Brevet FR2906355A1 — publié le 20080328

Tube pour échangeur de chaleur, échangeur comportant un tel tube et procédé de fabrication d'un tel tube L'invention concerne les tubes pour échangeurs de chaleur, notamment pour des échangeurs de chaleur de véhicules auto-mobiles, ainsi qu'un échangeur de chaleur comportant de tels tubes. Elle vise également des procédés de fabrication de tels tubes et de tels échangeurs. L'invention s'applique en particulier aux échangeurs de chaleur réalisés à partir d'une multiplicité de tubes traversant des trous alignés ménagés au travers d'une multi- plicité d'ailettes planes parallèles, et dans lesquels les tubes sont solidarisés aux ailettes de façon purement mécanique, sans brasure. Ces échangeurs utilisent des tubes de section circulaire, 15 ovale ou autre forme oblongue, par exemple une section lenticulaire biconvexe, ou en forme de haricot ou analogue. Un échangeur de ce type est notamment décrit dans la publication FR-A-2 750 482, qui divulgue un procédé permettant 20 d'expanser radialement les tubes pour réaliser un contact mécanique et thermique entre tubes et ailettes. Ce document enseigne l'utilisation à cette fin d'un outil d'expansion comprenant une tige de section inférieure à 25 celle du tube, prolongée par une partie élargie ou "olive" présentant une partie évasée terminée par un bord périphé- rique dont les dimensions maximales sont supérieures aux dimensions intérieures de la section du tube, pour permet- tre l'expansion ou dilatation radiale de ce dernier lorsque 2906355 2 l'olive est déplacée à force à l'intérieur du tube sur toute la longueur de celui-ci pour assurer le sertissage des tubes sur les ailettes. 5 Dans ces échangeurs, les tubes sont assemblés mécaniquement non seulement avec les ailettes, mais également avec au moins une plaque collectrice ou "plaque à trous" dans la-quelle les extrémités du tube sont reçues à étanchéité, la plaque collectrice étant en outre coiffée par une boîte à 10 fluide, par exemple une boîte à eau. En fonctionnement, un fluide caloporteur, par exemple liquide, circule dans les tubes et reçoit ou cède de la chaleur avec l'environnement extérieur par l'intermédiaire des ailettes. Les conditions d'écoulement du fluide à l'intérieur du tube influent de façon notable sur les performances thermiques de l'échangeur de chaleur. En particulier, la création de turbulences à l'intérieur du tube permet d'augmenter le brassage du fluide qui y circule, favorisant donc l'échange thermique entre la paroi du tube et la masse de fluide en mouvement dans ce dernier. On connaît, par exemple d'après la publication FR-A-2 839 776, une technique consistant à former dans un tube des re- liefs en saillie, appelés également "dimples" (terme anglo-saxon désignant des bosses), généralement dirigés vers l'intérieur du tube et qui ont pour fonction de perturber la circulation du fluide caloporteur pour améliorer l'échange thermique, en augmentant en outre la surface d'échange. Cette technique est mise en oeuvre au moyen de galets de roulage permettant de créer en continu les reliefs sur une 2906355 3 bande métallique plane, qui est ensuite déformée et repliée au moyen d'une machine de profilage pour lui donner une conformation de tube plat, le contour du tube étant ensuite fermé par électrosoudage ou agrafage. Ce procédé de formation de "dimples" n'est cependant applicable qu'à des échangeurs mettant en oeuvre des tubes plats obtenus par profilage d'une bande métallique de largeur dé-terminée. 10 Par "tube plat", on entendra un tube présentant une section transversale très aplatie, avec deux grandes faces planes et parallèles réunies entre elles à chaque bord par deux parties de liaison arrondies de petite taille et de forte 15 courbure. Les échangeurs de chaleur réalisés à partir de tubes plats comprennent des nappes successives de ces tubes disposés en parallèle, chaque nappe étant séparée de la nappe adjacente par des entretoises ou intercalaires métalliques ondulés permettant d'assurer l'échange thermique 20 avec l'environnement. Les tubes sont assemblés par brasure aux intercalaires ondulés et aux plaques collectrices si-tuées à leurs deux extrémités. Ces échangeurs de chaleur brasés à tubes plats procèdent 25 cependant d'une technique de fabrication tout à fait différente de celle des échangeurs de chaleur à tubes ovales traversant des trous alignés ménagés au travers d'une multiplicité d'ailettes planes parallèles. Dans les échangeurs de chaleur de type mécanique, les tubes et ailettes sont 30 assemblés de façon purement mécanique par expansion radiale des tubes. 5 2906355 4 L'un des buts de l'invention est de proposer un tube et un échangeur de chaleur, ainsi que des procédés de fabrication correspondants, où le tube soit un tube de contour ovale et assemblé mécaniquement par expansion, mais qui comporte en 5 outre des déformations dans une direction transversale à l'axe du tube, ces déformations permettant de perturber le flux longitudinal du fluide caloporteur circulant dans le tube. 10 Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de réalisation d'un échangeur de chaleur comprenant de tels tubes pourvus de reliefs, qui ne nécessite pas d'étape additionnelle ni d'outillage supplémentaire à mettre en oeuvre dans la chaîne de fabrication des échangeurs. 15 Le tube de l'invention est un tube pour échangeur de chaleur tel que divulgué notamment par la publication FR-A- 2 750 482 précitée, c'est-à-dire présentant en section transversale un contour de forme ovale avec un petit axe et un 20 grand axe. Par "contour de forme ovale" on désignera d'une façon générale un contour fermé courbe non circulaire, qui peut être une ellipse, une forme approchante, voire une forme d'ovale 25 aplatie dans sa partie centrale par un rétrécissement de diamètre produisant une inversion de courbure du contour, pouvant donner au contour une forme approximative de haricot (ovale de Booth à deux concavités, en mathématiques). En tout état de cause ce contour ovale ne définit pas de 30 larges faces rectilignes et parallèles, à la différence des "tubes plats" définis plus haut. Le contour est de préférence - mais non nécessairement - symétrique par rapport à son petit axe et/ou son grand axe. 2906355 5 De façon caractéristique de l'invention, le tube comporte sur sa longueur des ondulations successives définies par des variations du diamètre du contour dans la région du pe- 5 tit axe, le diamètre dans la région du grand axe étant sensiblement constant. Le terme diamètre est utilisé ici avec sa signification habituelle en mathématiques pour désigner le lieu des milieux de cordes parallèles à une direction donnée d'une courbe quelconque. Ce terme n'est en effet pas limité au cas particulier du cercle et peut donc être utilisé dans le cas présent où la courbe considérée est un contour de forme ovale. 15 En d'autres termes, le tube se présente en direction longitudinale comme un tube non cylindrique, avec des ondulations ou vagues successives. 20 Ces ondulations formées transversalement au tube ont pour propriété d'infléchir en direction du centre du tube le mouvement du fluide caloporteur circulant au voisinage de la paroi, avec pour conséquence la création de turbulences et une amélioration du brassage du fluide dans le tube, 25 procurant un meilleur échange thermique entre les parois et le fluide caloporteur. Les variations qui définissent les ondulations du tube sont avantageusement des variations périodiques en direction 30 longitudinale. 2906355 6 L'épaisseur de paroi du tube est de préférence sensiblement constante. Ceci se produit de préférence à la fois en di-rection circonférentielle et en direction longitudinale. 5 Avantageusement, le contour du tube présente une double symétrie, par rapport à son petit axe et par rapport à son grand axe. Il peut s'agir en particulier d'un contour pré-sentant dans la région du petit axe un rétrécissement de diamètre avec inversion de courbure, définissant en partie 10 centrale de la section du tube deux concavités de la paroi, tournées l'une vers l'autre en direction du centre dudit contour. L'invention vise également un échangeur de chaleur, du type 15 connu comprenant une multiplicité de tubes traversant des trous ménagés en alignement au travers d'une multiplicité d'ailettes et dans lequel les tubes sont solidarisés mécaniquement aux ailettes par expansion radiale, et dans le-quel les tubes sont des tubes selon l'invention, tels 20 qu'exposés plus haut. Dans cet échangeur, l'augmentation ponctuelle et répétitive des contacts entre tubes et ailettes dans les zones des ondulations permet d'améliorer encore les échanges thermi- 25 quel, grâce à une meilleure conduction entre les tubes et les ailettes. Selon un autre aspect, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un tube tel qu'exposé plus haut, comportant 30 les étapes consistant à : 2906355 7 a) préparer un tube présentant en section transversale un contour de forme ovale avec un petit axe (d) et un grand axe ; b) introduire à une extrémité du tube un outil d'expan- 5 Sion présentant en section transversale une forme extérieure associée non homothétique de celle dudit contour, cet outil ayant une dimension diamétrale plus élevée que la dimension correspondante du tube dans la région du grand axe de celui-ci, et une dimension dia- 10 métrale moindre dans la région du petit axe ; et c) déplacer de façon contrôlée l'outil d'expansion à l'intérieur du tube sur la longueur de celui-ci, de manière à produire une expansion radiale non homogène de la paroi du tube entraînant en direction longitudinale un rétreint du tube dans la région du grand axe, ce rétreint étant accompagné, corrélativement, d'un flambage dans la région du petit axe, ce flambage étant propre à créer dans cette région des ondulations successives sur la longueur du tube. 20 Il peut être avantageux d'appliquer au tube un effort de charge axial simultanément à l'exécution de l'étape c). L'invention vise également un procédé de fabrication d'un 25 échangeur de chaleur du type ci-dessus, procédé dans lequel on prépare une multiplicité de tubes selon l'invention, avec pour chacun mise en oeuvre d'un outil d'expansion tel qu'exposé plus haut, de sorte que l'expansion radiale solidarise mécaniquement les tubes aux ailettes. 30 Un avantage majeur de ce procédé est que les ondulations peuvent être réalisées lors de l'opération d'expansion des tubes, au moment de l'assemblage mécanique des tubes aux 2906355 8 ailettes, et ne nécessitent ainsi aucune étape supplémentaire ni aucun poste supplémentaire dans la chaîne de fabrication. 5 On va maintenant décrire un exemple de mise en oeuvre du dispositif de l'invention, en référence aux dessins annexés où les mêmes références numériques désignent d'une figure à l'autre des éléments identiques ou fonctionnellement semblables. 10 La figure 1 est une vue schématique partielle, en perspective, d'un échangeur de chaleur comprenant une multiplicité de tubes ovales associés à une multiplicité d'ailettes planes parallèles. La figure 2 est une vue en coupe transversale d'un premier exemple de contour de tube pour l'échangeur de la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe transversale d'un second 20 exemple de contour de tube pour l'échangeur de la figure 1. La figure 4 illustre de façon schématique l'étape d'expansion radiale du tube avec formation simultanée des ondulations. La figure 5 est une vue en coupe transversale du tube obtenu après mise en oeuvre de l'étape de la figure 4. La figure 6 est une vue en coupe longitudinale du tube, 30 respectivement selon a-a de la figure 5 avant et après l'étape d'expansion, et selon b-b de la figure 5. 15 25 2906355 9 La figure 7 est un exemple de caractéristique de déformation à l'effort d'un matériau ductile convenant à la réalisation du tube selon l'invention. 5 L'échangeur de chaleur représenté partiellement sur la figure 1 comporte une multiplicité d'ailettes planes 10 de forme générale rectangulaire, disposées parallèlement entre elles. Ces ailettes sont de fines plaques métalliques, par exemple en aluminium, comprenant des séries de trous dans 10 lesquels sont enfilés des tubes 12 traversant les trous alignés des ailettes. Les tubes sont des tubes dans lesquels circule un fluide caloporteur, notamment du liquide de refroidissement mo- 15 teur, qui cède ou reçoit des calories à l'environnement extérieur via les ailettes 10. Les tubes 12 sont solidarisés aux ailettes de façon purement mécanique, sans étape de brasure, par expansion radiale des tubes dans la région 14 des trous. 20 Les tubes 12 sont des tubes de section ovale, par exemple de section approximativement elliptique comme illustré figure 2, avec un petit axe d et un grand axe D. 25 Dans une variante avantageuse, illustrée figure 3, la section du tube 12 est une section présentant un rétrécisse-ment diamétral dans la région du petit axe d, définissant ainsi deux concavités de la paroi tournées l'une vers l'autre vers l'intérieur en direction du centre du tube. Le 30 terme "contour de forme ovale" s'appliquera également à ce type de contour, bien qu'il ne soit pas exclusivement convexe. 2906355 10 Dans l'un ou l'autre cas, les tubes sont disposés dans l'échangeur avec leurs grands axes D parallèles entre eux et parallèles à la direction d'écoulement du fluide ex-terne, généralement de l'air, traversant l'échangeur entre 5 les ailettes 10. Il en résulte que la perte externe de charge subie par ce flux de fluide est beaucoup plus faible que si les corps des tubes présentaient des sections circulaires, ce qui a pour effet d'améliorer l'échange thermique entre ces tubes et l'environnement extérieur. 10 La figure 4 illustre de façon schématique la manière dont les tubes sont expansés radialement pour permettre leur solidarisation aux ailettes. La technique utilisée est dérivée de celle décrite dans la publication FR-A-2 750 482 15 précitée, et met en oeuvre un outil d'expansion 20 comprenant une forme élargie ou "olive" 22 montée à l'extrémité d'une tige 24 traversant le tube sur sa longueur. L'olive comporte une partie élargie dont le rebord périphérique 26 est localement plus grand que le contour du tube. L'intro- 20 duction de l'olive 22 dans le tube et son déplacement à force sur toute la longueur de celui-ci (déplacement illustré par la flèche 28) va provoquer une augmentation locale du diamètre, essentiellement sans changement de l'épaisseur de la paroi du tube. Cette expansion radiale opère l'assem- 25 blage mécanique et thermique du tube avec les ailettes que ce tube traverse. Le point de départ de l'invention réside dans la constata- tion que, lors de cette opération d'expansion, l'augmenta- 30 tion du diamètre, et donc du périmètre, de la section transversale du tube (dont l'épaisseur de paroi ne change pas) se traduit par une diminution de la longueur axiale du tube, du fait des composantes longitudinales des contrain- 2906355 11 tes qui s'exercent alors sur le tube (phénomène de rétreint). Dans les procédés connus, où le contour extérieur 26 de 5 l'olive 22 est homothétique du contour intérieur du tube, les contraintes sont réparties uniformément sur le périmètre du tube, et l'on obtient un rétreint homogène. L'invention propose, à l'opposé, d'utiliser une olive dont 10 la forme n'est pas homothétique de la section interne du tube, de manière à produire une contrainte d'expansion radiale non homogène sur le périmètre du tube, concentrée essentiellement dans les régions du grand axe (les régions du contour ovale les plus éloignées). Ce rétreint différentiel 15 présente la propriété remarquable d'engendrer, de la manière que l'on va exposer ci-après, des ondulations périodiques transversales 30 sur la longueur du tube. Plus précisément, si l'on considère les figures 2 et 3, on 20 voit que le contour 26 de l'olive présente une forme non homothétique de celle du tube 12, ce contour 26 ayant un diamètre plus élevé que celui du tube dans les régions 34 du grand axe D (les régions du contour ovale les plus éloignées l'une de l'autre) et, inversement, un diamètre plus 25 réduit que celui du tube dans les régions 32 du petit axe d (les régions du contour ovale les plus proches l'une de l'autre). Dans le cas de la figure 3, où le contour du tube présente 30 dans sa région centrale des concavités 36 s'étendant par rapport aux régions d'extrémités convexes 38 de part et d'autre de points d'inflexion 40, le contour 26 de l'olive présente des dimensions diamétrales supérieures à celles du 2906355 12 tube 10 dans les régions convexes 38, et des dimensions moindres dans les régions concaves 36. Dans l'un ou l'autre cas, cette forme particulière d'olive 5 va provoquer une expansion du tube localisée aux zones 34 situées dans la région du grand axe, induisant ainsi un rétreint (flèches 42 sur la figure 4) dans ces régions. En revanche, dans les zones 32 situées dans la région du 10 petit axe, l'absence de contrainte exercée à cet endroit par l'olive va induire un flambage (flèches 44 sur la figure 4) de la paroi du tube, du fait de la réduction de longueur de ce dernier du fait du rétreint 42 dans les zones d'extrémité 34. 15 Le rétreint différentiel - positif dans les régions du grand axe, nul dans les régions du petit axe - va ainsi engendrer sur le même tube des contraintes en sens opposés, respectivement suivant des lignes de rétreint et des lignes 20 de flambage. C'est suite à ce phénomène que vont se former le long des lignes de flambage les ondulations 30 sur la longueur du tube après passage de l'olive. 25 Les figures 6 (a) et (a') sont des coupes longitudinales du tube dans la région du petit axe, c'est-à-dire le long des lignes de rétreint, respectivement avant et après passage de l'olive : on peut voir que le passage de l'olive se tra- 30 duit par une diminution de longueur du tube avec, corréla- tivement, création de variations périodiques du diamètre donnant des ondulations 30 par suite du flambage de la pa- roi du tube localement dans cette région. En revanche, dans 2906355 13 la région du grand axe, c'est-à-dire le long des lignes de flambage, correspondant à la section longitudinale illustrée 6(b), le passage de l'olive engendre une augmentation de diamètre homogène sur la longueur du tube. Le phénomène d'apparition des ondulations est plus ou moins marqué selon le type de tube, la forme de l'olive et les caractéristiques mécaniques du matériau du tube. 10 La forme en "haricot" illustrée figure 3, comportant des concavités 36 en partie centrale, se révèle ainsi particulièrement appropriée à la formation des ondulations. En ce qui concerne le matériau, celui-ci est par exemple un 15 alliage d'aluminium répondant à certaines propriétés mécaniques de ductilité, avantageusement avec une caractéristique allongement/effort telle que celle illustrée figure 7. Cette caractéristique comporte tout d'abord une zone 46 de déformation élastique avec une pente linéaire, suivie au- 20 delà de la limite apparente d'élasticité Re d'un décroche-ment 50, puis d'une zone de ductilité 48 entre la limite apparente d'élasticité Re et la contrainte maximale avant rupture Rm. Cette zone 48, où le matériau se déforme plastiquement sans se rompre, favorise le rétreint différen- 25 tiel, et donc la formation des ondulations. Par ailleurs, il est possible de maîtriser l'amplitude et la période (distance crête-à-crête en direction longitudi- nale) des ondulations en appliquant sur l'extrémité du tube 30 pendant l'expansion un effort axial favorisant plus ou moins le flambage de la zone centrale. Cet effort agit sur la charge soumise au matériau : une augmentation de l'ef- fort réduit à la fois l'amplitude et la période des ondula- 5 2906355 14 tions (les ondulations sont peu marquées et très rapprochées), inversement une diminution de l'effort augmente l'amplitude et la période (ondulations très marquées et très espacées). 5 La déformation du tube avec rétreint différentiel est avantageusement exécutée au moment de l'assemblage des tubes aux ailettes. Ainsi, il n'est nécessaire de prévoir ni étape supplémentaire, ni outillage additionnel pour réali- 10 ser les ondulations sur les tubes, celles-ci étant simple-ment obtenues par le choix d'une olive de contour approprié, et l'application éventuelle d'un effort axial contrôlé au tube pendant l'opération d'expansion. Revendications 1. Tube pour échangeur de chaleur, présentant en section transversale un contour de forme ovale avec un petit axe (d) et un grand axe (D), caractérisé en ce qu'il comporte sur sa longueur des ondulations successives (30) définies par des variations du diamètre dudit contour dans la région (32) du petit axe, le diamètre dans la région (34) du grand axe étant sensiblement constant. 2. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que 10 lesdites variations sont des variations périodiques en di-rection longitudinale. 3. Tube selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que son épaisseur de paroi est sensiblement cons-15 tante. 4. Tube selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit contour présente une double symétrie, par rapport à son petit axe (d) et par rapport à son grand axe 20 (D). 5. Tube selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit contour présente dans la région (32) du petit axe un rétrécissement de diamètre avec inversion de 25 courbure, définissant en partie centrale de la section du tube deux concavités (36) de la paroi, tournées l'une vers l'autre en direction du centre dudit contour. 6. Échangeur de chaleur, du type comprenant une multiplici-30 té de tubes (12) traversant des trous ménagés en alignement au travers d'une multiplicité d'ailettes (10), et dans le- 15 2906355 16 quel les tubes sont solidarisés mécaniquement aux ailettes par expansion radiale, caractérisé en ce que lesdits tubes (12) sont des tubes selon l'une des revendications 1 à 5. 5 7. Procédé de fabrication d'un tube selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à : a) préparer un tube (12) présentant en section transversale un contour de forme ovale avec un petit axe (d) 10 et un grand axe (D) ; b) introduire à une extrémité du tube un outil d'expansion (20) présentant en section transversale une forme extérieure associée (26) non homothétique de celle du-dit contour, cet outil ayant une dimension diamétrale 15 plus élevée que la dimension correspondante du tube dans la région (34) du grand axe de celui-ci, et une dimension diamétrale moindre dans la région (32) du petit axe ; et c) déplacer de façon contrôlée l'outil d'expansion à 20 l'intérieur du tube sur la longueur de celui-ci, de manière à produire une expansion radiale non homogène de la paroi du tube entraînant en direction longitudinale un rétreint (42) du tube dans la région (34) du grand axe, ce rétreint étant accompagné, corrélative- 25 ment, d'un flambage (44) dans la région (32) du petit axe, ce flambage étant propre à créer dans cette région (32) des ondulations successives (30) sur la longueur du tube. 30 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, simultanément à l'exécution de l'étape c), l'application au tube d'un effort de charge axial. 2906355 17 9. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur du type comprenant une multiplicité de tubes (12) traversant des trous ménagés en alignement au travers d'une multiplicité d'ailettes (10), caractérisé en ce qu'il comporte les éta- 5 pes consistant à : a) préparer une multiplicité de tubes (12) présentant en section transversale un contour de forme ovale avec un petit axe (d) et un grand axe (D) ; b) enfiler les tubes dans les trous alignés d'une multi- plicité d'ailettes (10) ; c) introduire à une extrémité de chaque tube un outil d'expansion (20) présentant en section transversale une forme extérieure associée (26) non homothétique de celle dudit contour, cet outil ayant une dimension diamétrale plus élevée que la dimension correspondante du tube dans la région (34) du grand axe de celui-ci, et une dimension diamétrale moindre dans la région (32) du petit axe ; et d) déplacer de façon contrôlée l'outil d'expansion à l'intérieur de chaque tube sur la longueur de celui-ci, de manière à produire une expansion radiale non homogène de la paroi du tube entraînant en direction longitudinale un rétreint (42) du tube dans la région (34) du grand axe, ce rétreint étant accompagné, cor- rélativement, d'un flambage (44) dans la région (32) du petit axe, ce flambage étant propre à créer dans cette région (32) des ondulations successives (30) sur la longueur du tube, et ladite expansion radiale étant apte à solidariser mécaniquement les tubes aux ailet- tes. 2906355 18 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, simultanément à l'exécution de l'étape d), l'application au tube d'un effort de charge axial.