Brevet FR2640364A1 — publié le 19900615

Dispositif de boite à eau et de vase d'expansion pour échan qeur de chaleur, en particulier pour radiateur de refroidissement L'invention concerne un dispositif de boîte à eau et de vase d'expansion pour un échangeur de chaleur, en particulier pour un radiateur de refroidissement d'un moteur à combustion interne, comprenant un passage de liquide et un passage de dégazage reliant tous deux la boite à eau et le vase d'expansion. Il est déjà connu de prévoir un tel dispositif sur un échangeur de chaleur qui est monté en série dans un circuit de liquide ayant une dérivation court-circuitant ledit échangeur de chaleur. Lorsqu'un tel échangeur de chaleur est utilisé pour le refroidissement d'un moteur à combustion interne, il est prévu habituellement une vanne à commande thermostatique qui détecte la température du liquide dans le circuit pour faire passer ce liquide soit dans la dérivation, soit à travers l'échangeur de chaleur, et cela en fonction du niveau de température détecté. Lorsque la température détectée est inférieure à un seuil déterminé, la vanne fait circuler le liquide dans la dérivation sans traverser l'échangeur, ce qui facilite la montée en température du moteur. Lorsque la température détectée atteint ou dépasse ce seuil, la vanne fait circuler le liquide à travers l'échangeur de chaleur, sans passer par la dérivation, ce qui assure le refroidissement du moteur qui est ainsi maintenu à sa température de fonctionnement idéale. Lorsque le liquide circule dans l'échangeur de chaleur, le passage de dégazage précité évite que des bulles d'air ou de gaz, véhiculées par le liquide, puissent se rassembler en certains points de la culasse du moteur et y former des points chauds. Par contre, lorsque le liquide circule dans la dérivation sans traverser l'échangeur, le passage de dégazage ne peut plus jouer son rôle. Pour certains types de moteur, ceci ne constitue pas un inconvénient car le dégazage du liquide n'est pas impératif lorsque ce liquide court-circuite l'échangeur. Mais, pour d'autres types de moteurs, en particulier des moteurs Diesel, le dégazage du liquide doit être assuré également dans le cas où celui-ci ne traverse pas l'échangeur de chaleur. Il a été proposé, pour cela, de monter le vase d'expansion en série sur la dérivation. Ainsi, lorsque le liquide circule dans la dérivation, le dégazage est assuré par le vase d'expansion, les bulles d'air ou de gaz remontant à la surface du liquide dans le vase. Cette solution a notamment pour inconvénient d'obliger à chauffer la capacité du liquide contenu dans le vase d'expansion, ce qui ralentit la montée en température du moteur pendant la phase de fonctionnement où le liquide ne traverse pas l'échangeur. Il en résulte que le temps de mise en température du moteur est allongé, ce qui entraîne une augmentation de l'énergie consommée. Par ailleurs, du fait que le liquide sert habituellement, non seulement au refroidissement du moteur, mais aussi au chauffage de l'habitacle d'un véhicule automobile, le ralentissement de la montée en température du liquide entraîne un ralentissement de la mise en action du chauffage. L'invention a notamment pour but d'éviter les inconvénients mentionnés ci-dessus. Elle propose à cet effet un dispositif de boite à eau et de vase d'expansion pour un échangeur de chaleur, comprenant un passage de liquide et un passage de dégazage reliant tous deux la boite à eau et le vase d'expansion, l'échangeur étant propre à être monté en série dans un circuit de liquide ayant une dérivation court-circuitant l'échangeur. Selon l'invention, le dispositif comprend un réservoir annexe disposé sous le vase d'expansion, qui communique avec ce dernier par un clapet automatique susceptible de laisser passer de l'air ou du gaz vers le vase d'expansion tout en retenant le liquide, et qui comprend un embout d'entrée de liquide et un embout de sortie de liquide propres à être connectés sur ladite dérivation, ce qui permet d'assurer aussi le dégazage du liquide lorsque celui-ci passe dans la dérivation sans traverser l'échangeur de chaleur. Ainsi, dans cette phase de fonctionnement, les éventuelles bulles d'air ou de gaz présentes dans le liquide sont rassemblées en partie supérieure du réservoir annexe et sont évacuées vers le vase d'expansion grâce au clapet automatique. De plus, pendant cette phase de fonctionnement, dans laquelle le liquide ne traverse pas l'échangeur de chaleur, on nté- chauffe pas la capacité de liquide contenue dans le vase d'expansion et dans l'échangeur de chaleur. Seule la capacité de liquide contenue dans le réservoir annexe, qui peut être très faible, est alors réchauffée par le moteur. Cela entraine une montée en température rapide du circuit, d'où il résulte une mise en action anticipée du chauffage, une réduction du temps de mise en température du moteur et une économie d'énergie. Selon une autre caractéristique de l'invention, le clapet automatique est un clapet flottant coopérant avec un siège entourant un orifice calibré formé dans une paroi de séparation entre le vase d'expansion et le réservoir annexe. Avantageusement, cette paroi de séparation comprend une partie tronconique débouchant à son sommet sur une chambre généralement cylindrique dans laquelle se trouve le clapet flottant. Selon une autre caractéristique de l'invention, le clapet flottant est une bille qui est pilotée sur l'orifice calibré par des nervures verticales s'étendant à l'intérieur de la chambre cylindrique, ce qui permet d'assurer une stabilité de l'étanchéité aux vibrations. De préférence, la chambre cylindrique est munie de moyens de retenue propres à empêcher la bille de quitter la chambre. Selon une autre caractéristique de l'invention, la paroi de séparation est formée par la paroi de fond du vase d'expansion et le réservoir annexe est rapporté sur le vase d'expansion. Pour cela, il est particulièrement avantageux que le réservoir annexe comprenne un bord annulaire pour sa fixation sur la paroi de fond du vase d'expansion. Selon une autre caractéristique de l'invention, la boîte à eau et le vase d'expansion constituent un ensemble monobloc moulé en une seule pièce et le réservoir annexe est également moulé d'une seule pièce. On peut ainsi réaliser l'ensemble monobloc et le réservoir annexe en matière plastique et les solidariser entre eux par tout moyen approprié, par exemple par soudure aux ultrasons. Sous un autre aspect, l'invention concerne un échangeur de chaleur comprenant un faisceau de tubes de circulation de liquide qui est muni d'un dispositif de boite à eau et de vase d'expansion selon l'invention, à une extrémité du faisceau. Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique, en coupe partielle, d'un échangeur de chaleur équipé d'un dispositif de boite à eau et de vase d'expansion selon l'invention et du circuit de liquide correspondant - la figure 2 est une vue en coupe partielle selon la ligne Il-Il de la figure I - la figure 3 est une vue en coupe partielle du vase d'expansion et du réservoir annexe au niveau de leur jonction ; et - la figure 4 est une vue en coupe correspondant à celle de la figure 3, dans le cas où un réservoir annexe n'est pas prévu sous le vase d'expansion. On se réfère d'abord à la figure 1 qui montre un échangeur de chaleur 10 formant le radiateur d'un circuit de refroidissement d'un moteur à combustion interne 12 d'un véhicule automobile. L'échangeur 10 comprend un faisceau 14 de tubes horizontaux de circulation de liquide, aux extrémités duquel sont montées deux boites à eau 16 et 18. La boîte à eau 16 comprend, à sa partie supérieure, un embout 20 d'entrée de liquide. La boite à eau 18 comprend, à sa partie inférieure, un embout 24 de sortie de liquide de l'échangeur. La boîte à eau 18 est formée de moulage avec un vase d'expansion 28 qui est relié à cette boîte à eau par un voile de matière 30 (figures 1 et 2). Cet ensemble est également formé de moulage avec un tube 32 débouchant à son extrémité supérieure dans le fond du vase d'expansion 28 et, à son extrémité inférieure, dans l'embout de sortie 24. Ce tube 32 forme ainsi un passage de liquide entre la boîte à eau 18 et le vase d'expansion 28. Dans la boîte à eau 18, est prévu un passage de dégazage constitué ici d'un tube 34 dont l'extrémité supérieure 36 débouche dans la partie supérieure de la boîte à eau et dont l'extrémité inférieure 38 débouche en partie inférieure du vase d'expansion 28, cette extrémité 38 s'étendant en-dessous du niveau 40 du liquide contenu dans le vase d'expansion 28. A son extrémité supérieure, le vase d'expansion 28 comprend un orifice ou embout de remplissage 42, fermé par un bouchon 44 muni de clapets tarés de surpression et de dépression. Le dispositif de boîte à eau 18 et de vase d'expansion 28 comprend en outre un réservoir annexe 46 disposé sous le vase d'expansion 28, qui communique avec ce dernier par un clapet automatique 48 susceptible de laisser passer de l'air ou du gaz vers le vase d'expansion tout en retenant le liquide, et qui comprend un embout 50 d'entrée de liquide et un embout 52 de sortie de liquide. L'échangeur de chaleur 10 ainsi constitué est monté dans le circuit de refroidissement du moteur 12. Ce circuit comprend un conduit 54, sur lequel est montée une pompe à eau 56, ce conduit reliant la sortie du moteur 12 à l'entrée d'une vanne 58 à trois voies, à commande thermostatique. L'une des sorties de la vanne 58 est reliée à l'embout d'entrée 20 de la boîte à eau 16 par un conduit 60. L'autre sortie de la vanne 58 est reliée à l'embout d'entrée 50 du réservoir annexe 46 par un conduit de dérivation 62. L'embout de sortie 52 du réservoir annexe 46 et l'embout de sortie 24 de la boite à eau 18 débouchent respectivement sur des conduits 64 et 66 aboutissant à un conduit commun 68 relié à l'entrée du moteur 12. On se réfère maintenant à la figure 3. Le vase d'expansion 28 comprend une paroi de fond 70 formant séparation entre ce vase et le réservoir annexe 46. La paroi de fond 70 comprend une partie tronconique 72 se prolongeant, à son sommet, par une paroi cylindrique 74 qui est fermée par une paroi d'extrémité 76 munie, en son centre, d'un orifice calibré 78. On obtient ainsi une chambre 80 de forme générale cylindrique dans laquelle est situé le clapet 48, la paroi 76 formant siège de clapet. Ce dernier est constitué par une bille formée d'un matériau de densité inférieure à celle du liquide.Cette bille est pilotée sur l'orifice calibré 78 grâce à des nervures verticales 82 s'étendant à l'intérieur de la chambre cylindrique et formées sur la surface interne de la paroi cylindrique 74 et permettant le passage des bulles d'air ou de gaz vers l'orifice 78 entre la bille et la face interne de la paroi 74. La chambre 80 est en outre munie de moyens de retenue 84, par exemple une grille, propre à empêcher la bille 48 de quitter ladite chambre. Le réservoir annexe 46 est également formé de moulage en une seule pièce et comprend une paroi cylindrique 86 dont dépendent les deux embouts 50 et 52. La paroi -86 est fermée à une extrémité et ouverte à son autre extrémité pour former un bord annulaire 88 pour sa fixation sur la paroi de fond 70 du vase d'expansion. Selon l'invention, l'ensemble boîte à eau 18 et vase d'expansion 28 peut être formé d'une seule pièce par moulage en matière plastique et, de même, le réservoir annexe 46 peut être formé d'une seule pièce par moulage en matière plastique. La solidarisation du réservoir annexe sur l'ensemble précité peut être effectuée facilement par tout moyen approprié, par exemple par soudage aux ultrasons. L'installation représentée à la figure 1 fonctionne de la façon suivante. Le liquide de refroidissement du moteur circule, sous l'action de la pompe à eau 56, dans le sens indiqué par les flèches. Lorsque la température du liquide, telle que détectée par la vanne 58, est inférieure à un seuil déterminé, cette vanne dirige le flux de liquide vers la dérivation 62. Ce liquide gagne ainsi le réservoir annexe 46 et quitte ce dernier pour retourner vers le moteur par les conduits 64 et 68. Si de l'air ou du gaz est présent dans le liquide, il est collecté dans la chambre 80 du clapet. Ce dernier repose alors au fond de la chambre et permet à l'air ou au gaz de franchir l'orifice calibré 78 et d'être évacué dans le vase d'expansion 28. Lorsque tout l'air ou le gaz est évacué, le niveau du liquide monte dans la chambre 80 et le clapet 48 est entraîné jusqu a venir fermer l'orifice 78. Pendant cette phase de fonctionnement où le liquide ne circule pas dans l'échangeur, le dégazage est ainsi facilement assuré. La capacité de liquide contenue dans l'échangeur de chaleur et le vase d'expansion n'est pas échauffée et seule la capacité du liquide contenue dans le réservoir annexe 46 est échauffée. Ceci se traduit par une montée en température rapide du liquide de refroidissement d'où il résulte les avantages déjà mentionnés plus haut. Lorsque la température du liquide, telle que détectée par la vanne 58, atteint ou dépasse le seuil précité, la vanne est commutée et dirige le liquide vers le conduit 60 et, de là, vers l'échangeur de chaleur. Le liquide circule alors à l'intérieur de l'échangeur de chaleur 10, comme indiqué par les flèches, et quitte ce dernier par l'embout de sortie 24. Pendant ce fonctionnement, le dégazage du liquide est assuré, d'une manière en soi connue, par le tube 34. Ainsi, grace au dispositif de l'invention, on peut assurer en permanence le dégazage du liquide, quelle que soit la position de la vanne 58. Si, toutefois, le dégazage du liquide n'est pas souhaité pendant la phase où il passe par la dérivation 62, le récipient annexe 46 peut être supprimé. En pareil cas, on peut utiliser le même ensemble monobloc boîte à eau 18/vase d'expansion 28, à condition que l'orifice 78 soit fermé, comme montré à la figure 4. Il suffit simplement, lors du moulage, de ne pratiquer aucune ouverture dans la paroi 76. Dans la forme de réalisation décrite précédemment, le faisceau 14 de l'échangeur de chaleur est muni de deux boîtes à eau. Il est possible, toutefois, de monter le dispositif de boite à eau et de vase d'expansion selon l'invention à une extrémité d'un faisceau de tubes en U, auquel cas la boîte à eau 16 est supprimée. Revendications 1. - Dispositif de boite à eau et de vase d'expansion pour un échangeur de chaleur, en particulier pour un radiateur de refroidissement d'un moteur à combustion interne, comprenant un passage de liquide (32) et un passage de dégazage (34) reliant tous deux la boîte à eau (18) et le vase d'expansion (28), l'échangeur (10) étant propre à être monté en série dans un circuit de liquide ayant une dérivation (62) court-circuitant l'échangeur, caractérisé en ce qu'il comprend un réservoir annexe (46) disposé sous le vase d'expansion (28) qui communique avec ce dernier par un clapet automatique (48) susceptible de laisser passer de l'air ou du gaz vers le vase d'expansion tout en retenant le liquide, et qui comprend un embout (50) d'entrée de liquide et un embout (52) de sortie de liquide propres à être connectés sur ladite dérivation (62), ce qui permet d'assurer aussi le dégazage du liquide lorsque celui-ci passe dans la dérivation (62) sans traverser l'échangeur de chaleur (10). 2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le clapet automatique est un clapet flottant (48) coopérant avec un siège entourant un orifice calibré (78) formé dans une paroi de séparation (70) entre le vase d'expansion (28) et le réservoir annexe (46). 3. - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la paroi de séparation (70) comprend une partie tronconique (72) débouchant à son sommet sur une chambre généralement cylindrique (80) dans laquelle se trouve le clapet flottant (48). 4. - Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le clapet flottant (48) est une bille qui est pilotée vers l'orifice calibré (78) par des nervures verticales (82) s'étendant à l'intérieur de la chambre cylindrique (80). 5. - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la bille est formée d'un matériau de densité inférieure à celle du liquide. 6. - Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la chambre cylindrique (80) est munie de moyens de retenue (84) propres à empêcher la bille de quitter ladite chambre. 7. - Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la paroi de séparation (70) est formée par la paroi de fond du vase d'expansion (28) et en ce que le réservoir annexe (46) est rapporté sur le vase d'expansion. 8. - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le réservoir annexe (46) comprend un bord annulaire (88) pour sa fixation sur la paroi de fond (70) du vase d'expansion (28). . 9. - Dispositif selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que la boîte à eau (18) et le vase d'expansion (28) constituent un ensemble monobloc moulé en une seule pièce et en ce que le réservoir annexe (46) est également moulé d'une seule pièce. 10. - Echangeur de chaleur comprenant un faisceau (14) de tubes de circulation de liquide, caractérisé en ce qu'il il comprend un dispositif de boite à eau (18) et de vase d'expansion (28) selon l'une des revendications 1 à 9, monté à une extrémité dudit faisceau.