Brevet FR2846406A1 — publié le 20040430

L'invention concerne un dispositif tel qu'un échangeur de chaleur, du type comprenant un corps central de forme générale parallélépipédique dont deux côtés d'extrémité sont coiffés par une boîte de forme générale 5 convexe dans un encombrement donné, qui est connecté au corps central par soudage ou brasage. L'invention concerne particulièrement un échangeur de chaleur du type représenté sur les figures 1 et 2 ou 5. Cet échangeur comprend, à titre de corps central, une 10 matrice 1 de forme parallélépipédique et les deux boîtes d'entrée et de sortie respectivement 2 et 3 pour l'entrée et la sortie d'un fluide chaud symbolisé par la flèche Fl, qui sont montées sur les deux faces d'extrémité opposées 4 et 4'. La matrice est réalisée sous forme d'un 15 empilement entre deux plaques parallèles extérieures supérieure 5 et inférieure 6 constituant des joues, d'intercalaires 11 et 12 à orientations différentes, de barrettes 14 et 15 et de lames 16 en forme de plaques parallèles aux joues. Les intercalaires 11 et 12 sont 20 disposés en alternance entre les joues 5 et 6. Les intercalaires sont formés par des feuilles pliées ou ondulées, en un matériau thermiquement conducteur. Chaque intercalaire est placé entre deux lames 16, à l'exception des intercalaires extérieurs qui sont disposés entre une 25 lame et la joue correspondante. Chaque intercalaire délimite entre les deux lames associées ou la joue une pluralité de canaux élémentaires 20, 21 pour assurer le passage du fluide chaud Fl et du fluide froid F2 à travers la matrice. Les canaux élémentaires 20 pour 30 l'écoulement du fluide chaud Fl sont établis par l'intercalaire 11 et s'étendent entre les boîtes d'entrée et de sortie 2 et 3 tandis que les canaux notés 21 sont formés par l'intercalaire 12 et s'étendent perpendiculairement aux canaux 20. Ainsi le fluide chaud passe par les faces d'extrémité 4 et 4' coiffées par les boîtes d'entrée et de sortie 2, 3. Le fluide froid F2 passe par les faces latérales 22, 23 de la matrice, qui sont ouvertes. On constate qu'au niveau de l'intercalaire 11 les canaux extérieurs 20 sont délimités par les barrettes 5 longitudinales 15 tandis que les canaux extérieurs 21 des intercalaires 12 sont fermés vers l'extérieur par les barrettes transversales 14. Les lames 16 et les barrettes 14, 15 assurent ainsi l'étanchéité entre les deux fluides qui circulent dans les intercalaires. L'empilement des 10 joues, des intercalaires, des lames et des barrettes, qui vient d'être décrit, est assemblé par brasage. On constate encore que les barrettes transversales 14 et longitudinales 15 font saillie les uns par rapport aux autres au niveau des arêtes verticales de la matrice 15 en 24. Des profilés en forme de cornière 25 sont disposés au niveau de ces arêtes. Enfin un cadre 26 peut être monté sur chaque côté latéral ouvert, destiné au passage du fluide froid F2. Une matrice 1 telle que décrite et représentée sur 20 les figures 1 et 2 présente des problèmes aux raccordements boîte/matrice, qui seront décrits en se référant aux figures 3 et 4. La figure 3 illustre, de façon schématique, un autre type de raccordement 28 d'une boîte 2 ou 3 à la matrice 1, c'est cette zone de 25 raccordement qui pose problème. En effet, le raccordement boîte/matrice constitue le plus souvent la zone la plus sensible pour la tenue thermo-mécanique de l'échangeur. Comme le montre la figure 3, chaque barrette chaude longitudinale 15 comporte, sous la zone de raccordement 30 28 une languette 30 qui fait saillie perpendiculairement vers l'extérieur et forme ainsi un congé extérieur 29. Les contraintes dans les barrettes, plus précisément dans les congés extérieurs restent inférieures aux contraintes dans la boîte mais, pour des raisons de 35 brasabilité, le matériau utilisé pour les barrettes a souvent des caractéristiques mécaniques plus faible que le matériau constitutif de la boîte 2. Il est de plus susceptible d'être affecté par le mode d'assemblage de la boîte 2 sur la matrice 1. La sollicitation la plus contraignante s'exerçant sur la barrette est la flexion. De ce fait le congé 29 5 des barrettes 14, 15 peut constituer la zone la plus critique quant à la résistance mécanique, alors que, sur la boîte, les valeurs limites de la résistance mécanique ne sont pas atteintes. La figure 5 illustre un échangeur de chaleur de 10 l'état de la technique, qui se distingue de celui représenté sur la figure 1 par la forme des boîtes d'entrée et de sortie. Sur la figure 1 les tubulures d'entrée et de sortie 40, 41 se trouvent dans l'axe de l'échangeur tandis que, sur la figure 5, elles sont 15 situées latéralement, c'est-à-dire à un angle de 90 par rapport à cet axe. La présente invention a pour but de proposer, pour un même encombrement, une forme de boîte 2, 3 qui permet de réduire les contraintes dans les barrettes tout en 20 assurant la tenue mécanique de la boîte. Pour atteindre ce but, le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce que la boîte présente au voisinage de la zone de raccordement dans sa paroi généralement convexe une déformation provoquant un 25 transfert des contraintes des barrettes à la boîte sous forme d'une diminution des contraintes dans la zone de congé et d'une augmentation dans la boîte tout en conservant ledit encombrement. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, 30 caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans 35 lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective d'un échangeur de chaleur de l'état de la technique, d'un type auquel l'invention est applicable; - la figure 2 est une vue éclatée de l'échangeur de chaleur selon la figure 1; - la figure 3 est une vue schématique de la zone de raccordement du boîtier d'entrée 2 à la matrice 1 d'un échangeur de chaleur selon la figure 1; la figure 4 illustre les contraintes obtenues par 10 calcul pour la géométrie de la partie de boîte et de la matrice représentée; - la figure 5 est une vue en perspective d'un autre type d'échangeur de chaleur de l'état de la technique; - la figure 6 et 7 sont des vues en perspective de 15 boîtes d'entrée selon l'invention, adaptées aux échangeurs des figures 1 et 5; - la figure 8 est une vue similaire à la figure 4, mais illustre la répartition des contraintes dans une boîte à portions convexe et concave selon l'invention. En se reportant à la figure 5, l'invention sera décrite, à titre d'exemple, dans une application à un échangeur de chaleur du type de celui qui est représenté sur les figures 1 à 4. La particularité de l'échangeur de chaleur selon 25 l'invention réside dans le fait que la forme des boîtes d'entrée 2 et, le cas échéant aussi de la boîte 3 a été modifiée en réalisant un creux dans la boîte à une certaine distance de la zone de raccordement. Ainsi la boîte présente, tout en conservant la hauteur H de la 30 boîte, à partir de la zone de raccordement de la boîte à la matrice, dans une vue de dessus, une portion convexe 32 et ensuite une zone concave 34, la hauteur H étant la distance de la zone de raccordement à la partie supérieure de la boîte, l'épaisseur comprise. Dans 35 l'exemple représenté, la portion 32 est orientée pratiquement horizontalement en 36 au niveau de la jonction 3 à la zone concave 34. Les figures 6 et 7 illustrent, à titre d'exemple, les formes des boîtes d'entrée, qui sont configurées conformément à l'invention, pour une boîte à tubulure d'entrée 40 axiale et destinée à remplacer la boîte 5 d'entrée 2 sur la figure 1 et une boîte d'entrée à tubulure latérale destinée à remplacer la boîte d'entrée 2 de l'échangeur selon la figure 5. Sur les figures on constate que les portions convexes 32 et concaves 34, spécifiques de l'invention, s'étendent sur les quatre 10 faces latérales de la boîte. Cette configuration des boîtes d'entrée et de sortie selon l'invention est basée sur la constatation qu'en conférant à la boîte près de la zone de raccordement une forme différente de la forme régulièrement bombée 15 représentée sur les figures 1 à 4, on obtient une réduction des contraintes mécaniques au niveau de la zone critique 29, c'est-à-dire du congé extérieur des barrettes, au prix d'une augmentation des contraintes au niveau de la boîte 2. Or, dans la mesure o la boîte est 20 en un matériau mécaniquement plus résistante, ce transfert des contraintes de la zone critique du raccordement à une zone plus éloignée de la zone de raccordement qui se trouve dans la boîte au creux désigné par la référence 38 de la portion convexe 32, ne présente 25 pas un inconvénient. La figure 4 montre, schématiquement la répartition des contraintes dans la zone de raccordement au boîtier 2 à la matrice 1 d'un échangeur de chaleur selon les figures 1 et 2. Les lignes en traits fins sont des lignes 30 d'iso-contraintes. Dans la zone critique 29 sur la figure 4 sur laquelle la boîte est régulièrement bombée de façon convexe, la contrainte présente une valeur de contrainte mécanique calculée de l'ordre de 47% de la valeur maximale, tandis que la zone 38 dans la paroi de la boîte 35 du côté de la face interne, a une certaine distance de la zone de raccordement 28 présente une valeur calculée des contraintes de l'ordre de 57%. En conférant à la boîte la forme à portion convexe et concave selon la figure 5, on constate que la valeur de contrainte calculée dans la zone critique 29 descend à 28% tandis que, dans la zone 38, les contraintes 5 présentent maintenant une valeur de 100%. Or, cette augmentation des contraintes dans la boîte est acceptable dans la mesure o celle-ci est réalisée en un matériau mécaniquement résistant. Cette augmentation des contraintes est tolérable à l'égard de l'avantage de la 10 réduction des contraintes dans la zone critique 29 au niveau du congé, de 47 à 28%. Bien entendu l'invention n'est pas limitée à la nouvelle configuration aux portions concave et convexe de la boîte, telle que représentée sur la figure 5. Tout 15 autre forme de la boîte qui procure un allégement des contraintes de la zone critique de l'assemblage de la boîte à la matrice, au prix d'une augmentation des contraintes dans la boîte, est couverte par l'invention. Bien entendu l'invention n'est pas limitée à son 20 application à un échangeur de chaleur. Tout autre dispositif comportant une boîte devant être raccordée à un corps central, avec le problème de contraintes décrit plus haut, tombe sous le coup de l'invention. Il est encore à noter que l'invention n'est pas 25 limitée aux types de barrettes représentés. Ceux-ci n'ont été décrits à titre d'exemple. De façon générale, l'invention est applicable à tout dispositif soumis à une pression interne lors du fonctionnement, o le problème invoqué ci-dessus se pose. REVENDICATIONS 1. Dispositif tel qu'un échangeur de chaleur, du type comprenant un corps central de forme générale parallélépipédique dont deux côtés d'extrémité opposés sont coiffés par des boîtes de forme générale convexe, dans un encombrement donné, qui sont connectés au corps 10 central par soudage ou brasage, caractérisé en ce que la boîte (2) présente, près de la zone de raccordement, dans sa paroi généralement convexe, une déformation (34) assurant un transfert des contraintes des barrettes (15) à la boîte sous forme d'une diminution des contraintes au 15 niveau des barrettes dans la zone de connexion (28) et d'une augmentation des contraintes dans la boîte (2). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la boîte (2) comporte, à une certaine distance de la zone de raccordement (28), dans sa face 20 généralement convexe, un creux de façon à présenter, à partir de la zone de raccordement (28), une portion convexe (32) et une portion concave (34). 3. Echangeur de chaleur du type comprenant une matrice d'échange de chaleur (1) de forme générale 25 parallélépipédique dont deux faces d'extrémité opposées sont coiffées respectivement par une boîte d'entrée (2) et d'une boîte de sortie (3) de forme générale convexe d'un fluide chaud (Fl), la matrice étant formée par un empilement entre deux plaques d'extérieur formant joues 30 (5, 6) d'intercalaires (11, 12) de formation de canaux (20, 21) d'écoulement dudit fluide chaud (Fl) et d'un fluide froid (F2), à orientations croisées, de lames disposées de part et d'autre de chaque intercalaire pour délimiter des canaux d'écoulement dans le sens 35 d'empilement et de barrettes (14, 15) s'étendant parallèlement aux bords de la matrice pour limiter à l'extérieur les canaux d'écoulement, l'empilement des joues, des intercalaires, des lames et des barrettes étant assemblé par brasage ou soudage, caractérisé en ce qu'une boîte notamment d'entrée (2) présente, dans la zone (28) de raccordement à la matrice la configuration selon l'une des revendications 1 et 2.