Brevet FR3053108A1 — publié le 20171229

Echangeur de chaleur amélioré évitant les défauts de contact entre tubes et ailettes La présente invention concerne un échangeur de chaleur, et plus particulièrement un échangeur de chaleur de type mécanique. Un échangeur de chaleur comprend généralement des tubes, dans lesquels un 5 fluide caloporteur est destiné à circuler, et des éléments d'échange de chaleur reliés à ces tubes. Pour des raisons de gain de poids, il est connu de réaliser les tubes et les éléments d'échange de chaleur dans un même alliage d'aluminium. On distingue habituellement des échangeurs de chaleur de type brasé et de type 10 mécanique selon leur procédé de fabrication. Ainsi, dans un échangeur de chaleur de type brasé, les éléments d'échange de chaleur sont reliés aux tubes par brassage. En revanche, dans un échangeur de chaleur de type mécanique, les éléments d'échange de chaleur sont reliés aux tubes par sertissage, sans brasure, c'est-à-dire sans apport de matière. 15 Plus particulièrement, dans un échangeur de chaleur de type brasé, les éléments d'échange de chaleur, appelés dans ce cas « intercalaires », sont reliés aux tubes de la façon suivante. On revêt chaque tube d'une couche de brasure. Puis, on place les tubes et les intercalaires dans un support commun en les agençant les uns par rapport aux autres dans leurs positions relatives sensiblement définitives. Ce support est 20 nécessaire pour maintenir entre eux les tubes et les intercalaires car ces derniers ne sont pas encore reliés entre eux. Enfin, on place l'ensemble comprenant le support et les différents éléments qu'il contient dans un four de façon à chauffer cet ensemble, provoquer la fusion de la brasure et ainsi relier les tubes et les intercalaires entre eux. On notera que cette dernière étape de chauffage se fait en atmosphère neutre et 25 confinée. Par ailleurs, dans un échangeur de chaleur de type mécanique, les éléments d'échange de chaleur, appelés dans ce cas « ailettes », sont reliés aux tubes de la façon suivante. Tout d'abord, on forme dans les ailettes des trous de passage des tubes. Ces trous de passage sont généralement délimités chacun par un bord tombé 30 formant un col. Puis, on dispose les ailettes sensiblement parallèlement entre elles et on enfile chaque tube dans une série de trous alignés des ailettes. Enfin, on provoque une expansion radiale des tubes en passant un outil d'expansion à l'intérieur de ces tubes de façon à lier mécaniquement les tubes et les ailettes par sertissage, les cols délimitant les trous de passage des tubes formant alors des collets serrés autour des 35 tubes. 3053108 2 Le procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur de type mécanique ne requiert donc pas, pour l'assemblage des ailettes et des tubes entre eux, de brasure, c'est-à-dire d'apport de matière. Par ailleurs un tel procédé ne comporte pas d'étape complexe de chauffage dans une atmosphère neutre et confinée. Par conséquent, un échangeur de chaleur de type mécanique est généralement moins cher à fabriquer qu'un échangeur de chaleur de type brasé. Cependant, dans un échangeur de chaleur de type mécanique, on observe dans certains cas des défauts de contact entre les tubes et les cols des ailettes serrés autour des tubes. En effet, lors de l'expansion radiale des tubes, ces derniers, en se déformant, tendent à élargir les cols délimitant les trous de passage des tubes dans les ailettes. Or, l'expansion radiale des tubes est suivie d'un léger retour élastique des tubes en sens inverse de l'expansion. Cet effet de retour élastique est d'autant plus marqué que l'épaisseur des ailettes est réduite pour les alléger et économiser de la matière. La combinaison des effets d'élargissement des cols délimitant les trous de passage des tubes dans les ailettes et de retour radial élastique des tubes peut conduire à l'apparition d'interstices indésirables entre les tubes et les cols des ailettes. Ces interstices forment des passages d'air réduisant les performances de l'échangeur de chaleur, car l'air est un mauvais conducteur de chaleur. Pour remédier à cet inconvénient, on a proposé dans l'état de la technique, notamment dans JPH01239390, d'intercaler des rondelles en matériau à mémoire de forme entre les ailettes et les tubes qu'elles entourent afin d'optimiser le contact entre les tubes et les cols délimitant les trous de passage de ces tubes dans les ailettes. On a également proposé dans l'état de la technique, notamment dans JPS5952195, d'utiliser des tubes en matériau à mémoire de forme dont le diamètre augmente fortement à haute température, ce qui a pour effet de combler les interstices. Ces solutions proposées dans l'état de la technique sont toutefois complexes à mettre en oeuvre et relativement coûteuses. L'invention a pour but d'éviter autant que possible la présence d'interstices 30 indésirables entre les tubes et les ailettes serrées autour des tubes d'un échangeur de chaleur de type mécanique, sans avoir à modifier notablement le procédé de fabrication de cet échangeur de chaleur. A cet effet, l'invention a pour objet un échangeur de chaleur comprenant : - au moins des premier et deuxième tubes, sensiblement rectilignes, parallèles 35 entre eux et alignés, et - au moins une ailette, les tubes étant logés traversant respectivement dans des premier et deuxième 3053108 3 collets ménagés dans l'ailette, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mise sous contrainte permanente s'opposant à une force de rappel élastique écartant les tubes entre eux dans une direction transversale aux tubes. 5 Dans l'échangeur de chaleur selon l'invention, les ailettes sont reliées aux tubes par sertissage, comme cela est habituel pour un échangeur de chaleur de type mécanique. On conserve donc les principales étapes d'un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur de type mécanique. 10 Par ailleurs, grâce aux moyens de mise sous contrainte, on limite, voire on supprime les éventuels interstices. En effet, ils s'opposent à une force de rappel élastique d'écartement transversal des tubes entre eux, autrement dit limitent les effets du retour radial élastique. Les performances de l'échangeur de chaleur s'en trouvent grandement 15 améliorées. On a pu constater une économie de puissance de l'ordre de 8% en moyenne et de l'ordre de 15% en cas de flux important du fluide circulant dans le tube. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, les moyens de mise sous contrainte permanente comprennent au moins un organe de mise sous contrainte permanente muni d'orifices d'emboîtement avec les tubes, l'emboîtement des orifices 20 avec les tubes créant la contrainte s'opposant à la force de rappel élastique d'écartement des tubes entre eux. Avantageusement, l'organe de mise sous contrainte permanente comprend une plaque destinée à délimiter une boîte à eau en communication fluidique avec les tubes. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, les moyens de mise en 25 compression de l'ailette comprennent des premier et deuxième organes de compression coopérant avec deux extrémités opposées de l'ailette et des moyens de rapprochement des organes de compression entre eux. De préférence, les moyens de mise en compression de l'ailette comprennent des premier et deuxième organes de compression coopérant avec deux extrémités 30 opposées de l'ailette et des moyens de rapprochement des organes de compression entre eux. Avantageusement, le premier organe de compression forme un premier organe fixe relié à un deuxième organe fixe par des moyens formant tirant, les moyens de rapprochement des organes de compression entre eux comprenant des moyens de 35 déplacement du deuxième organe de compression par rapport au deuxième organe fixe, par exemple au moins une vis coopérant avec un trou taraudé ménagé dans le deuxième organe fixe, cette vis étant munie d'une extrémité en appui sur le deuxième 3053108 4 organe de compression. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur comprenant : - au moins des premier et deuxième tubes, sensiblement rectilignes, parallèles 5 entre eux et alignés, et - au moins une ailette, les tubes étant logés traversant respectivement dans des premier et deuxième collets ménagés dans l'ailette, procédé dans lequel on relie chaque tube à l'ailette par serrage de ce tube dans 10 le collet correspondant ménagé dans l'ailette, caractérisé en ce que, l'échangeur étant selon le premier mode de réalisation de l'invention : - après avoir relié chaque tube à l'ailette, on fait coopérer les tubes avec des moyens de mise sous contrainte provisoire s'opposant à la force de rappel élastique d'écartement des tubes entre eux, 15 - on met en place les moyens de mise sous contrainte permanente par emboîtement des orifices de l'organe de mise sous contrainte permanente dans les tubes, et - on enlève les moyens de mise sous contrainte provisoire. Avantageusement, les moyens de mise sous contrainte provisoire comprennent 20 au moins un gabarit présentant des orifices de gabarit aux contours similaires à ceux des orifices de l'organe de mise sous contrainte permanente destinés à être emboîtés sur les tubes. Pour simplifier l'emboîtement de l'organe de mise sous contrainte sur les tubes, le gabarit comprend : 25 - deux parties sensiblement symétriques portant chacune sensiblement la moitié de chaque orifice de gabarit, l'emboîtement des orifices de gabarit sur les tubes se faisant par rapprochement des deux parties du gabarit sensiblement transversalement à l'axe des tubes, et - des moyens de serrage de ces deux parties entre elles. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur comprenant : - au moins des premier et deuxième tubes, sensiblement rectilignes, parallèles entre eux et alignés, et - au moins une ailette, les tubes étant logés traversant respectivement dans des premier et deuxième collets ménagés dans l'ailette, procédé dans lequel on relie chaque tube à l'ailette par serrage de ce tube dans 3053108 5 le collet correspondant ménagé dans l'ailette, caractérisé en ce que, l'échangeur de chaleur étant selon le deuxième mode de réalisation de l'invention : - après avoir relié chaque tube à chaque ailette, on met en place les moyens de 5 mise en compression de l'ailette sensiblement parallèlement à une direction d'alignement des tubes. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins dans lesquels : 10 - la figure 1 est une vue en perspective d'un échangeur de chaleur selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective d'un échangeur de chaleur de la figure 1 au cours d'une étape de fabrication de cet échangeur de chaleur; - la figure 3 est une vue de dessus d'une plaque collectrice et d'un organe de 15 mise sous contrainte provisoire utilisés pour la fabrication de l'échangeur de chaleur de la figure 1 ; - la figure 4 est une vue éclatée de l'échangeur de chaleur de la figure 1 au cours d'une autre étape de fabrication de cet échangeur ; - la figure 5 est une vue en perspective d'un échangeur de chaleur selon un 20 deuxième mode de réalisation de l'invention. On a représenté sur les figures 1 et 2 un échangeur de chaleur selon un premier mode de réalisation de l'invention désigné par la référence générale 10. L'échangeur de chaleur 10 est destiné à équiper un véhicule automobile. L'échangeur de chaleur 10 comprend des tubes 12, dans lesquels un fluide 25 caloporteur classique est destiné à circuler, et des éléments d'échange de chaleur 14 reliés à ces tubes 12. L'échangeur de chaleur 10 est de type mécanique. Plus particulièrement, les tubes 12 sont reliés aux éléments d'échange de chaleur, appelés dans ce cas ailettes 14, par serrage des tubes 12 dans des orifices ou collets ménagés dans les ailettes 14. 30 Dans l'exemple décrit, les tubes 12 ont chacun une forme générale sensiblement rectiligne, et comportent une section sensiblement ovale. Les tubes 12 sont agencés sensiblement parallèlement entre eux, et alignés, de façon à former une rangée unique. Les ailettes 14 ont une forme générale sensiblement plane et sont agencées dans l'échangeur de chaleur 10 de façon sensiblement parallèle entre elles et 35 perpendiculaire aux axes des tubes 12. Chaque tube 12 est enfilé dans une série de trous 16 alignés des ailettes 14 (visibles sur les figures 2 et 3). Les tubes 12 sont sertis dans des cols qu'ils traversent, 3053108 6 si bien que ces cols forment les collets ménagés dans les ailettes 14. L'échangeur de chaleur 10 comprend une boîte à eau recouvrant les tubes 12 et en communication fluidique avec les tubes 12. La boîte à eau comprend un corps 18 de boîte à eau (ou boîte collectrice) fermée 5 par une plaque 20 (non visible sur la figure 1 mais représentée à la figure 4) habituellement appelée plaque collectrice. Les tubes 12 sont munis d'extrémités emboîtées dans des orifices d'emboîtement 22 ménagés dans la plaque collectrice 20. L'échangeur de chaleur 10 selon l'invention comprend des moyens de mise sous 10 contrainte permanente s'opposant à une force de rappel élastique d'écartement écartant les tubes 12 entre eux dans une direction transversale aux tubes 12. Dans un premier mode de réalisation de l'invention représenté aux figures 3 et 4, les moyens de mise sous contrainte permanente comprennent la plaque collectrice 20. En effet, l'emboîtement des tubes 12 dans les orifices d'emboîtement 22 crée une 15 contrainte s'opposant à la force de rappel élastique d'écartement des tubes 12 entre eux. Ceci est dû au fait que le pas d'écartement des orifices d'emboîtement 22 est inférieur à celui du pas d'écartement des trous 16 des ailettes 14 avant mise en place de la plaque collectrice 20 sur les tubes 12. 20 De préférence, pour faciliter la mise en place de la plaque collectrice 20 et des moyens de mise sous contrainte, on utilise des moyens de mise sous contrainte provisoire s'opposant à la force de rappel élastique d'écartement des tubes 12 entre eux. Les moyens de mise sous contrainte provisoire comprennent au moins un gabarit 25 24, représenté à la figure 3, présentant des orifices 26 de gabarit aux contours similaires à ceux des orifices 22 de la plaque collectrice 20. Par ailleurs, le pas d'écartement des orifices 26 du gabarit 24 est sensiblement identique à celui des orifices 22 de la plaque collectrice 20. Le gabarit 24 comprend deux parties 28 sensiblement symétriques portant 30 chacune sensiblement la moitié de chaque orifice de gabarit 26. On a représenté à la figure 3 les deux parties de gabarit 28 de part et d'autre d'une ailette 14. On notera que, sur cette figure 3, la différence entre les pas d'écartement des orifices de gabarit 26 et des trous 16 de l'ailette 14, symbolisée par les pointillés, est 35 exagérée pour faciliter la compréhension de l'invention. L'emboîtement des orifices de gabarit 26 sur les tubes 12 se fait par rapprochement des deux parties de gabarit 28 sensiblement transversalement aux 3053108 7 tubes 12. Le gabarit 24 comprend également des moyens classiques de maintien des deux parties 28 de gabarit entre elles (non représentés). Ces moyens de maintien permettent de maintenir les deux parties de gabarit 28 autour des tubes 12, de manière à exercer 5 la contrainte s'opposant à la force de rappel élastique d'écartement transversal des tubes 12 entre eux. Il peut par exemple s'agir de moyens classiques tels que des pattes situées à des extrémités en vis-à-vis des gabarits 28 reliées entre elles par des vis. On va maintenant décrire un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur 10 selon le premier mode de réalisation de l'invention en référence aux figures 1 à 4. De façon classique, on relie tout d'abord chaque tube 12 à chaque ailette 14 par serrage de ce tube dans les collets correspondants ménagés dans les ailettes 14, de manière à obtenir sensiblement un échangeur 10 tel qu'illustré à la figure 2. On fait ensuite coopérer les tubes 12, à une première extrémité de l'échangeur de 15 chaleur 10, avec les moyens de mise sous contrainte provisoire 24 s'opposant à la force de rappel élastique d'écartement transversal des tubes 12 entre eux. Pour cela, on rapproche les deux parties de gabarit 28 sensiblement transversalement aux tubes 12, afin de placer les tubes 12 dans les orifices de gabarit 26. Les tubes 12 subissent ainsi une contrainte s'opposant à la force de rappel 20 élastique d'écartement des tubes 12 entre eux, mais sans qu'ils ne soient déformés plastiquement. On verrouille ensuite les moyens de serrage des deux parties de gabarit 28. Puis, on met en place les moyens de mise sous contrainte permanente, ici la plaque collectrice 20, par emboîtement des orifices d'emboîtement 22. Cette mise en 25 place est facilitée par la présence du gabarit 24. On déverrouille ensuite les moyens de serrage des deux parties de gabarit 28 pour les enlever de l'échangeur de chaleur 10. Seule la plaque collectrice 20 reste en place. Enfin, on procède exactement de la même façon à la deuxième extrémité de 30 l'échangeur de chaleur 10. Dans un deuxième mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 5, les moyens de contrainte permanente comprennent des moyens de mise en compression des ailettes 14 sensiblement parallèlement à une direction d'alignement des tubes 12. Il s'agit dans le cas présent de la direction longitudinale des ailettes, celles-ci ayant une 35 forme sensiblement rectangulaire. Plus particulièrement, les moyens de mise en compression des ailettes 14 comprennent un cadre 30 muni de premier et deuxième patins d'appui 32, 34 formant 3053108 8 organes de compression 32, 34, d'un tirant 36, d'un patin fixe 38 et de vis 40. Les premier et deuxième patins d'appui 32, 34 coopèrent chacun avec deux extrémités opposés des ailettes 14. Le premier patin d'appui 32, situé en bas de la figure 5, est fixe, et est relié au 5 patin fixe 38 par le tirant 36. Les vis 40 coopèrent avec un trou taraudé (non visible sur la figure) ménagé dans le patin fixe 38. Les vis 40 sont munies d'extrémités 40A en appui sur le deuxième patin d'appui 34, de manière à ce que leur déplacement dans les trous taraudés permette de 10 déplacer le deuxième patin d'appui 34 par rapport au patin fixe 38. Le tirant 36, le patin fixe 38 et les vis 40, forment ainsi des moyens de rapprochement des organes de compression, ces organes de compression étant les premier et deuxième patins d'appui 32, 34. La force transmise par le tirant 36 au premier patin d'appui 32 permet de 15 contraindre l'extrémité des ailettes 14 auxquelles sont reliées le premier patin d'appui. On va maintenant décrire un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon le deuxième mode de réalisation de l'invention en référence à la figure 5. Après avoir relié chaque tube 12 à chaque ailette 14 par serrage de ce tube 12 dans les collets correspondants ménagés dans les ailettes 14, on met en place, sur les 20 extrémités des ailettes 14, le cadre 30 de façon à ce que les patins d'appui 32, 34 soient en contact respectivement avec les extrémités opposées des ailettes 14. Puis, on visse chaque vis 40 dans le trou taraudé, de manière à ce que son extrémité 40A appuie sur le deuxième patin d'appui 34. Ceci a pour effet de déplacer le deuxième patin d'appui 34 par rapport au patin fixe 38. 25 Le deuxième organe fixe 38 étant relié au premier patin d'appui 32, qui est fixe, par le tirant 36, les ailettes 14 sont mises sous contrainte par compression entre le premier patin d'appui 32 et le deuxième patin d'appui 34. Le cadre 30 demeure ainsi sur l'échangeur de chaleur 10 pour maintenir la contrainte s'opposant à la force de rappel élastique d'écartement transversal des tubes 30 12 entre eux. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier. Ainsi, dans une variante non représentée, l'organe de mise sous contrainte provisoire se présente sous la forme d'un peigne dont l'écartement des dents présente 35 un pas inférieur à l'écartement des trous des ailettes. La mise en place des dents du peigne entre les tubes créé la contrainte s'opposant à la force de rappel élastique d'écartement transversal des tubes entre eux. REVENDICATIONS1. Échangeur de chaleur comprenant : - au moins des premier et deuxième tubes (12), sensiblement rectilignes, parallèles entre eux et alignés, et - au moins une ailette (14), les tubes (12) étant logés traversant respectivement dans des premier et deuxième collets ménagés dans l'ailette (14), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mise sous contrainte permanente (18, 30) s'opposant à une force de rappel élastique écartant les tubes (12) entre eux dans une direction transversale aux tubes (12). 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, dans lequel les moyens de mise sous contrainte permanente comprennent au moins un organe de mise sous contrainte permanente (20) muni d'orifices d'emboîtement (22) avec les tubes (12), l'emboîtement des orifices (22) avec les tubes (12) créant la contrainte s'opposant à la force de rappel élastique d'écartement des tubes (12) entre eux. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, dans lequel l'organe de mise sous contrainte permanente (20) comprend une plaque (20) destinée à délimiter une 20 boîte à eau en communication fluidique avec les tubes (12). 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, dans lequel les moyens de mise sous contrainte permanente (30) comprennent des moyens de mise en compression (32, 34) de l'ailette (14) sensiblement parallèlement à une direction d'alignement des tubes (12). 25 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 4, dans lequel les moyens de mise en compression (32, 34) de l'ailette comprennent des premier (32) et deuxième (34) organes de compression coopérant avec deux extrémités opposées de l'ailette (14) et des moyens de rapprochement (36, 40) des organes de compression (32, 34) entre eux. 30 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 5 dans lequel le premier organe de compression (32) forme un premier organe fixe relié à un deuxième organe fixe (38) par des moyens formant tirant (36), les moyens de rapprochement (36, 40) des organes de compression (32, 34) entre eux comprenant des moyens de déplacement (40) du deuxième organe de compression (34) par rapport au deuxième organe fixe (38), par 35 exemple au moins une vis (40) coopérant avec un trou taraudé ménagé dans le deuxième organe fixe (38), cette vis (40) étant munie d'une extrémité (40A) en appui sur le deuxième organe de compression (34). 3053108 10 7. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur comprenant : - au moins des premier et deuxième tubes (12), sensiblement rectilignes, parallèles entre eux et alignés, et - au moins une ailette (14), 5 les tubes (12) étant logés traversant respectivement dans des premier et deuxième collets ménagés dans l'ailette (14), procédé dans lequel on relie chaque tube (12) à l'ailette (14) par serrage de ce tube (12) dans le collet correspondant ménagé dans l'ailette, caractérisé en ce que, l'échangeur étant selon la revendication 2 ou 3 : 10 - après avoir relié chaque tube (12) à l'ailette (14), on fait coopérer les tubes (12) avec des moyens de mise sous contrainte provisoire (24) s'opposant à la force de rappel élastique d'écartement des tubes (12) entre eux, - on met en place les moyens de mise sous contrainte permanente (20) par emboîtement des orifices (22) de l'organe de mise sous contrainte permanente 15 (20) dans les tubes (12), et - on enlève les moyens de mise sous contrainte provisoire (24). 8. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon la revendication 7, dans lequel les moyens de mise sous contrainte provisoire comprennent au moins un gabarit (24) présentant des orifices (26) de gabarit aux contours similaires à ceux des orifices (22) de l'organe de mise sous contrainte permanente (20) destinés à être emboîtés sur les tubes (12). 9. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon la revendication 8, dans lequel le gabarit (24) comprend : - deux parties (28) sensiblement symétriques portant chacune sensiblement la moitié de chaque orifice de gabarit (26), l'emboîtement des orifices de gabarit (26) sur les tubes (12) se faisant par rapprochement des deux parties (24) du gabarit sensiblement transversalement à l'axe des tubes (12), et - des moyens de serrage de ces deux parties (24) entre elles. 10. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur comprenant : - au moins des premier et deuxième tubes (12), sensiblement rectilignes, parallèles entre eux et alignés, et - au moins une ailette (14), les tubes (12) étant logés traversant respectivement dans des premier et deuxième collets ménagés dans l'ailette (14), procédé dans lequel on relie chaque tube (12) à l'ailette (14) par serrage de ce tube (12) dans le collet correspondant ménagé dans l'ailette (14), caractérisé en ce que, l'échangeur de chaleur étant selon l'une quelconque des 3053108 11 revendications 4 à 6 : - après avoir relié chaque tube (12) à chaque ailette (14), on met en place les moyens de mise en compression (30) de l'ailette sensiblement parallèlement à une direction d'alignement des tubes (12).