Brevet FR2512941A1 — publié le 19830318

Echanqeur de chaleur à faisceau de tubes parallèles et procédé d'assemblaqe de ses éléments constitutifs. L'invention concerne les échangeurs de chaleur comprenant un faisceau de tubes parallèles munis d'éléments d'échange thermique tels que des ailettes, les tubes étant, au moins à une de leurs extrémités, montés dans une plaque à trous, ou collecteur,formant le fond d'une boîte d'arrivée et/ou de départ d'un liquide ou boite à eau. De tels échangeurs de chaleur trouvent application, notamment, dans les véhicules automobiles o le liquide est celui pré- vu pour éviter une montée excessive en température du moteur à combustion interne et/ou pour la climatisation de l'air admis dans l'habitacle du véhicule en faisant circuler cet air au contact des éléments d'échange thermique. Dans la construction automobile, o la légèreté de l'équi- pement est d'une importance primordiale, on utilise d'une manière courante, pour les échangeurs de chaleur, des tubes métalliques minces, en cuivre ou en aluminium ou alliage d'aluminium Pour permettre, par des opérations simples, l'assemblage des tubes métalliques-minces avec le collecteur ou plaque à trous, on fait appel habituellement à un collec- teur métallique et, pendant longtemps, l'asseirblage des extrémités des tubes au collecteur a eu lieu par soudure. Dans des réalisations plus récentes, maintenant largement répandues, chacun des trous du collecteur, mince, est bordé par un collet dépendant du corps du collecteur, un manchon de caoutchouc ou analogue est interposé entre le collet et l'extrémité du tube,les manchons étant ensuite mis sous compression, par élargissement des extrémités des tubes, réalisant ainsi l'étanchéité au passage des tubes à travers le collecteur. On a aussi proposé de faire appel à un collecteur en matière plastique, et cela principalement dans le but de pouvoir réa- liser facilement le montage étanche d'un couvercle, habituel- lement en matière plastique, qui, avec le collecteur, limite la botte à eau Mais les réalisations faisant appel à un collecteur en matière plastique n'ont pas, jusqu'à présent, reçu d'applications pratiques, en raison des difficultés, non résolues, du montage étanche d'un collecteur en matière plastique avec des tubes métalliques qui le traversent. Dans le but de pallier les défauts d'étanchéité qui se sont manifestés avec un tel montage,on a proposé d'utiliser, en tant que matériau constitutif du collecteur, une matière plastique contenant des charges choisies pour que le coeffi- cient de dilatation thermique du collecteur soit égal à celui des tubes métalliques qui le traversent; mais cette précau- tion n'-a pas résolu le problème plus général de la fabrica- tion qui, spécialement dans le domaine des véhicules automo- biles, doit être simple, économique, et fournir des résul- tats constants. La présente invention comble cette lacune Elle vise un échangeur de chaleur comportant un faisceau de tubes métalli- ques minces traversant un collecteur ou plaque à trous par des passages que présente celui-ci, caractérisé en ce que ledit collecteur est en matière plastique à grande élasti- cité qui est mise à profit pour le serrage étanche des tubes montés dans les passages du collecteur et en ce que la partie ainsi contractée de chaque tube dans ledit passage est flanquée de part et d'autre de parties de tubes non contractées asÉurant l'immobilisation du tube à l'égard d'un déplacement longitudinal par rapport au collecteur dans un sens et dans l'autre. L'invention vise également un procédé d'assemblage des tubes métalliques d'un échangeur de chaleur à faisceau de tubes et d'un collecteur ou plaque à trous en matière plas- tique, caractérisé en ce qu'on fait application, pour réa- liser l'assemblage étanche entre les tubes et le collecteur ou plaque à trous, de l'élasticité propre de la matière plastique constitutive du collecteur, la déformation du passage que ménage le collecteur pour un tube, par une expansion ou dilatation conférée au tube dans sa partie traversant ledit collecteur par l'introduction d'un poinçon, étant ajustée de manière que, tout en n'altérant pas le métal du tube, elle provoque, par l'intermédiaire du tube appliqué sous pression contre la paroi du trou, une défor- mation élastique de la partie du collecteur adjacente qui, après enlèvement du poinçon, reste appliqué sous pression contre le tube, assurant ainsi la solidarisation étanche du tube et du collecteur. Sous l'effet des forces élastiques développées par le collec- teur, le tube, dans sa partie en contact avec le collecteur, est contracté radialement et l'invention prévoit de faire dépasser le tube par rapport à la face externe du collecteur d'une manière suffisante pour que la partie en saillie, non contractée, et ainsi de plus grande section transversale que la partie contractée, s'oppose efficacement à tout déplace- ment du tube vers la partie centrale de l'échangeur. Selon un mode d'exécution préféré, l'enfoncement du poinçon est poursuivi sur une hauteur suffisante pour que la dila- tation du tube, dans sa partie dépassant vers l'intérieur la face interne du collecteur, conjuguée avec la contraction du tube dans sa partie intérieure au passage, qui se produit à l'enlèvement du poinçon, s'oppose efficacement à un déplace- ment du tube vers l'extérieur, le tube étant ainsi immobilisé d'une manière positive à l'égard d'un déplacement dans un sens ou dans l'autre par rapport au collecteur. L'invention s'applique aussi bien dans le cas o les tubes traversent le collecteur par de simples trous que dans celui o ils le traversent en étant entourés par des collets bor- dant les trous. Dans un échangeur de chaleur selon l'invention, aucune con- dition relative à des coefficients de dilatation thermique n'est à remplir d'une manière impérative, que ce soit pour la matière plastique du collecteur ou pour le métal des tubes, au moins pour les circonstances d'utilisation pratique, l'élasticité de la matière constitutive du collecteur assu- rant la permanence de la pression d'application de la paroi de passage du collecteur contre la surface du tube. Dans la description qui suit, faite à-titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est une vue en coupe verticale d'une partie d'un échangeur de chaleur selon l'invention; la figure 2 illustre, en coupe, une phase de tube dans un collecteur; la figure 3 est une vue analogue à la figure une phase ultérieure; la figure 4 est analogue aux figures 2 et 3, phase finale; la figure 5 est une vue analogue à la figure partie seulement et à plus grande échelle; la figure 6 est une vue analogue à la figure partie seulement et à plus grande échelle; montage d'un 2, mais pour mais pour la 2, mais pour 3, mais pour la figure 7 est une vue schématique analogue à la figure 4, mais pour partie seulement et à plus grande échelle; la figure 8 est une vue en coupe analogue à la figure 7, mais pour une autre forme de réalisation; la figure 9 est une vue en coupe relative à une variante. L'échangeur de chaleur comprend un faisceau 11 (figure 1) de tubes métalliques minces parallèles 12 disposés, dans la forme de réalisation représentée, suivant deux rangées 131, 132 Les extrémités 14,, 142 des tubes des deux rangées débouchent dans la chambre 15 d'une boite à eau 10 limitée par un couvercle 16 et par un collecteur ou plaque à trous 18. Le couvercle est en matière plastique et présente un rebord périphérique 17 Les tubes 12 traversent le collecteur 18 au voisinage de leurs extrémités 14 Le collecteur est en matière plastique et, dans la forme de réalisation représen- tée, présente, pour la traversée des tubes 12, des collets 19 faisant saillie par rapport à la face interne 21 de son corps Le bord 22 du collecteur sert à l'assemblage de ce der- nier avec le couvercle 16, par le rebord 17 de ce dernier, avantageusement par soudage aux ultra-sons. Suivant l'invention, la matière plastique ou résine synthé- tique constitutive du collecteur 18 est à déformabilité élastique élevée. Des matières plastiques d'un usage courant répondant à cette condition sont, par exemple, des polyamides, du polyoxyphé- nylëne modifié, du polyacétal, du polypropylène, etc. Des charges sont avantageusement noyées dans la matière plas- tique pour la renforcer. Dans le cas de tubes 12 à section circulaire, les passages 23 (figures 2 et 5) que ménagent les collets 19 sont cylin- driques à section circulaire et, en principe, dépourvus de saillie ou de rainure, de sorte que le collecteur peut, dans son ensemble, être obtenu par moulage dans les meilleu- res conditions de facilité. Les tubes 12 peuvent être des tubes d'un type habituellement utilisé dans la construction d'échangeurs de chaleur pour des véhicules automobiles, par exemple en aluminium ou en alliage d'aluminium, ou encore en cuivre, avec une épaisseur de paroi pouvant être de l'ordre de 0,4 mm. Le diamètre D 2 du passage 23, qu'offre le collecteur pour un tube 12 est, dans une réalisation, légèrement supérieur au diamètre extérieur Dl du tube, de sorte que l'enfilement des extrémités 14 des tubes 12 dans les collets 19 se fait sans difficulté. On prévoit une variante suivant laquelle le diamètre D 2 du passage 23 est sensiblement égal au diamètre extérieur Dl du tube, l'introduction du tube se faisant alo*eà frotte- ment doux. Dans l'un et l'autre cas, l'enfoncement du collecteur 18 pour cet enfilement est poursuivi jusqu'à ce que les tubes 12 fassent saillie,par leurs extrémités 14, par rapport à la face supérieure 24 du collecteur 18, suivant une hauteur h dont la valeur rénond à la condition D 2 h >, 1 O Dans les extrémités 14 des tubes 12, on enfonce à force des poinçons 25 (figure 3) à corps cylindrique 26 et à extrémité 27 en chanfrein, par exemple en tronc de cône Le corps 26 du poinçon a un diamètre D 3 légèrement plus grand que le diamètre D 4 de la surface cylindrique interne de l'extré- mité 14 du tube 12. Au cours de l'enfoncement des poinçons 25, les tubes 12 se 12941 dilatent donc progressivement et régulièrement et ils trans- mettent aux collets 19 du collecteur, par la surface interne 23 de ces derniers, des efforts radiaux qui accroissent le diamètre des passages, la matière constitutive des collets 19 étant soumise à des contraintes de pression ainsi que la matière constitutive des parties du corps du collecteur adjacentes aux collets. L'enfoncement des poinçons 25 est poursuivi jusqu'à ce que les sections de raccordement 28 des corps 26 des poinçons avec les chanfreins 27, aient dépassé les tranches inférieu- res 29 des collets 19 du collecteur d'une hauteur h' répon- dant à la condition h'à 10 La position atteinte est celle montrée sur la figure 3 Dans cette position, un tube 12 présente une partie cylindrique 31, dont la surface externe 32 a un diamètre D 5, et une par- tie tronconique 33, entre l'extrémité 34 de la partie cylin- drique 31 et l'extrémité 35 de la partie 36 non déformée du tube 12, laquelle a une surface externe 37 qui a conservé le diamètre Dl (figure 6). Les poinçons 25 sont ensuite extraits. Lorsque le corps 26 d'un poinçon a, dans son mouvement rétro- grade, complètement défilé devant le passage 23 d'un collet 19, l'élasticité de la matière constitutive dudit collet tend à faire reprendre à celui-ci sa configuration initiale. L'effort qu'exerce la surface interne 23 contre la partie 38 (figure 4) de la surface externe du tube 12 en regard du collet 19 contracte cette dernière,de sorte que, tout en restant cylindrique, la partie 38 prend sur sa surface exter- ne un diamètre D 6 (figure 7) plus petit que celui des parties de tube adjacentes et qui ne subissent pas cette contraction de la part du collet 19. Après enlèvement du poinçon, la partie 38 est ainsi flan- quée de deux parties tronconiques 39 et 41, par lesquelles elle est raccordée respectivement à une partie cylindrique externe 42 de diamètre D 5 et à la partie tronconique 33, laquelle se raccorde à la partie cylindrique 36 non déformée du corps du tube 12 La surface interne 40 de la partie contractée de diamètre D 7 a subi une déformation analogue à la surface externe de la partie 38. La contraction x du tube, résultant de la contrainte, qui est la différence des diamètres D 3 et D 7, est, en principe, supérieure à 1 % du diamètre D 2 du passage 23. Le diamètre D 8 de l'apex de raccordement 43 entre les par- ties 41 et 33 est peu différent du diamètre D 5 de la sur- face externe 32 de la partie cylindrique 31. L'assemblage étanche des extrémités 14 des tubes 12 et du collecteur 18 est ainsi réalisé sans l'interposition de joints de caoutchouc ou analogue et aussi sans faire appel à des stries ou nervures présentes sur les passages du collecteur prévus pour les tubes. L'effort de contraction que *subit le tube sous l'effet de l'élasticité du collet 19 conduit à une déformation de flexion des parties de raccordement 39 et 41, sans écrasement de la matière constitutive de la partie de tube 38 en regard dudit collet. Dans la réalisation suivant l'invention, la surface intérieure de l'extrémité du tube subit une déformation analogue à celle de la surface extérieure. On se réfère maintenant à la figure 8 qui montre, à grande échelle, l'extrémité d'un tube après assemblage selon l'in- vention avec un collecteur ou plaque à trous dépourvu de collets La surface interne 62 d'un trou 63 du collecteur 60 est en contact de pression avec la surface externe 64 de la c, partie de tube 61 intérieure au trou Celle-ci est flanquée, au-delà de la face externe 65 du collecteur 60, d'un rebord 66 dont la surface interne cylindrique 67 a le diamètre D'2 du poinçon ayant réalisé l'assemblage et est reliée à la sur- face interne 68 de la partie 61 par un congé tronconique 69. La surface externe 71 du rebord 66 a un diamètre D'5 plus grand que le diamètre D'6 du trou 63 après sa dilatation. La partie 61 du tube enserrée par le collecteur 60 est raccor- dée à la partie 73 non déformée du tube par une partie de raccordement 74 à section longitudinale incurvée qui,à partir de la partie 61, présente une branche 75 de diamètre croissant, ensuite une partie médiane 76 de diamètre sensiblement constant, puis une partie 77 de diamètre décroissant. Dans cette réalisation, également, la déformation de la sur- face externe du tube est, en toute section transversale, égale à la déformation de la surface interne. Cette déformation est montrée en x sur la figure 8. Les conditions suivantes doivent être remplies D '7 DI' -DI 7 1 x > D' ou bien 3 7 l D 17 h > 10 D 17 hl> 10 Dans ces formules: D'7 est le diamètre de la surface interne 68 de la partie cylindrique 61 intérieure au passage 63; D 13 est le diamètre de la surface interne 67 du rebord 66; h est la distance entre la surface externe 65 du collecteur et la tranche 78 du rebord 66; h' est la distance entre la surface interne 79 du collecteur 60 et l'apex ou partie médiane 76 de la partie de raccorde- 1 ment 74. Il est clair que, dans tous les cas, les tubes ont pu, avant leur assemblage avec le ou les collecteurs, être munis, à la manière connue, d'ailettes 51, comme montré sur la figu- re 1 La présence de ces ailettes n'apporte aucune gêne pour la réalisation des parties tronconiques 41 et 33. La matière plastique constitutive du collecteur peut, le cas échéant, être choisie également pour qu'elle présente un coefficient de dilatation thermique moins grand que celui du métal constitutif du tube, de sorte qu'une auq-;uen- tation de température, comme il s'en produit lors de la circulation d'eau chaude dans l'échangeur de chaleur, a un effet favorable au renforcement de l'étanchéité. L'invention s'applique pour l'assemblage avec un collecteur de tubes de forme ovale Selon un mode d'exécution, l'extré- mité du tube est rendue circulaire avant l'opération d'assem- blage, qui s'effectue comme indiqué ci-dessus. Suivant un autre mode d'exécution, les passages du collec- teur et les poinçons sont adaptés à la forme ovale des tubes. Sur la figure 9, on a montré, en variante, un assemblage, réalisé selon l'invention, entre une plaque à trous métallique 81 présentant des collets souples 82 Chacun de ceux-ci est réalisé par deux plis circulaires 83 et 84 à partir du corps du collecteur obtenus d'abord en érigeant un anneau dirigé vers l'extérieur 86 et, ensuite, en effectuant un rabattement suivant un anneau 87 dirigé vers l'intérieur. Sur la face interne 88 de l'anneau 87-est amenée en applica- tion de pression, donc avec étanchéité, la surface externe 89 du tube 91 et cela par le procédé selon l'invention. C'est la partie 92 du tube en regard de l'anneau 87 qui subit une contraction en raison de la contrainte à laquelle elle il est soumise dela part dudit anneau C'est l'élasticité du collet 82 qui fournit ladite contrainte et la forme dudit collecteur est choisie en fonction de l'élasticité requise. La partie 92 du tube se raccorde d'une part à une partie d'extrémité de tube 93 et, d'autre part, à la partie non déformée 94 du tube, lesdites parties réalisant l'ancrage, c'est-à-dire l'immobilisation du tube à l'égard d'un mouve- ment dans un sens ou dans l'autre. Revendications. 1 Echangeur de chaleur comportant un faisceau-de tubes métalliques minces traversant un collecteur ou plaque à trous par des passages que présente celui-ci, caractérisé en ce que ledit collecteur ( 18) est en matière plastique à grande élasticité, laquelle est mise à profit pour le passa- ge étanche des tubes ( 12) montés dans les passages ( 23) du collecteur et en ce que la partie ainsi contractée de chaque tube ( 38, 61, 92) dans lesdits passages est flanquée de part et d'autre de parties de tube non contractées ( 42, 41; 66, 74; 93, 94) assurant l'immobilisation du tube à l'égard d'un déplacement longitudinal par rapport au collecteur dans un sens et dans l'autre. 2 Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la contraction de la partie du tube dans le passage est supérieure à 1 % de la dimension du passage. 3 Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le collecteur est en une résine synthétique ren- forcée par des charges. 4 Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la résine est choisie parmi le groupe consistant en polyamides, polyoxyphénylène modifié, polyacétale, poly- propylène. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les passages ( 23, 88) sont ménagés par des collets ( 19, 87) dépendants du corps ( 20,85) du collecteur et tournés vers les tubes. 6 Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la hauteur de la partie dépassante ( 31, 66, 93) des tubes par rapport à la face externe ( 24, 65) du collec- teur est plus grande que le dixième du diamètre des passages. 7 Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la hauteur de la partie non contractée ( 41, 33; 73; 94) adjacente à la face interne du collecteur ( 21, 79) est plus grande que le dixième du diamètre des passages. 8 Procédé pour la fabrication d'un échangeur selon l'une des revendications 1 à 7 ci-dessus, caractérisé en ce qu'on enfonce un poinçon dans l'extrémité de chaque tube, logée dans un passage du collecteur et en saillie par rapport à celui-ci. 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que, pour des tubes ronds, on utilise un poinçon cylindrique à corps circulaire se terminant par une partie convergente ou chanfrein. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'enfoncement a lieu jusqu'à ce que l'extrémité du corps cylindrique du poinçon dépasse le bord inférieur du passage du collecteur. 11 Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le dépassement est plus grand que le dixième du diamètre du passage. 12 Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le collecteur est métallique et les passages sont ména- gés par des collets du collecteur dont l'élasticité est conférée par leur configuration.