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" PERFECTIONNEMENTS AUX ELEMENTS D'ECHANGE THERMIQUE A AILETTES HELICOÏDALES ET LEURS PROCEDES DE FABRICATION "
La présente invention a pour objet des perfection- nements aux éléments d'échange thermique et particulièrement à ceux du type comprenant un corps tubulaire pourvu, sur la surface extérieure, d'une ou de plusieurs ailettes disposées en hélice comme un filetage.
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L'invention permet la réalisation d'un élément d'échange thermique à ailettes hélicoïdales d'une qualité supérieure et se caractérise par une liaison de grande conduc- tibilité thermique très efficace entre le corps tubulaire et son ailette hélicoïdale.
Dans l'élément d'échange thermique, d'une qualité supérieure, établi suivant l'invention, l'ailette hélicoïdale est supportée et maintenue en place rigidement contre tout déplacement par rapport au corps tubulaire.
Selon l'invention, on réalise une construction dans laquelle une liaison mécanique, durable, résistante et d'une conductibilité thermique très efficace, est effectuée entre une ailette hélicoïdale et un corps tubulaire, malgré l'exis- tence d'un jeu appréciable entre le bord interne de l'ailette hélicoïdale et la surface adjacente du corps tubulaire.
L'invention s'étend, en outre, à un procédé perfec- tionné au moyen duquel des éléments d'échange thermique à ailettes hélicoïdales du type indiqué ci-dessus peuvent être obtenus facilement et économiquement.
Pour les raisons indiquées notamment oi-dessus, l'invention a pour objet un corps tubulaire, une ailette hélicoïdale s'étendant autour de la surface extérieure de ce corps et une bordure ou fil hélicoïdal de fixation et de maintien s'étendant en hélice autour du corps tubulaire et d'une manière étroitement adjacente au bord interne de l'ai- lette hélicoïdale en position pour supporter et maintenir l'ailette hélicoïdale lorsque l'élément est utilisé.
Le fil est de préférence polygonal (triangulaire ou rectangulaire) en section transversale et, suivant une forme de réalisation, on utilise une paire de fils complémentaires espacés l'un de l'autre pour maintenir l'ailette étroitement serrée entre eux.
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Le fil (ou les fils) de maintien peut, si on le dé- sire, être fixé à la fois sur le corps tubulaire adjacent à l'ailette et sur le bord interne de cette ailette.
L'invention s'étend également à un procédé, qui sera entièrement décrit ci-après, pour fixer l'ailette hélicoïdale au corps tubulaire.
L'invention s'étend encore à d'autres points parti- culiers qui apparaîtront dans le texte suivant, fait en ré- férence au dessin annexé, donné à titre d'exemple seulement, dans lequel :
La figure 1 est une élévation latérale. avec ar- rachement, d'une forme de réalisation d'un élément d'échange thermique à ailette hélicoïdale établi suivant l'invention.
La figure 2 est une vue en bout correspondante.
La figure 3 est une coupe avec arraohement et à plus grande échelle, faite suivant la ligne 3-3 de la figure 1 et montrant une partie d'un élément pourvu d'un revêtement complet de soudure ou similaire.
La figure 4 est une perspective, avec arrachement, d'un fil de maintien utilisé dans les constructions des fi- gures 1 à 3 inoluse.
La figure 5 est un plan sohématique illustrant un procédé de fabrication d'un élément d'éohange thermique à ailettes selon la présente invention.
La figure 6 est une coupe longitudinale, avec arrachement, correspondant à la figure 3 mais montrant une autre construction suivant l'invention.
La figure 7 est une perspective, avec arrachement, d'un fil de maintien avec revêtement, ce fil étant employé à la figure 6 .
La figure 8 est une coupe longitudinale avec arrachement montrant encore un autre procédé de fixation des ailettes hélicoïdales et des fils de maintien sur le corps tubulaire
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L'élément d'échange thermique, représenté sur les figures 1 à 3 incluse, comprend un corps tubulaire 10 autour de la surface externe duquel s'étend en hélice une ailette hélicoïdale 11 en forme d'un copeau dont le plan transversal s'étend en principe perpendiculairement à l'axe du corps.
Autour du corps 10 s'étend également, en contact intime avec la périphérie de celui-ci et avec la partie in- terne de l'ailette hélicoïdale, une paire de fils 12 et 13 complémentaires de maintien qui s'étendent respectivement en hélice le long des côtés opposés de l'ailette hélicoïdale
11, comme mieux montré particulièrement à la figure 1.
Comme représenté plus spécialement en référence aux figures 3 et 4 , les fils 18 et 13 sont de forme polygo- nale (triangulaire) de manière à constituer une aire maxi- mum de contact avec la surface adjacente du corps tubulaire 10 et les surfaces latérales adjacentes de l'ailette héli- coidale 11 . Par ce moyen, une grande conductibilité thermi- que est obtenue, entre le corps tubulaire 10 et l'ailette 11 ce qui ne serait pas le cas si les fils n'étaient pas employés; De plus, les fils assurent une bonne conductibilité thermique entre les éléments 10 et 11 même si un jeu ap- préciable existe entre le bord interne de l'ailette hélicoi- dale 11 et la périphérie du corps tubulaire 10.
Le corps tubulaire 10, l'ailette hélicoïdale 11 et les fils de maintien 12 et 13 disposés hélicofidalement ou leurs équivalents, sont constitués en une matière présen- tant un degré élevé de conductibilité thermique telle que le cuivre ou le laiton. De préférence, aussi, les fils 12 et 13 et l'ailette hélicoïdale 11 sont fixés à la fois au corps tubulaire 10 et les uns, aux autres. Cette fixa- tion peut être réalisée d'un grand nombre de manières dif- férentes telles par exemple, qu'en immergeant l'assemblage
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dans un bain de soudure, d'étain ou autre matière appropriée ayant un point de fusion plus bas que celui de la matière constituant les éléments 10 à 13 inclus pour obtenir un revêtement 14 comme représenté schématiquement sur la partie droite de la figure 3 .
Lorsque l'élément a été d'abord convenablement traité avec un fondant ou un décapant approprié; la matière 14 de revêtement s'écoule par at- traction capillaire entre les surfaces continues des éléments 10 à 13 inclus.
Dans certains cas, cependant, spécialement lorsque les éléments sont constitués par du cuivre, il peut être désirable de laisser l'extérieur de l'élément d'échange ther- mique sans revêtement de manière à tirer parti du coefficient de transmission thermique élevé de la matière à base de cuivre.
Les ailettes 11 peuvent être montées sur le corps 10 de toute manière appropriée, par exemple, par enroule- ment hélicoïdal, sur ohamp d'une bande de métal sur le corps suivant la pratique antérieure ou bien l'ailette hélicoïdale peut être établie sous une forme hélicoïdale avant son appli- cation sur le corps 10 . Dans ce cas, il est désirable d'ancrer, par brasage ou similaire, les extrémités des fils complémentaires 12 et 13 sur le corps 10 comme par exemple, en 12a et 13a avant que ces fils soient enroulés en posi- tion sur le corps, cette opération d'enroulement étant préfé- rable bien que, si on le désire, les fils 12 et 13 peuvent également être conformés préalablement en hélice.
La figure 5 représente schématiquement un mode de fabrication d'éléments d'échange thermique établis selon la présente invention. Dans cette figure, une bande ou ailette 15 établie préalablement sous une forme hélicoïdale de toute matière appropriée est placée sur un corps 16, les spires de l'ailette étant espacées les unes par rapport aux autres
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comme il se trouve. Les/deux fils 17 et 18 complémentaires de maintien sont fixés en 17a et 18a à la périphérie du corps 16 et espacés l'un de l'autre d'une distance oorres- pondant, en principe, à l'épaisseur de la bande ou ailette 15.
Les fils 17 et 18 peuvent être ronds, rectangu- laires ou ils peuvent présenter, en section transversale, toute autre forme appropriée. Ces fils peuvent passer sur un galet 19 à gorges monté dans un chariot 20 qui est déplacé longitudinalement au corps 16 lorsque celui-ci est entraîné en rotation à une vitesse prédéterminée de manière à provoquer l'enroulement des fils de maintien 17 et 18 autour du corps
16 à l'angle d'inclinaison de l'hélioe oorrespondant à ce- lui que l'on désire obtenir pour la partie interne de la bande ou ailette 15 dans l'élément terminé.
Comme le corps 16 est déplacé en rotation et que le chariot 20 est entraîné en translation pour se déplacer longitudinalement par rapport au corps, les fils 17 et 18 sont enroulés sur le corps 16 à la manière indiquée pré- cédemment et obligent les spires, espacées de quantités va- riables (montrées à droite sur la figure 5 ) de la bande 15, à s'espacer d'une quantité désirée les unes par rapport aux autres comme indiqué à gauche sur la figure 5, Après 1'as- semblage de l'élément, comme décrit, les fils 17 et 18 peu- vent être fixés sur toute la longueur de l'élément 16 et également aux parties adjacentes de la bande ou ailette 15 de toute manière appropriée, telle, par exemple, que par im- mersion de la totalité de l'élément dans un bain de soudure.
d'étain ou autre matière appropriée qui peut être fondue à des températures relative)gent basses.
Comme montré aux figures 6 et 7. le ou les fils de maintien 21 peuvent présenter,' en section transversale, uhne forme rectangulaire et ils peuvent être poursus, avant leur applioation sur le corps tubulaire 22. d'un revêtement
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23 d'étain, de soudure ou similaire ayant un point de fusion plus bas que la matière constituant les fils.
Les fils 21 peuvent être pourvus du revêtement désiré en les passant dans un bain de soudure fondue ou si- milaire et tandis que le fil est chaud il est essuyé pour enlever l'excès de matière de manière que le revêtement pré- sente une épaisseur relativement beaucoup plus petite que celle indiquée schématiquement aux figures 6 et 7.
Lorsqu'un ou plusieurs fils ainsi revêtus sont disposés hélicordalement sur l'extérieur du corps 22, en avec contact étroit /. la partie interne des spires de l'ailette 24 et que l'élément ainsi revêtu est soumis à une tempé- rature suffisamment élevée, après application d'un fondant ou d'un déoapant, un revêtement 23 , sur le, ou les fils, sert à fixer les fils ou les fils au corps 22 et à l'ailette hélicoïdale 24 , De plus, de petites quantités de soudure pénètrent entre les surfaces oontiguës du corps 22 et de l'ailette hélicoïdale 24 .
Si on le désire et comme montré schématiquement à la figure 8 , un corps 25 peut être pourvu, sur sa sur- face externe, d'un revêtement 26 de soudure ou similaire appliqué préalablement au montage de l'ailette hélicoïdale et d'un fil 28 de maintien. Par l'utilisation d'un fondant ou décapant approprié et en chauffant l'élément à une tem- pérature suffisamment élevée, le revêtement 26 peut être fondu pour provoquer la fixation de l'ailette hélicoïdale et du fil sur le corps 25 . Pendant cette opération, une action capillaire provoque aussi l'infiltration du revêtement fondu 26 entre les surfaces oontiguës du fil et de l'ai- lette hélicoïdale 27 pour fixer ainsi les deux éléments entre eux.
D'après ce qui précède, on voit que, par l'emploi
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d'un ou de plusieurs fils de maintien qui restent en perma- nence en position lorsque l'élément est utilisé, un chemin de conductibilité thermique, d'une efficacité maximum,est assuré entre l'ailette hélicoïdale et le corps malgré que l'ailette hélicoïdale n'ait pas été forcée sur la périphérie du corps. L'efficacité du chemin de conductibilité thermique, dont on vient de parler, peut en outre être augmentée en fixant les éléments comme ci-dessus décrit.
Ainsi, non seulement les propriétés de conductibilité tehermique sont améliorées mais les ailettes sont espacées d'une façon pré- cise par les fils et la tendance des ailettes à se déplacer est réduite sinon complètement supprimée.
L'invention peut être mise en oeuvre/d'autres ma- nières qui, tant qu'elles ne changent rien aux caractéris- tiques générales ni au but indiqué, restent comprises dans le cadre de cette invention. Les réalisations décrites et représentées n'ont été données qu'à titre indicatif et non limitatif.
REVENDICATIONS
1 - Elément d'échange thermique à ailette héli- coidale comprenant un corps tubulaire et une ailette héli- coidale s'étendant autour de l'extérieur du corps, ceracté- risé par au moins une bordure ou fil de maintien s'étendant également en hélice autour du corps tubulaire, en contact avec le bord interne de l'ailette hélicoïdale en position, pour supporter et maintenir la dite ailette hélicoïdale lorsque l'élément est en usage.
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"IMPROVEMENTS TO HEAT EXCHANGE ELEMENTS WITH HELICOIDAL FINS AND THEIR MANUFACTURING METHODS"
The present invention relates to improvements to heat exchange elements and particularly to those of the type comprising a tubular body provided, on the outer surface, with one or more fins arranged in a helix like a thread.
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The invention allows the production of a heat exchange element with helical fins of a superior quality and is characterized by a very efficient connection of great thermal conductivity between the tubular body and its helical fin.
In the heat exchange element, of a higher quality, established according to the invention, the helical fin is supported and held in place rigidly against any displacement relative to the tubular body.
According to the invention, a construction is provided in which a mechanical connection, durable, resistant and of very efficient thermal conductivity, is effected between a helical fin and a tubular body, despite the existence of an appreciable clearance between. the inner edge of the helical fin and the adjacent surface of the tubular body.
The invention further extends to an improved process by means of which helical fin heat exchange elements of the type indicated above can be obtained easily and economically.
For the reasons indicated in particular oi above, the invention relates to a tubular body, a helical fin extending around the outer surface of this body and a helical border or wire for fixing and holding extending helically around of the tubular body and closely adjacent the inner edge of the helical vane in position to support and hold the helical vane when the element is in use.
The wire is preferably polygonal (triangular or rectangular) in cross section and, in one embodiment, a pair of complementary wires spaced apart from each other is used to hold the fin tightly between them.
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The retaining wire (or wires) can, if desired, be fixed both to the tubular body adjacent to the fin and to the internal edge of this fin.
The invention also extends to a method, which will be fully described below, for fixing the helical fin to the tubular body.
The invention also extends to other particular points which will appear in the following text, made with reference to the appended drawing, given by way of example only, in which:
Figure 1 is a side elevation. with cutaway, of an embodiment of a heat exchange element with a helical fin established according to the invention.
Figure 2 is a corresponding end view.
Figure 3 is a cross-sectional view on a larger scale taken along line 3-3 of Figure 1 and showing part of an element provided with a complete coating of solder or the like.
Figure 4 is a perspective, cut away, of a hold-down wire used in the constructions of Figures 1 to 3 inoluse.
Fig. 5 is a schematic diagram illustrating a method of manufacturing a finned heat exchange element according to the present invention.
FIG. 6 is a longitudinal section, with cutaway, corresponding to FIG. 3 but showing another construction according to the invention.
Figure 7 is a perspective, broken away, of a coated holding wire, this wire being used in Figure 6.
Figure 8 is a longitudinal section cut away showing yet another method of securing the helical fins and retaining wires to the tubular body
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The heat exchange element, shown in Figures 1 to 3 inclusive, comprises a tubular body 10 around the outer surface of which extends helically a helical fin 11 in the form of a chip whose transverse plane extends in principle perpendicular to the axis of the body.
Around the body 10 also extends, in intimate contact with the periphery of the latter and with the internal part of the helical fin, a pair of complementary retaining wires 12 and 13 which respectively extend in a helical manner. along opposite sides of the helical fin
11, as best shown particularly in Figure 1.
As shown more specifically with reference to Figures 3 and 4, the wires 18 and 13 are polygonal (triangular) in shape so as to constitute a maximum contact area with the adjacent surface of the tubular body 10 and the adjacent side surfaces. of the helical fin 11. By this means, a great thermal conductivity is obtained, between the tubular body 10 and the fin 11 which would not be the case if the wires were not used; In addition, the wires ensure good thermal conductivity between the elements 10 and 11 even if an appreciable play exists between the internal edge of the helical fin 11 and the periphery of the tubular body 10.
The tubular body 10, the helical fin 11 and the helically arranged retaining wires 12 and 13 or their equivalents are made of a material having a high degree of thermal conductivity such as copper or brass. Preferably, too, the wires 12 and 13 and the helical fin 11 are attached both to the tubular body 10 and to each other. This fixing can be achieved in a large number of different ways such as, for example, by submerging the assembly.
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in a bath of solder, tin or other suitable material having a melting point lower than that of the material constituting the elements 10 to 13 inclusive to obtain a coating 14 as shown schematically on the right part of Figure 3.
When the element has first been suitably treated with a suitable flux or stripper; the coating material 14 flows by capillary attraction between the continuous surfaces of elements 10 to 13 inclusive.
In some cases, however, especially where the elements are copper, it may be desirable to leave the exterior of the heat exchange element uncoated so as to take advantage of the high heat transfer coefficient of the heat transfer element. copper-based material.
The fins 11 may be mounted on the body 10 in any suitable manner, for example, by helical winding, over the field of a metal strip on the body according to prior practice or the helical fin may be set under a coil. helical shape before application to the body 10. In this case, it is desirable to anchor, by brazing or the like, the ends of the complementary wires 12 and 13 to the body 10, for example, at 12a and 13a before these wires are wound in position on the body. this winding operation being preferable although, if desired, the wires 12 and 13 can also be previously formed into a helix.
FIG. 5 schematically represents a method of manufacturing heat exchange elements established according to the present invention. In this figure, a strip or fin 15 previously established in a helical shape of any suitable material is placed on a body 16, the turns of the fin being spaced from each other.
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as it turns out. The / two complementary holding threads 17 and 18 are fixed at 17a and 18a to the periphery of the body 16 and spaced from each other by a distance corresponding, in principle, to the thickness of the strip or fin 15.
The wires 17 and 18 can be round, rectangular or they can have, in cross section, any other suitable shape. These threads can pass over a roller 19 with grooves mounted in a carriage 20 which is moved longitudinally to the body 16 when the latter is driven in rotation at a predetermined speed so as to cause the retaining threads 17 and 18 to be wound around the body. body
16 to the angle of inclination of the helium corresponding to that which is desired for the internal part of the strip or fin 15 in the finished element.
As the body 16 is rotated and the carriage 20 is driven in translation to move longitudinally relative to the body, the wires 17 and 18 are wound on the body 16 in the manner indicated above and force the turns, spaced apart. varying amounts (shown to the right in Figure 5) of the strip 15, to be spaced a desired amount from each other as shown to the left in Figure 5, After assembly of element, as described, wires 17 and 18 may be secured along the entire length of element 16 and also to adjacent portions of web or fin 15 in any suitable manner, such as, for example, by im - immersion of the entire element in a solder bath.
tin or other suitable material which can be melted at relatively low temperatures.
As shown in Figures 6 and 7. the retaining son (s) 21 may have, in cross section, a rectangular shape and they may be continued, before their applioation on the tubular body 22. with a covering.
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23 of tin, solder or the like having a melting point lower than the material constituting the wires.
The wires 21 can be provided with the desired coating by passing them through a bath of molten or similar solder and while the wire is hot it is wiped to remove excess material so that the coating is of relatively thick. much smaller than that shown schematically in Figures 6 and 7.
When one or more threads thus coated are arranged helically on the outside of the body 22, in close contact /. the internal part of the turns of the fin 24 and that the element thus coated is subjected to a sufficiently high temperature, after application of a flux or a stripper, a coating 23, on the thread or threads, serves to secure the wires or wires to body 22 and helical fin 24. In addition, small amounts of solder penetrate between the contiguous surfaces of body 22 and helical fin 24.
If desired and as shown schematically in Figure 8, a body 25 may be provided on its outer surface with a coating 26 of solder or the like applied prior to mounting the helical fin and a wire. 28 maintenance. By the use of a suitable flux or flux and heating the element to a sufficiently high temperature, the coating 26 can be melted to cause the helical fin and wire to attach to the body 25. During this operation, capillary action also causes the molten coating 26 to infiltrate between the contiguous surfaces of the wire and the helical vane 27 to thereby secure the two elements together.
From the foregoing, it can be seen that, by employment
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of one or more retaining wires which remain permanently in position when the element is in use, a path of thermal conductivity, of maximum efficiency, is ensured between the helical fin and the body despite the fact that the helical fin has not been forced onto the periphery of the body. The efficiency of the thermal conductivity path, just mentioned, can further be increased by fixing the elements as described above.
Thus, not only are the thermal conductivity properties improved but the fins are precisely spaced by the threads and the tendency of the fins to move is reduced if not completely eliminated.
The invention may be practiced in other ways which, as long as they do not alter the general characteristics or the stated purpose, remain within the scope of this invention. The embodiments described and shown have been given only as an indication and are not limiting.
CLAIMS
1 - Helical fin heat exchange element comprising a tubular body and a helical fin extending around the outside of the body, characterized by at least one edge or retaining wire also extending in helix around the tubular body, in contact with the inner edge of the helical fin in position, to support and hold said helical fin when the element is in use.