Brevet FR2691242A1 — publié le 19931119

Boîte à eau à vase d'expansion intégré pour échangeur de chaleur en particulier pour véhicule automobile L'invention concerne une boîte à eau à vase d'expansion intégré pour un échangeur de chaleur, en particulier pour un radiateur propre à faire partie du circuit de refroidissement d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile. On connaît déjà, d'après le document FR-A-2 443 657, une boîte à eau de ce type qui comporte une face ouverte allongée propre à être assemblée au-dessus d'un collecteur placé en position sensiblement horizontale, de manière à permettre à un liquide de circuler dans la boîte à eau, entre une première extrémité et une seconde extrémité de celle-ci, en recouvrant le collecteur. Une telle boîte à eau est destinée à être reliée de façon étanche à l'extrémité supérieure d'un corps d'échangeur de chaleur, tel qu'un faisceau composé d'une multiplicité de tubes disposés suivant une direction généralement verticale La face ouverte de la boîte à eau est alors assemblée sur un collecteur, encore appelé "plaque à trous", qui reçoit à étanchéité les extrémités supérieures des tubes du faisceau Les extrémités inférieures de ces tubes sont généralement reliées à une autre boîte à eau, et cela par l'intermédiaire d'un autre collecteur. Dans la boîte à eau du brevet français précité, sont prévues des grilles transversales amovibles disposées espacées entre les deux extrémités de la boîte à eau, pour permettre à l'air entraîné par le liquide circulant dans l'échangeur de chaleur de se séparer dans les chambres délimitées entre les grilles. Une telle boîte à eau permet ainsi de dégazer le liquide circulant dans l'échangeur de chaleur, c'est-à-dire généralement le liquide de refroidissement d'un moteur à combustion interne. Les gaz séparés du liquide s'accumulent ainsi en partie supérieure de la boîte à eau qui forme en même temps vase d'expansion. La boîte à eau du document précité présente un certain nombre d'inconvénients. Tout d'abord, elle est coûteuse à réaliser car elle nécessite la réalisation de grilles qui doivent être placées dans la boîte à eau, avant montage de celle-ci sur le collecteur d'un échangeur de chaleur. De plus, comme ces grilles sont composées chacune d'une multiplicité d'ouvertures de mailles, il se crée des bulles qui sont néfastes au bon fonctionnement de l'échangeur de chaleur. Par ailleurs, ces grilles entraînent des pertes de charge lors de la circulation du liquide dans l'échangeur de chaleur. L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients précités. C'est en particulier un but de l'invention de procurer une boîte à eau à vase d'expansion intégré, du type défini en introduc- tion, qui peut être réalisée d'une façon particulièrement simple, sans qu'il soit nécessaire de prévoir des pièces rapportées à l'intérieur de la boîte à eau. C'est aussi un but de l'invention de procurer une telle boîte à eau qui n'entraîne pas de perturbations, et notamment de pertes de charge, lors du fonctionnement de l'échangeur de chaleur. C'est encore un but de l'invention de procurer une telle boîte à eau qui peut être utilisée en particulier dans des échangeurs de chaleur pour véhicule automobile. L'invention propose à cet effet une boîte à eau du type défini en introduction, laquelle comprend une multiplicité de cloisons transversales formées d'une seule pièce avec la boîte à eau, disposées espacées entre la première extrémité et la deuxième extrémité et s'étendant chacune jusqu'à un bord d'extrémité situé proche de la face ouverte, lesdites cloisons étant munies d'ouvertures respectives ayant des sections de passage allant en décroissant depuis la première extrémité jusqu'à la seconde extrémité de la boîte à eau. Une telle boîte à eau peut être réalisée d'une seule pièce et donc de façon particulièrement simple et peu coûteuse. Les cloisons transversales permettent de définir, à l'intérieur de la boîte à eau, un certain nombre de chambres qui ont des faces ouvertes respectives débouchant dans la direction de la face ouverte de la boîte à eau Les chambres communiquent entre elles par leurs faces ouvertes respectives et également par les ouvertures ménagées dans les cloisons. Le fait que les ouvertures respectives des cloisons ont des sections de passage décroissantes depuis la première extrémité jusqu'à la seconde extrémité de la boîte à eau, c'est à dire dans le sens de circulation du fluide, permet de freiner le déplacement du liquide dans la boîte à eau lorsque le véhicule est en mouvement et évite ainsi une introduction d'air Au surplus, l'air ou les gaz entraînés par le liquide se séparent de celui-ci et s'accumulent en partie supérieure de la boîte à eau, c'est-à-dire en partie supérieure des chambres obtenue par les cloisons transversales. De plus, les cloisons forment nervures intérieures et permettent d'assurer une tenue à la pression de la boîte à eau. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, l'ouver- ture de chacune des cloisons débouche sur le bord d'extrémité correspondant Ainsi, l'ouverture peut être obtenue par une simple découpe de la cloison qui se raccorde avec le bord d'extrémité, ce qui permet une fabrication aisée par moulage, sans qu'il soit nécessaire de prévoir de noyau de démoulage. De préférence, l'ouverture de chaque cloison est délimitée par un bord en U qui se raccorde au bord d'extrémité de la cloison. i Selon une autre caractéristique de l'invention, les bords d'extrémité des cloisons sont séparés de la face ouverte de la boîte à eau par des espaces respectifs qui vont en décroissant depuis la première extrémité jusqu'à la seconde extrémité de la boîte à eau, c'est-à-dire dans le sens de circulation du liquide dans cette boîte à eau. Une telle disposition contribue aussi à diminuer les pertes de charge produites à l'intérieur de la boîte à eau. Dans une forme de réalisation de l'invention, les ouvertures des cloisons sont alternativement décalées par rapport à un plan médian qui s'étend entre la première extrémité et la seconde extrémité et perpendiculairement à la face ouverte Cette caractéristique permet au liquide de suivre un parcours non rectiligne, ce qui facilite son dégazage. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, les ouvertures des cloisons sont alignées axialement par rapport au plan médian précité, ce qui diminue les pertes de charge. Selon une autre caractéristique de l'invention, chacune des cloisons comporte en outre un orifice de passage disposé dans une région éloignée de la face ouverte La présence de ces orifices de passage facilite une communication gazeuse entre les chambres délimitées entre les cloisons et permet d'obtenir un niveau constant dans toutes les chambres. Selon une autre caractéristique de l'invention, la boîte à eau est réalisée d'une seule pièce par moulage d'une matière plastique. Sous un autre aspect, l'invention concerne un échangeur de chaleur comprenant une boîte à eau telle que définie précédem- ment, dont la face ouverte est assemblée sur un collecteur recevant à étanchéité les extrémités des tubes d'un faisceau d'échangeur de chaleur. r Dans la description qui suit, donnée à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en élévation, avec arrachements partiels, d'un échangeur de chaleur comprenant une boîte à eau à vase d'expansion intégré selon l'invention; la figure 2 est une vue en élévation, avec arrachement partiel, et à échelle agrandie, de la boîte à eau à vase d'expansion intégré de la figure 1; les figures 3, 4, 5, 6, 7 et 8 sont des vues en coupe transversale selon respectivement les lignes III-III, IV-IV, V- V, VI-VI, VII-VII, et VIII-VIII de la figure 2; et les figures 9, 10, 11, 12, 13 et 14 sont des vues en coupe analogues respectivement à celles des figures 3, 4, 5, 6, 7 et 8, dans une autre variante de réalisation. On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente un échangeur de chaleur 10 pouvant constituer par exemple un radiateur faisant partie d'un circuit de refroidissement d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile. L'échangeur de chaleur 10 comprend un faisceau 12 formé d'une multiplicité de tubes parallèles 14 disposés dans une direction généralement verticale et traversant une multiplicité d'ailettes 16 parallèles entre elles et disposées suivant une direction généralement horizontale. Les extrémités supérieures des tubes 14 sont reçues à étanchéité dans un collecteur 18, encore appelé "plaque à trous", sur lequel est monté une boîte à eau 20 selon l'invention, située en partie supérieure de l'échangeur de chaleur. Les extrémités inférieures des tubes 14 sont montées à étan- chéité dans un autre collecteur 22 sur lequel est monté une autre boîte à eau 24, située en partie inférieure du faisceau 12. La boîte à eau 20 (figures 1 et 2) comprend une paroi de fond 26 à profil en U (figures 3 à 14) qui se raccorde à une première paroi d'extrémité 28 et une seconde paroi d'extrémité 30 Les parois 28 et 30 constituent respectivement la première extrémité et la seconde extrémité de la boîte à eau, au sens de l'inven- tion. Les parois 26, 28 et 30 délimitent une face ouverte 32 (figu- re 2) bordée par un bourrelet périphérique 34 à contour général rectangulaire Le collecteur 18 comporte des pattes périphéri- ques 36 (figure 1) qui sont rabattues sur le bourrelet 34, et cela d'une manière en soi connue. La boîte à eau 20 comporte en outre une tubulure 38 dépendant de la paroi 28 pour permettre l'admission d'un liquide à l'inté- rieur de la boîte à eau 20 comme indiqué par la flèche FM Elle comporte de plus, un embout de remplissage 40 muni de clapets tarés de surpression et de dépression. La boîte à eau inférieure 24 comprend une paroi longitudinale 42 à profil en U se raccordant à deux parois d'extrémités 44 et 46, ces parois délimitant une face ouverte allongée bordée par un bourrelet 48 de forme générale rectangulaire Le collecteur 22 comporte des pattes périphériques 50 qui sont rabattues sur le bourrelet 48 En outre, la boîte à eau inférieure 24 comprend une tubulure 52 qui dépend de la paroi 46 pour permettre l'évacuation du liquide comme représenté par la flèche F 2. La structure de l'échangeur de chaleur, telle qu'elle vient d'être décrite jusqu'à présent est en elle-même connue Le liquide à refroidir pénètre dans la boîte à eau supérieure 20 par la tubulure 38, circule ensuite au travers des tubes 14 en étant refroidi par échange thermique avec l'air traversant le faisceau 12, et gagne la boîte à eau inférieure 24 pour être ensuite évacué par la tubulure 52. Conformément à l'invention, la boîte à eau 20 comprend une multiplicité de cloisons transversales 541 à 546, qui sont au nombre de 6 dans l'exemple représenté (figure 2) Ces cloisons transversales sont formées d'une seule pièce avec la boîte à eau, par exemple par moulage d'une matière plastique Les cloisons sont disposées espacées, à intervalles réguliers ou non, entre la première extrémité (paroi 28) et la seconde extrémité (paroi 30) de la boîte à eau. Dans l'exemple, les cloisons sont parallèles entre elles et s'étendent depuis la paroi de fond 26 à profil en U jusqu'à un bord d'extrémité 561 à 566 qui est situé proche de la face ouverte 32, c'est-à-dire proche du collecteur 18 lorsque celui- ci est assemblé sur la boîte à eau 20 Les bords inférieurs 561 à 566 sont distants du collecteur 18 par des espaces respectifs hi à h 6 qui vont en décroissant depuis l'extrémité 28 à l'extrémité 30, c'est-à-dire dans le sens de circulation du liquide à l'intérieur de la boîte à eau (flèche F 3). Les cloisons 541 à 546 délimitent ainsi, en combinaison avec les parois 26, 28 et 30 de la boîte à eau, sept chambres 581 à 587 qui sont ouvertes en direction du collecteur, et qui peuvent communiquer entre elles par les espaces de hauteur hi à h 6 mentionnés précédemment. Comme montré aux figures 3 à 8, les cloisons 541 à 546 compor- tent des ouvertures respectives 601 à 606 qui sont délimitées respectivement par des bords 621 à 626 qui se raccordent respectivement aux bords d'extrémités 561 à 566. Comme on peut le voir sur les figures 3 à 8, les ouvertures 601 à 606 ont des sections de passage qui vont en décroissant depuis la cloison 541 située proche de la première extrémité de la boîte à eau jusqu'à la cloison 546 située proche de la seconde extrémité de la boîte à eau. Dans la forme de réalisation des figures 3 à 8, on remarque que les ouvertures 601 à 606 sont alternativement décalées par rapport à un plan médian P qui s'étend entre les deux parois d'extrémités 28 et 30, c'està-dire sur la longueur de la cloison, et perpendiculairement à la face ouverte 32. En fonctionnement, le liquide à refroidir entre dans la boîte à eau 20 par la tubulure 38 et circule à l'intérieur de la boîte à eau 20 dans le sens de la flèche F 3, en recouvrant en permanence le collecteur 18 d'une couche de liquide plus ou moins épaisse La boîte à eau 20 s'étend sur une hauteur suffisante pour constituer en même temps un vase d'expansion destiné à maintenir un certain volume d'air ou de gaz au-dessus du liquide, c'est-à-dire au sommet des chambres 581 à 587 La boîte à eau 20 permet également de dégazer le liquide circulant dans l'échangeur de chaleur en rassemblant les bulles de gaz ou d'air au sommet des chambres précitées Les ouvertures 601 à 606 permettent au liquide de circuler librement entre les chambres 581 à 587- Du fait que ces ouvertures sont axialement et alternativement décalées et de sections décroissantes, le débit de liquide est réparti dans les tubes 14 du faisceau avec le minimum de pertes de charge. Dans la forme de réalisation des figures 9 à 14, auxquelles on se réfère maintenant, la boîte à eau comporte également six cloisons 641 à 646 qui se rattachent à la paroi de fond 26 et qui s'étendent jusqu'à un bord inférieur 661 à 666 L'espace compris entre le bord inférieur et la face ouverte de la boîte à eau va également en décroissant depuis la cloison 641 située proche de la paroi 28 jusqu'à la cloison 646 située proche de la paroi 30. Les cloisons comportent des ouvertures respectives 68, à 686 délimitées respectivement par des bords en U 701 à 706 Ces bords en U se raccordent respectivement aux bords d'extrémités 661 à 666- Dans cette forme de réalisation, les ouvertures 681 à 686 sont alignées axialement par rapport au plan médian P déjà cité. De plus, les cloisons 641 à 646 comportent des orifices de passage respectifs 721 à 726 formés dans une région opposée de la boîte à eau par rapport à la face ouverte 32, c'est-à-dire près du fond en U de la paroi 26 Ces orifices 721 à 726 ont une forme circulaire et permettent aux gaz de communiquer entre les chambres 581 à 587 déjà mentionnées. Dans les différentes formes de réalisation précitées, le débit du liquide circulant dans la boîte à eau 20 est réparti dans les tubes du faisceau avec le minimum de pertes de charge La boîte à eau fait en même temps office de vase d'expansion et permet de séparer les bulles de gaz et de les rassembler au sommet de la boîte à eau Par cet effet de dégazage, on évite la formation de bulles gazeuses qui pourraient se former sur la culasse du moteur et provoquer l'apparition de points chauds. La boîte à eau de l'invention peut être réalisée de façon particulièrement simple par moulage d'une seule pièce à partir d'une matière plastique appropriée. Pour le reste, le montage de la boîte à eau sur un corps d'échangeur de chaleur, tel qu'un faisceau de tubes, s'effectue d'une manière classique. Revendications 1 Boîte à eau à vase d'expansion intégré, pour échangeur de chaleur, en particulier de véhicule automobile, comportant une face ouverte allongée ( 32) propre à être assemblée au-dessus d'un collecteur ( 18) placé en position sensiblement horizontale, de manière à permettre à un liquide de circuler dans la boîte à eau entre une première extrémité ( 28) et une seconde extrémité ( 30) de celle-ci, en recouvrant le collecteur, caractérisée en ce qu'elle comprend une multiplicité de cloisons transversales ( 541 à 546; 641 à 646) formées d'une seule pièce avec la boîte à eau, disposées espacées entre la première extrémité ( 28) et la seconde extrémité ( 30) et s'étendant chacune jusqu'à un bord d'extrémité ( 561 à 566; 661 à 66)6 situé proche de la face ouverte ( 32), lesdites cloisons étant munies d'ouvertures respectives ( 601 à 606; 681 à 686) ayant des sections de passage décroissantes depuis la première extrémité ( 28) jusqu'à la seconde extrémité ( 30). 2 Boîte à eau selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'ouverture ( 601 à 606; 681 à 686) de chaque cloison débouche sur le bord d'extrémité correspondant ( 561 à 566; 661 à 666). 3 Boîte à eau selon l'une des revendications 1 et 2, caractéri- sée en ce que l'ouverture ( 601 à 606; 681 à 686) de chaque cloison est délimitée par un bord en U ( 621 à 626; 701 à 706) qui se raccorde au bord d'extrémité ( 561 à 566; 661 à 666) de la cloison. 4 Boîte à eau selon l'une des revendications 1 à 3, caractéri- sée en ce que les bords d'extrémité ( 561 à 566; 661 à 666) des cloisons ( 541 à 546; 641 à 646) sont séparées de la face ouverte ( 32) de la boîte à eau par des espaces respectifs (hl à h 6) qui sont décroissants depuis la cloison ( 541; 641) située proche de la première extrémité ( 28) jusqu'à la cloison ( 546; 646) située proche de la seconde extrémité ( 30). il Boîte à eau selon l'une des revendications 1 à 4, caractéri- sée en ce que les ouvertures ( 601 à 606) des cloisons ( 511 à 546) sont alternativement décalées par rapport à un plan médian (P) qui s'étend entre la première extrémité ( 28) et la seconde extrémité ( 30) et perpendiculairement à la face ouverte ( 32). 6 Boîte à eau selon l'une des revendications 1 à 4, caracté- risée en ce que les ouvertures ( 68, à 686) des cloisons ( 641 à 646) sont alignées axialement par rapport à un plan médian (P) qui s'étend entre la première extrémité ( 28) et la seconde extrémité ( 30) et perpendiculairement à la face ouverte ( 32). 7 Boîte à eau selon l'une des revendications 1 à 6, caractéri- sée en ce que chacune des cloisons ( 641 à 646) comporte de plus un orifice de passage ( 721 à 726) situé dans une région éloignée de la face ouverte ( 32) de la boîte à eau. 8 Boîte à eau selon l'une des revendications 1 à 7, caractéri- sée en ce qu'elle est réalisée d'une seule pièce par moulage d'une matière plastique. 9 Echangeur de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend une boîte à eau ( 20) selon l'une des revendications 1 à 8, dont la face ouverte ( 32) est montée sur un collecteur ( 18) recevant à étanchéité les extrémités de tubes ( 14) faisant partie d'un faisceau ( 12) d'échangeurs de chaleur.