Brevet FR2674321A1 — publié le 19920925

Echangeur de chaleur à plusieurs rangées de tubes en particulier pour véhicule automobile L'invention concerne un échangeur de chaleur du type comprenant un faisceau de tubes parallèles disposés en rangées et présentant des extrémités respectives reçues dans une plaque collectrice munie de trous, lesquels sont entourés éventuellement par des collets. De tels échangeurs de chaleur sont utilisés notamment dans les véhicules automobiles à moteur à combustion interne pour assurer soit le refroidissement du moteur, soit le chauffage de l'habita- cle Les tubes du faisceau sont alors parcourus par un fluide ser- vant au refroidissement du moteur, tandis que de l'air circule entre les tubes du faisceau. Dans certains cas, les tubes du faisceau possèdent une section non circulaire, en particulier une section aplatie de type ovale, el- liptique ou oblongue, de manière à réduire la perte de charge subie par le flux d'air traversant l'échangeur de chaleur et à optimiser les performances thermiques de ce dernier. Dans les échangeurs de chaleur connus de ce type, il est prévu autant de trous dans la plaque collectrice que de tubes dans le faisceau, pour que chaque extrémité de tube soit reçue individuel- lement dans un trou de la plaque collectrice et soit reliée à étan- chéité à la plaque collectrice, et en particulier au collet, s'il est présent, qui entoure le trou. La plaque collectrice, encore appelée "plaque à trous", est généra- lement réalisée sous la forme d'une plaque métallique dans laquelle sont aménagés les trous et les collets correspondants L'étanchéité entre chaque extrémité de tube et le collet correspondant est alors obtenue soit par interposition d'un joint d'étanchéité compressi- ble, soit par brasage direct, le tube étant alors muni d'un pla- quage métallique facilement fusible. Comme ces échangeurs de chaleur sont formés de plusieurs rangées de tubes, la plaque collectrice doit comprendre aussi plusieurs rangées de trous qui sont séparés entre eux par un entr'axe donné au sein d'une même rangée et par un autre entr'axe donné d'une rangée à l'autre Il existe ainsi entre deux trous consécutifs de la plaque collectrice une épaisseur de matière qui, pour des rai- sons de résistance mécanique de la plaque collectrice, ne peut descendre au-dessous d'une valeur minimale, cette valeur minimale étant essentiellement indispensable pour la réalisation de collets dans le cas o la plaque collectrice en comporte. Il en résulte qu'il n'est pas possible d'optimiser les dimensions des tubes et des entr 'axes et par conséquent les performances ther- miques de l'échangeur de chaleur, et cela pour des dimensions don- nées de la plaque collectrice. L'invention a notamment pour but de surmonter ces inconvénients. Elle propose en conséquence un échangeur de chaleur du type compre- nant un faisceau de tubes parallèles disposés en rangées, et dont les extrémités sont reçues dans une plaque collectrice munie de trous, éventuellement entourés par des collets. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, chaque trou du collecteur reçoit les extrémités respectives de plusieurs tubes adjacents appartenant à des rangées différentes du faisceau. Dans ces conditions, l'entr'axe ou pas des tubes, d'une rangée à l'autre, peut être amené à une valeur minimale On peut ainsi opti- miser les performances de l'échangeur de chaleur et cela pour une largeur minimale de la plaque collectrice. Comme chaque trou de la plaque collectrice reçoit les extrémités respectives de plusieurs tubes et qu'il est en outre entouré par un collet, la plaque collectrice se trouve ainsi rigidifiée, d'o il résulte une meilleure tenue à la pression. Dans une première forme de réalisation de 1 ' invention, 1 ' échangeur de chaleur comprend un joint d'étanchéité compressible interposé entre le collet de chaque trou et les extrémités de tubes reçues dans ce trou. Avantageusement, ce joint d'étanchéité comprend une âme propre à S 'appliquer sur la plaque collectrice et munie de collets compres- sibles en correspondance des collets des trous du collecteur. Chaque collet compressible est propre à être interposé entre un collet d'un trou de la plaque collectrice et les extrémités de tubes reçues dans ce trou, ce collet compressible ménageant des ponts de matière entre deux extrémités de tubes adjacentes reçues dans le même trou. Dans ces conditions, chacun des collets compressibles du joint d'étanchéité assure l'étanchéité entre, d'une part, le collet cor- respondant du trou de la plaque collectrice et, d'autre part, les extrémités de tubes reçues dans ce trou. Ainsi, dans le cas o le faisceau de l'échangeur de chaleur com- prend deux rangées de tubes, chaque collet compressible comprend un seul pont de matière Dans le cas o il s'agit d'un faisceau avec trois rangées de tubes, le collet compressible comprend deux ponts de matière. L'invention s'applique en particulier à une plaque collectrice dont les trous sont munis de collets. Avantageusement, chaque pont de matière du collet compressible est renforcé par un talon qui a pour but de limiter l'entraînement de la matière élastique constitutive du joint lors de l'introduction des extrémités des tubes du faisceau. Pour limiter cet entraînement de matière, l'invention prévoit en outre de disposer une barrette en forme de peigne noyée dans l'é- paisseur du joint pour renforcer les ponts de matière adjacents. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, les extrémités des tubes reçues dans un même trou du collecteur sont brasées di- rectement dans ce trou. De préférence, les extrémités des tubes sont aplaties et la section du trou correspond alors à la réunion des sections des tubes. Dans une forme de réalisation préférée de 1 ' invention, chaque trou de la plaque collectrice a une section générale oblongue délimitée par deux côtés parallèles et deux côtés en demi-cercle. Dans la description qui suit, donnée seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue partielle de dessus d'une plaque collec- trice selon la première forme de réalisation précitée; la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1; la figure 3 est une vue partielle de dessus d'un joint d'étan- chéité destiné à équiper la plaque collectrice des figures 1 et 2; la figure 4 est une vue en coupe suivant la ligne IV-IV de la figure 3; la figure 5 est une coupe transversale partielle d'un échangeur de chaleur comprenant un faisceau de tubes assemblés sur la plaque collectrice des figures 1 et 2 au moyen du joint d'étanchéité des figures 3 et 4; la figure 6 est une vue partielle de dessus d'une plaque collec- trice munie d'un joint d'étanchéité et recevant les extrémités des tubes d'un faisceau, selon une variante de réalisation; la figure 7 est une vue en coupe suivant la ligne VII-VII de la figure 6; la figure 8 est une vue en coupe suivant la ligne VIII-VIII de la figure 6; la figure 9 est une coupe longitudinale partielle d'un échangeur de chaleur dont les tubes sont brasés sur une plaque collectrice; la figure 10 est une vue en coupe transversale suivant la ligne X-X de la figure 9; la figure 11 est une vue en coupe suivant la ligne XI-XI de la figure 10; la figure 12 est une vue à plus grande échelle du détail A de la figure 11; et la figure 13 est une vue partielle en coupe transversale suivant la ligne XIII-XIII de la figure 12. On se réfère d'abord aux figures 1 et 2 qui représentent une plaque collectrice 10, encore appelée plaque à trous, de forme générale rectangulaire La plaque 10 possède une âme 12 de forme générale rectangulaire, formée de préférence en un matériau métallique, et limitée par deux bords parallèles 14 correspondant aux deux grands côtés du rectangle et deux autres bords parallèles (non montrés sur les dessins), correspondant aux petits côtés du rectangle. Comme montré à la figure 2, chacun des bords 14 comprend d'abord une partie 16 raccordée à angle droit avec l'âme 12, une partie 18 raccordée à angle droit avec la partie 16 et enfin une partie 20 raccordée à angle droit à la partie 18 Les parties 16 et 18 de chaque bord 14 définissent ainsi une gorge 22 s'étendant sur toute la périphérie de la plaque 10 et dont la fonction sera expli- quée plus loin Chacune des parties 20 est crénelée sur son bord libre pour définir une série de pattes 24 propres à être rabattues pour assurer l'assemblage de la plaque collectrice avec une paroi de boîte à eau (non représentée). Au travers de l'âme 12 de la plaque collectrice 10 sont formés des trous oblongs 26, identiques entre eux, dont trois sont visibles sur la figure 1 Chacun des trous 26 possède, dans le sens de sa longueur, un axe de symétrie XX' qui s'étend perpendiculairement aux bords 14 de la plaque collectrice 10 Chacun des trous 26 est formé par la réunion de deux sections ovales identiques 28 qui s 'intersectent au niveau d'un étranglement 30 Dans l'exemple, les deux sections 28 sont elliptiques, leurs grands axes respectifs étant alignés dans la direction de l'axe XX' Les centres respec- tifs des deux sections elliptiques 28 définissent entre eux un entr'axe ou pas P Par ailleurs, la distance entre deux trous adja- cents 26 définit un entr'axe E dont la direction est perpendicu- laire à celle du pas P Chacun des trous 26 est entouré par un collet 32 dont le contour correspond à celui des deux sections 28 y compris leur étranglement 30 Chacun des collets 32 est en sail- lie par rapport à l'âme 12, du côté opposé aux pattes 24. On comprendra que chaque trou 26 est destiné à recevoir les extré- mités respectives de deux tubes appartenant à deux rangées adjacen- tes d'un faisceau formé de deux rangées de tubes Au sein d'une même rangée, les tubes sont séparés deux à deux par un entr'axe E. On se réfère maintenant aux figures 3 et 4 qui montrent un joint d'étanchéité 34 destiné à être appliqué sur la plaque collectrice Le joint 34, réalisé en une matière élastomère compressible, comprend une âme 36 de forme générale rectangulaire correspondant à celle de l'âme 12 de la plaque collectrice 10 L'âme 36 est limi- tée par deux bourrelets longitudinaux 38 correspondant aux deux grands côtés du rectangle et deux bourrelets latéraux (non repré- sentés) correspondant aux petits côtés du rectangle Les bourrelets 38 se rattachent à l'âme 36 par un voile de matière 40 On obtient ainsi un bourrelet s'étendant sur toute la périphérie du joint et propre à être introduit dans la gorge de la plaque collectrice. L'âme 36 est munie de collets compressibles 42 dont chacun a une forme adaptée à celle d'un trou 26 pour pouvoir être introduit dans ce dernier lorsque l'âme 36 du joint 34 est appliquée contre l'âme 12 de la plaque collectrice 10. Chaque collet 42 affecte ainsi la forme générale d'un 8 formé de deux parties ovales 44 réunies entre elles par un pont de matière 46 Ainsi, lorsqu'un collet compressible 42 du joint 34 est intro- duit dans un collet 32 d'une plaque collectrice 10, les deux par- ties 44 du collet 42 s'engagent respectivement dans les deux sec- tions 28 du trou 26, le pont de matière 46 venant se placer dans l'étranglement 30 L'âme 36 forme, à l'intérieur de chaque collet compressible 42, deux orifices 48 propres à recevoir chacun, comme on le verra plus loin, une extrémité d'un tube du faisceau. Comme le montre plus particulièrement la figure 4, chaque pont de matière 46 est renforcé par un talon 50 destiné à limiter l'entraî- nement de la matière du joint lors du montage du faisceau de tubes. On se réfère maintenant à la figure 5 qui montre un faisceau 52 formé de deux rangées de tubes 54 de section non circulaire qui traversent une multiplicité d'ailettes parallèles 56 Les tubes 54 sont séparés deux à deux avec un entr'axe E au sein d'une même rangée et avec un pas P d'une rangée à l'autre Les tubes 54 possè- dent des extrémités respectives 58 de forme non circulaire écartées l'une de l'autre avec le même entr'axe et le même pas que les tu- bes. La forme des trous 26 de la plaque collectrice 10 et la forme des bourrelets compressibles 42 et des orifices 48 du joint 34 sont adaptées à celle des extrémités 58 des tubes 54. Pour réaliser 1 'assemblage du faisceau 52 sur la plaque collectrice , on dispose tout d'abord le joint d'étanchéité 34 sur la plaque collectrice 10 et on introduit ensuite les extrémités 58 des tubes du faisceau dans les perforations 48 du joint 34. Les extrémités 58 peuvent être introduites dans les trous 48 et être ensuite évasées pour assurer la compression du joint, d'une manière connue en soi. En variante, il est possible de comprimer au préalable chacun des bourrelets 42 à l'aide d'un poinçon et d'introduire ensuite les extrémités 58, et cela également d'une manière en soi connue. Après introduction des extrémités 58 ces dernières peuvent être évasées sur toute leur périphérie ou sur une partie de leur péri- phérie de manière à empêcher une désolidarisation intempestive de la plaque collectrice et du faisceau. Etant donné que chaque pont de matière 46 du joint 34 possède un talon 50, on limite l'entraînement de la matière du joint lors du passage des poinçons de précontrainte ou lors de l'introduction des extrémités 58 des tubes. Dans la forme de réalisation des figures 6 à 8, à laquelle on se réfère maintenant, le joint d'étanchéité 34 comporte une barrette , en forme de peigne, qui est noyée dans l'épaisseur du joint pour renforcer les ponts de matière 46 de chacun des bourrelets compressibles 42 La barrette 60 comprend une âme 62, destinée à s'étendre sur la longueur du joint 34 en traversant chacun des ponts de matière 46, et munie d'une multiplicité de dents 64 dont la distance mutuelle correspond à l'entr'axe E. On comprendra que la présence de la barrette 60, qui est avantageu- sement une barrette métallique surmoulée, s'oppose à l'entraînement de la matière du joint lors du montage du faisceau de tubes. Dans le mode de réalisation des figures 1 à 5, de même que dans le mode de réalisation des figures 6 à 8, après assemblage du fais- ceau sur la plaque collectrice 10, celle-ci reçoit une paroi à face ouverte pour former une boîte à eau, cette paroi étant reliée à étanchéité par rabattement des pattes 24. Dans la forme de réalisation des figures 9 à 11, auxquelles on se réfère maintenant, 1 'échangeur de chaleur comprend une plaque col- lectrice 70 métallique de forme générale rectangulaire comprenant une âme 72 limitée par deux bords longitudinaux 74 (figure 10). Chacun d'eux comprend une partie 76 qui s'étend à angle droit par rapport au plan de l'âme 72, une partie 78 qui s'étend perpendicu- lairement à la partie 76 et une partie 80 qui s'étend perpendicu- lairement à la partie 78 et dont le bord libre forme des pattes repliables 82. L'âme 72 ménage une multiplicité de trous allongés 84 de forme oblongue dont la plus grande dimension S 'étend perpendiculairement aux deux grands côtés de la plaque collectrice Chacun des trous 84 est entouré par un collet 86 de forme oblongue délimité par deux bords droits parallèles 88 et deux bords en demi-cercle 90 (figure 11). Les trous 84 sont distants deux à deux d'un entr'axe E et chaque trou 84 est prévu pour recevoir les extrémités respectives 92 de deux tubes 94 accolés appartenant à deux rangées adjacentes. Dans l'exemple, les tubes 94 sont des tubes plats dont la section est définie par deux bords plats parallèles réunis entre eux par deux bords arrondis semi-circulaires (figure 10) Les deux tubes adjacents 94 sont séparés entre eux d'un pas P (figures 10 et 11). Les extrémités 92 des tubes 94 sont légèrement déformées de manière que chaque extrémité soit limitée par deux bords plats parallèles 96, un bord semi-circulaire 98 et un petit bord plat 100 (figures il et 12). Ainsi, les deux extrémités 92 reçues dans un même trou 84 sont accolées par leurs petits bords 100, leurs bords respectifs 98 étant opposés. Les tubes 94 sont métalliques et pourvus d'un plaquage facilement fusible pour permettre le brasage de deux extrémités 92 à chaque fois dans le collet 86 d'un trou 84. Pour réaliser l'assemblage de l'échangeur de chaleur, on forme d'abord un faisceau constitué par une multiplicité de paires de tubes 94 entre lesquels sont disposées des ailettes 102 en forme de sinusoïde (figure 9) Les extrémités 92 des tubes du faisceau sont ensuite introduites par paires dans les trous correspondants 84 de la plaque collectrice 70 Ensuite,les extrémités 92 sont aménagées à la forme représentée à la figure 11 et légèrement éva- sées en 106 comme montré sur la figure 9, puis on procède au bra- sage de l'ensemble, en formant un joint de brasage 104 résultant de la fusion de i 'alliage métallique recouvrant la paroi des tubes. Ensuite, on dispose un joint annulaire 108 sur tout le pourtour de la plaque collectrice 70 et on place dans la gorge ainsi obtenue le bourrelet périphérique 112 d'une paroi 110 destinée à former une boîte à eau Les pattes 82 sont ensuite rabattues comme montré à la figure 10 pour assurer la compression du joint 108 et réaliser une liaison étanche entre la plaque collectrice 70 et la paroi 110. Dans la pratique, il est difficile de raccorder directement à angle droit les deux bords plats 96 avec le petit bord plat 100 d'un tube 94 et il existe toujours un bord arrondi 114 de faible rayon (fi- gure 12) Par suite, après introduction des extrémités 92 des deux tubes 94 dans le trou 84 entouré par le collet 86, on devrait nor- malement obtenir un espace vide entre le collet 86 et les deux bords arrondis 114 des tubes Cet espace vide serait d'autant plus difficile à combler par la brasure que le rayon de courbure des bords arrondis 114 serait plus grand Pour éviter cet inconvénient, le trou 84 comporte un bec 116 qui est réalisé sur le collet 96 et qui est propre à s'adapter à la forme des deux bords arrondis 114 des tubes 94 En fait le trou 84 comporte deux becs 116 en vis- à-vis, lesquels sont formés en saillie sur les deux bords 88 du collet 86 pour combler ainsi l'espace formé entre les extrémités 92 des deux tubes adjacents 94. Dans les différentes formes de réalisation précitées, l'autre ex- trémité du faisceau est avantageusement munie d'une plaque collec- trice analogue. Bien que l'invention ait été décrite en référence à des tubes de section ciculaire, il doit être entendu qu'elle s'applique aussi à des tubes de section circulaire à condition de prévoir des trous de forme appropriée dans la plaque collectrice. il On comprendra que, grâce à 1 ' invention, il est possible de réaliser un échangeur de chaleur avec un pas minimal entre deux tubes de deux rangées adjacentes Il en résulte des performances optimales pour une largeur minimale de la plaque collectrice tout en amélio- rant la tenue en pression des tubes. Revendications 1 Echangeur de chaleur du type comprenant un faisceau de tubes parallèles disposés en rangées, et dont les extrémités respectives sont reçues dans une plaque collectrice munie de trous, caractérisé en ce que chaque trou ( 26; 84) de la plaque collectrice ( 10; 70) reçoit les extrémités respectives ( 58; 92) de plusieurs tubes adjacents ( 54; 94) appartenant à des rangées différentes du fais- ceau. 2 Echangeur de chaleur selon la revendication 1, dans lequel cha- que trou ( 26) est muni d'un collet ( 32), caractérisé en ce qu'il comprend un joint d'étanchéité compressible ( 34) interposé entre le collet ( 32) de chaque trou ( 26) et les extrémités ( 58) des tubes reçues dans ce trou. 3 Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le joint d'étanchéité ( 34) comprend une âme ( 36) propre à être appliquée sur la plaque collectrice ( 10) et munie de collets compressibles ( 42) en correspondance des collets ( 32) des trous ( 26) de la plaque collectrice ( 10). 4 Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque collet compressible ( 42) est propre à être interposé entre un collet ( 32) d'un trou ( 26) et les extrémités ( 58) des tubes ( 54) reçues dans ce trou, et en ce que ce collet compressible ( 42) ménage un pont de matière ( 46) entre les extrémités respecti- ves ( 58) de deux tubes adjacents ( 54) reçues dans ce trou. Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque pont de matière ( 46) est renforcé par un talon ( 50). 6 Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'il comprend une barrette ( 60) en forme de peigne, noyée dans l'épaisseur du joint ( 34) pour renforcer les ponts de matière adjacents ( 46). 7 Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les extrémités ( 92) de tubes adjacents ( 94) reçues dans un même trou ( 84) sont brasées directement dans ce trou. 8 Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les extrémités ( 92) des tubes sont aplaties et en ce que la section du trou ( 84) correspond à la réunion des sections des extrémités de tubes. 9 Echangeur de chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le trou ( 84) a une section générale oblongue délimitée par deux côtés droits parallèles ( 88) et deux côtés semi-circulaires ( 90). 10 Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le trou ( 84) présente des becs ( 116) en vis- à-vis pour combler l'espace formé entre les extrémités ( 92) de deux tubes adjacents.