la coupelle 7, comprend une portion cylindrique 15 qui vient entourer étroitement la région d'extrémité de la paroi cylindrique 1 du boîtier. La portion 15 est adjacente à une portion évasée 16, à section en arc de cercle, qui s'étend jusqu'à l'extrémité axiale 17 de la coupelle tournée vers le boîtier. A l'opposé de la portion 16, la portion 15 se raccorde à une portion tronconique 18 dont le diamètre va en décroissant lorsqu'on s'éloigne du boîtier. La portion 18 se raccorde à son tour, par un arrondi, à une portion 19 s'étendant sensiblement selon un plan radial. Enfin, la portion 19 est reliée par un arrondi 20 à la tubulure 10, qui constitue la partie de plus faible diamètre de la coupelle et qui s'étend jusqu'à l'extrémité axiale de la coupelle opposée au boîtier, o elle définit une ouverture 21 d'entrée ou de sortie de gaz. La portion évasée 16 facilite l'insertion de l'extrémité du boîtier dans la coupelle, laquelle insertion se poursuit jusqu'à ce que la face externe 3a de la paroi d'extrémité 3 du boîtier vienne en butée sur la portion tronconique 18 de la coupelle, comme montré en détail sur la figure 3. La portion 18 sert également au guidage du gaz entre la tubulure d'entrée ou de sortie 10 et les extrémités des tubes 6, qui s'inscrivent dans une surface sensiblement supérieure à la section de passage de cette tubulure. Les figures 4 et 5 montrent la liaison entre la coupelle 8 et une bride de fixation 22 différente des brides 11 et 12 représentées sur la figure 1. La bride 22 a la forme d'une plaque s'étendant parallèlement à un plan radial, traversée par une ouverture cylindrique centrale 23 dans laquelle se loge la tubulure 10 et par deux trous filetés 24, symétriques l'un de l'autre par rapport à l'axe A, servant à la fixation de l'échangeur de chaleur sur un support non représenté. Comme on le voit plus particulièrement sur la figure 5, la bride 22 est en contact avec la face externe de la portion radiale 19 de la coupelle par sa face 25 tournée vers le boîtier, et avec la face externe de la tubulure 10 par la paroi de l'ouverture 23. Elle est brasée à ces deux surfaces, ce qui assure une excellente tenue mécanique de l'assemblage, notamment vis-à-vis des vibrations du moteur du véhicule. Un chanfrein annulaire 26 est ménagé en regard de l'arrondi 20. La technique de fabrication des coupelles par emboutissage à partir d'une tôle laminée entraîne par elle-même une légère ovalisation, qui facilite l'assemblage de l'échangeur selon l'invention, comme on va l'expliquer en se référant à la figure 6. Sur celle-ci, le cercle hachuré représente schéma- tiquement le boîtier cylindrique de révolution 1, 2, de diamètre d1, et l'ellipse non hachurée représente le périmètre intérieur de la portion d'emboîtement 15 d'une coupelle, de diamètre minimal d2m et de diamètre maximal d2M, les différen- ces de diamètre étant représentées avec exagération pour plus de clarté. La valeur de d1 est comprise entre celles de dm2 et de d2M, de telle sorte que, lors de l'emboîtement, le diamètre minimal de la coupelle augmente, comme indiqué par les flèches F1, tandis que son diamètre maximal diminue, comme indiqué par les flèches F2. A la fin de l'emboîtement, le boîtier s'appuie radialement sur la coupelle, en deux endroits diamétralement opposés, selon les flèches F1, maintenant ainsi la coupelle par frottement, tandis qu'un jeu subsiste entre ses deux composants dans la direction des flèches F2, du fait que le périmètre intérieur de la portion est supérieur au périmètre extérieur du boîtier. Bien que le cas d'un boîtier pratiquement de révolution et d'une coupelle ovalisée soit le plus fréquent, l'invention fonctionne tout aussi bien lorsque le boîtier est ovalisé, que la coupelle soit elle- même ovalisée ou de révolution, à la double condition que le diamètre maximal de chacune des deux surfaces cylindriques coopérantes soit supérieur au diamètre minimal de l'autre, et que le périmètre intérieur de la portion 15 soit supérieur au périmètre extérieur du boîtier. La figure 7 illustre le cas o les deux éléments sont ovalisés, le boîtier l'étant plus que la coupelle. On a alors la relation dlm la contraction de la coupelle, dans la direction des diamè- tres minimaux, contrairement au cas de la figure 6. Revendications 1. Échangeur de chaleur pour le transfert de chaleur entre un premier fluide et un second fluide, comprenant: - un boîtier central de forme générale cylindrique de révolution constitué par une paroi périphérique cylindri- que (1) munie de tubulures d'entrée et de sortie (4, 5) pour le premier fluide et par deux parois d'extrémités (2, 3); - un faisceau de tubes allongés parallèlement à l'axe (A) du boîtier, les régions d'extrémités de chaque tube traversant de manière étanche aux fluides des ouvertures ménagées dans lesdites parois d'extrémités, et les faces externes des tubes délimitant à l'intérieur du boîtier une chambre pour la circulation du premier fluide; et - deux coupelles annulaires de révolution (7, 8) coiffant respectivement les deux extrémités du boîtier et liées de manière étanche à la périphérie de celles-ci, pour définir avec les parois d'extrémités des boites collectrices (13, 14) qui communiquent entre elles par l'intermédiaire des tubes pour la circulation du second fluide, les ouvertures centrales (21) des coupelles constituant respectivement une ouverture d'entrée et une ouverture de sortie pour le second fluide, caractérisé en ce que les coupelles sont en tôle emboutie. 2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'une au moins des coupelles présente, à son extrémité axiale tournée à l'opposé du boîtier, une portion cylindrique (10) radialement intérieure définissant une tubulure axiale d'entrée ou de sortie pour le second fluide. 3. Échangeur de chaleur selon la revendication 2, caracté- risé en ce que la face extérieure de la tubulure axiale est brasée à l'intérieur d'un trou traversant (23) formé dans une bride de fixation (22) en forme de plaque qui s'étend perpendiculairement à l'axe du boîtier. 4. Échangeur de chaleur selon la revendication 3, caracté- risé en ce que la coupelle présente, au voisinage de la tubulure axiale, une portion (19) orientée sensiblement radialement qui est brasée sur la face de la bride tournée vers le boîtier. 5. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'une au moins des coupelles présente une portion cylindrique d'emboîtement (15) recouvrant une région d'extrémité de ladite paroi périphéri- que (1). 6. Échangeur de chaleur selon la revendication 5, caracté- risé en ce que ladite portion cylindrique d'emboîtement est adjacente à une portion évasée (16) située à l'extrémité axiale de la coupelle tournée vers le boîtier, propre à faciliter l'emboîtement de la coupelle sur le boîtier. 7. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que ladite portion cylindrique d'emboî- tement se raccorde, à l'opposé du boîtier, à une portion (18) de diamètre progressivement décroissant formant butée pour l'extrémité (3a) du boîtier et définissant un trajet de section variable pour le second fluide entre le boîtier et l'ouverture (21) d'entrée ou de sortie. 8. Procédé de montage d'un échangeur de chaleur selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel, après avoir assemblé le boîtier (1-3) et les tubes (6), on emboîte les coupelles (7, 8) sur les régions d'extrémités du boîtier, et on brase l'ensemble ainsi obtenu, le diamètre extérieur du boîtier, le diamètre intérieur de ladite portion cylindrique d'emboî- tement (15) et l'élasticité des coupelles étant tels que les coupelles s'emboîtent avec un frottement permettant leur maintien en place avant le brasage. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le boîtier et/ou les coupelles présentent une légère ovalisa- tion, une première des deux grandeurs constituées par ledit diamètre extérieur (d1) et ledit diamètre intérieur (d2) ayant une valeur minimale (d1m, d2m) inférieure à la valeur minimale (d2m, dim) de la seconde desdites grandeurs et une valeur maximale (dlM, d2M) supérieure à la valeur maximale (d2M, D1M) de la seconde grandeur, et le périmètre intérieure de ladite portion d'emboitement étant supérieur au périmètre extérieur du boîtier. 10. Procédé selon l'une des revendications 8 et 9 pour le montage d'un échangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on poursuit le mouvement d'emboîtement des coupelles jusqu'à ce que ladite portion (18) de diamètre progressivement décroissant vienne en butée sur l'extrémité (3a) du boîtier.