Brevet FR2690515A1 — publié le 19931029

Echangeur de chaleur à tubes de section oblongue, en particulier pour véhicules automobiles L'invention concerne un échangeur de chaleur du type comprenant une multiplicité de tubes de section oblongue qui comportent des tronçons d'extrémité engagés dans des trous correspondants, ménagés dans une plaque collectrice, avec interposition d'un joint d'étanchéité dont une portion est, à chaque fois, comprimée entre le tronçon d'extrémité et une surface du trou correspondant. De tels échangeurs de chaleur sont utilisés notamment en tant que radiateurs pour le refroidissement des moteurs de véhicules automobiles. La section oblongue des tubes peut s'éloigner plus ou moins de la forme d'un cercle et présenter par exemple une forme ovale, elliptique ou encore aplatie avec deux côtés longs opposés et deux côtés courts opposés Les côtés longs peuvent être rectilignes ou incurvés et les côtés courts sont incurvés. Ces tubes de section oblongue sont disposés de telle sorte que la plus grande dimension de leur section s'étende dans une direction sensiblement parallèle à la direction d'écoulement de l'air au travers du faisceau. On peut ainsi réaliser des échangeurs de chaleur qui possèdent à la fois un meilleur rendement et un plus faible encombrement que les échangeurs de chaleur à tubes de section circulaire. Dans les échangeurs de chaleur du type précité, que l'on appelle aussi "échangeurs de chaleur à assemblage mécanique", la qualité de l'étanchéité au niveau de la liaison entre le tronçon d'extrémité du tube et la plaque collectrice dépend principale- ment de la résistance de ce tronçon d'extrémité sous l'effet de la réaction mécanique de la portion de joint qui l'entoure. Or, cette résistance est liée principalement à la rigidité du tronçon d'extrémité et dépend notamment de la forme de la section de ce tronçon. En effet, plus la forme de cette section s'approche de la forme circulaire, plus la rigidité du tronçon d'extrémité s'accroît. Inversement, plus la forme de cette section s'éloigne de la forme circulaire pour s'approcher d'un profil aplati, plus la rigidité du tronçon d'extrémité décroît Cet affaiblissement de rigidité se produit dans les régions de la section qui se situent dans la direction de la plus grande dimension, c'est-à- dire dans celle des côtés longs Ceci constitue un inconvénient d'autant plus sérieux que la tendance actuelle s'oriente vers l'utilisation de tubes de section oblongue, de configuration très aplatie. Pour éviter cet inconvénient, différentes solutions ont déjà été proposées pour renforcer la résistance des tronçons d'extrémité de tubes de section oblongue, comme enseigné par exemple par le document FR-A-2 406 794. Ce document propose notamment que les côtés longs de la section soient surépaissis par rapport aux côtés courts, ce qui oblige à extruder des tubes particuliers d'épaisseur non constante Ce document propose aussi d'introduire, dans les tronçons d'extré- mité des tubes, des profilés particuliers destinés à empêcher la déformation du tronçon d'extrémité. Cette solution n'est pas satisfaisante car elle nécessite une opération supplémentaire de montage et elle gêne l'écoulement du fluide s'écoulant dans les tubes. Par ailleurs, on a proposé, comme enseigné par le document FR-A-2 570 814, d'aménager un bourrelet périphérique sur le tronçon d'extrémité d'un tube de section circulaire, et cela pour servir de butée lors de l'introduction de ce tronçon d'extrémité dans un trou correspondant d'une plaque collectrice. On peut ainsi donner un écartement déterminé aux deux plaques collectrices, donc aux deux boîtes collectrices, d'un échangeur de chaleur. L'invention a notamment pour but de proposer un échangeur de chaleur du type défini précédemment, dans lequel les tronçons d'extrémité des tubes peuvent être renforcés d'une manière particulièrement simple, sans nécessiter d'opérations de montage compliquées et sans perturber l'écoulement du fluide au travers des tubes de l'échangeur. L'invention a encore pour but de proposer un tel échangeur de chaleur, dans lequel les tronçons d'extrémité des tubes de section oblongue peuvent être renforcés d'une façon particuliè- rement efficace, quelle que soit la forme de la section oblongue et notamment lorsque cette dernière est très allongée et aplatie. Elle propose, à cet effet, un échangeur de chaleur du type défini en introduction, dans lequel chaque tronçon d'extrémité possède une paroi renforcée par un bourrelet de la paroi qui est situé à distance d'un bord libre du tronçon d'extrémité. Ce bourrelet périphérique permet de rigidifier la paroi du tronçon d'extrémité et d'empêcher ainsi sa déformation sous l'effet de la réaction mécanique de la portion de joint qui l'entoure. Ce bourrelet périphérique, qui est prévu sur un tronçon d'extrémité de section oblongue et non pas sur un tronçon d'extrémité de section circulaire comme dans la technique antérieure, accomplit une fonction nouvelle et différente, à savoir une fonction de renforcement, qui n'est pas présente dans le cas des tubes possédant des tronçons d'extrémité de section circulaire. Dans une forme de réalisation de l'invention, le bord libre s'étend dans le prolongement de la section oblongue et le tronçon d'extrémité est déformé par expansion radiale pour assurer une compression radiale de la portion du joint d'étan- chéité qui est comprise entre le tronçon d'extrémité et la surface du trou correspondant. Dans cette forme de réalisation, la surface du trou est avantageusement délimitée par un collet dépendant de la plaque collectrice et l'expansion radiale du tronçon d'extrémité est effectuée sur une longueur au moins égale à la longueur du collet. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, le bord libre du tronçon d'extrémité est déformé au moins partiellement pour former un évasement Cet évasement peut être réalisé sur toute la périphérie du tube ou être seulement localisé Il en résulte que la portion du joint d'étanchéité qui assure l'étanchéité se situe dans l'espace annulaire compris entre, d'une part, le bourrelet et l'évasement et, d'autre part, le tronçon d'extrémité et la surface du trou. Dans cette forme de réalisation, la portion du joint peut subir soit une compression radiale entre le tronçon d'extrémité et la surface du trou, soit une compression axiale entre le bourrelet et l'évasement, soit encore une compression radiale et une compression axiale simultanées. Dans cette seconde forme de réalisation de l'invention, la surface du trou est avantageusement délimitée par un collet dépendant de la plaque collectrice et la portion du joint d'étanchéité a une forme tubulaire, laquelle est comprimée dans l'espace annulaire délimité axialement par le bourrelet et l'évasement et radialement par la surface du trou et par le tronçon d'extrémité du tube. Dans les différentes formes de réalisation précitées, le bourrelet s'étend avantageusement sur toute la périphérie du tronçon tubulaire Toutefois, ce bourrelet peut s'étendre en partie sur la périphérie du tronçon tubulaire. Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère au dessin annexé, sur lequel: la figure 1 est une vue en coupe partielle d'un échangeur de chaleur faisant ressortir l'assemblage d'un tronçon d'extrémité d'un tube avec une plaque collectrice; la figure 2 est une vue d'extrémité montrant la forme oblongue du tronçon d'extrémité du tube de la figure 1; et les figures 3, 4 et 5 sont des vues analogues à celle de la figure 1 et correspondant à d'autres formes de réalisation. On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui montre un tube 10 d'axe X- X faisant partie d'un échangeur de chaleur, notamment d'un radiateur de refroidissement, et comportant un corps 12 de section oblongue prolongé par un tronçon d'extrémité 14 ayant initialement la même forme oblongue que le corps 12. Comme le montre plus particulièrement la figure 2, la portion d'extrémité 14 a, dans l'exemple, une section de forme générale oblongue, délimitée par deux côtés longs 16, rectilignes et parallèles entre eux, et deux côtés courts 18, de forme semi- circulaire. L'échangeur de chaleur comprend une multiplicité de tubes 12 disposés parallèlement entre eux pour former un faisceau qui communique respectivement avec deux boîtes collectrices opposées (non représentées) Les tubes sont réalisés en un matériau métallique, avantageusement en aluminium ou en alliage d'alumi- nium. Chacun des tronçons d'extrémité 14 est introduit dans un trou 20 ménagé au travers d'une plaque collectrice 22, encore appelée "plaque à trous", faisant partie d'une des boîtes collectrices. Chaque plaque collectrice 22 comporte ainsi une multiplicité de trous 20 disposés suivant une configuration géométrique déterminée correspondant à la configuration des tubes, et cela d'une manière bien connue Chacune des plaques collectrices 22 est, dans l'exemple, réalisée en un matériau métallique, mais pourrait aussi être obtenue par moulage d'une matière plastique. La plaque 22 est délimitée par deux faces opposées 24 et 26 et chacun des trous 20 est bordé par un collet tubulaire 28 qui fait saillie par rapport à la face 26 Ce collet 28 délimite intérieurement une surface 30, de section oblongue, de forme homologue, mais plus grande, que la section oblongue du tronçon d'extrémité 14. Pour assurer l'étanchéité entre la plaque collectrice 22 et les tronçons tubulaires respectifs 14 des tubes 12 du faisceau, on prévoit un joint d'étanchéité 32, par exemple en élastomère, qui a la forme d'une plaque 34 appliquée contre la face 24 de la plaque collectrice 22 Cette plaque 34 comporte une multiplicité de prolongements tubulaires 36 formant chacun une portion de joint assurant l'étanchéité entre le tronçon d'extrémité 14 et la surface 30 qui est située en regard dudit tronçon Un échangeur de chaleur, tel qu'il vient d'être décrit jusqu'à présent, est en lui-même connu. Du fait que chacune des portions 36 se trouve comprimée entre la surface 30 et le tronçon 14 correspondant, il se crée de la part du joint une réaction mécanique tendant à resserrer la section oblongue Cette réaction mécanique agit principalement sur les côtés longs 16 qui ont tendance à se rapprocher l'un vers l'autre. Pour éviter cet inconvénient, l'invention propose de renforcer le tronçon d'extrémité 14 en le munissant d'un bourrelet 38 qui est situé à distance d'un bord libre 40 dudit tronçon, ce bord libre faisant saillie au-delà de la plaque 34 du joint d'étan- chéité. Le bourrelet périphérique 38 est réalisé par flambement de la paroi 42 en formant deux plis annulaires 44 et 46, s'étendant dans des plans perpendiculaires à la direction axiale X-X du tube 12, les plis 44 et 46 étant réunis par un bord périphérique arrondi 48. Le bourrelet 38, qui s'étend sur toute la périphérie du tronçon d'extrémité 14, permet de renforcer cette extrémité, notamment au niveau des côtés longs 16, ce qui empêche leur déformation sous l'effet de la réaction mécanique du joint. Le bourrelet 38, comme visible sur la partie droite de la figure 2, peut s'étendre partiellement sur la périphérie du tronçon d'extrémité 14 En particulier, il peut être prévu que ce bourrelet soit situé uniquement sur les côtés longs 16 avec éventuellement une dimension transversale allant en s'augmentant à partir d'un côté court 18 jusqu'à une zone médiane du côté long 16 pour ensuite décroître de cette zone médiane jusqu'à l'autre côté court 18 La partie gauche de la figure montre le bourrelet 38 dans le cas o il s'étend sur toute la périphérie du tronçon d'extrémité 14. Le bourrelet 38 peut être obtenu par des moyens mécaniques en eux-mêmes connus utilisant des poinçons et des presses. Pour réaliser un échangeur de chaleur tel que représenté à la figure 1, tous les tubes du faisceau subissent une opération de formation d'un bourrelet 38 sur leurs tronçons d'extrémité respectifs 14 Ensuite, les tronçons d'extrémité 14 des tubes sont simultanément introduits dans les trous 30 de la plaque collectrice 22 préalablement munie du joint d'étanchéité 32. Pour assurer l'étanchéité, chacun des tronçons d'extrémité 14 subit ensuite une expansion radiale (flèches F) pour assurer la compression de la portion 36 du joint dans l'espace annulaire compris entre la surface 30 et le tronçon 14 Cette expansion radiale peut être effectuée au moyen d'un poinçon (non représen- té) qui est introduit axialement dans le tronçon 14 Ceci se traduit par une légère expansion de la section oblongue sur une longueur L qui s'étend à partir du bord libre 40 jusqu'à un épaulement 50 situé au-delà du bourrelet 38. Dans la forme de réalisation de la figure 3, à laquelle on se réfère maintenant, le bord libre 40 subit ensuite, après assemblage de l'échangeur, une déformation pour former un évasement 52, dans l'exemple de forme tronconique, sur toute la périphérie du tube ou un évasement localisé, par exemple, sur les côtés longs 16 des tubes. Dans la forme de réalisation de la figure 3, l'étanchéité du joint est assurée seulement par compression radiale du fait de l'expansion subie par le tronçon d'extrémité 14 (flèches F). L'évasement 52 empêche principalement une désolidarisation des tubes du faisceau et de la plaque collectrice. Dans la forme de réalisation de la figure 3, il existe un espace annulaire libre 54 compris entre la portion 36 du joint et le bourrelet 38, aucune compression axiale n'étant ainsi exercée sur le joint. Dans la forme de réalisation de la figure 4, à laquelle on se réfère maintenant, la configuration du tronçon d'extrémité 14 s'apparente à celle du tronçon d'extrémité de la figure 3. Toutefois, la formation de l'évasement 52 contribue à la compression axiale de la portion 36 La portion 36 du joint se trouve ainsi comprimée radialement par expansion radiale du tronçon 14 (flèches F) et axialement par la formation de l'évasement 52 En effet, la portion 36 de configuration tubulaire est comprimée axialement entre le bourrelet 38 d'un côté et l'évasement 52 de l'autre. Dans la forme de réalisation de la figure 5, à laquelle on se réfère maintenant, il est prévu également un évasement 52 Dans ce cas, la portion 36 du joint est comprimée axialement entre le bourrelet 38 et l'évasement 52. Par contre, le tronçon 14 ne subit pas d'expansion radiale comme dans le cas des formes de réalisation décrites précédemment La compression radiale du joint est préalablement effectuée par introduction d'un poinçon puis la portion d'extrémité 14 est introduite dans la portion 36 du joint Ce procédé est décrit dans le Brevet français 2 529 110 de la Demanderesse. L'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites précédemment En particulier, la forme oblongue du tronçon d'extrémité peut être plus ou moins aplatie et affecter la forme d'un ovale, d'une ellipse, d'un tube plat possédant deux grands côtés parallèles, etc. L'invention s'applique notamment aux radiateurs de refroidisse- ment pour moteurs de véhicules automobiles, dans lesquels les tubes du faisceau sont munis d'ailettes et reliés respectivement à deux boîtes collectrices. Revendications 1 Echangeur de chaleur comprenant une multiplicité de tubes ( 12) de section oblongue qui comportent des tronçons d'extrémité ( 14) engagés dans des trous correspondants ( 20) ménagés dans une plaque collectrice ( 22) avec interposition d'un joint d'étan- chéité ( 32) dont une portion ( 36) est à chaque fois comprimée entre le tronçon d'extrémité ( 14) et une surface ( 30) du trou correspondant, caractérisé en ce que chaque tronçon d'extrémité ( 14) possède une paroi ( 42) renforcée par un bourrelet ( 38) situé à distance d'un bord libre ( 40) du tronçon d'extrémité. 2 Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bord libre ( 40) du tronçon d'extrémité ( 14) s'étend dans le prolongement de la section oblongue et en ce que le tronçon d'extrémité ( 14) est déformé par expansion radiale de sa paroi ( 42) pour assurer une compression radiale de la portion ( 36) du joint d'étanchéité ( 32). 3 Echangeur de chaleur selon la revendication 2, dans lequel la surface ( 30) du trou ( 20) est délimitée par un collet ( 28) dépendant de la plaque collectrice ( 22), caractérisé en ce que l'expansion radiale du tronçon d'extrémité ( 14) est effectuée sur une longueur (L) au moins égale à la longueur du collet. 4 Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bord libre ( 40) du tronçon d'extrémité ( 14) est déformé au moins partiellement pour former un évasement ( 52). 5 Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la portion ( 36) du joint subit une compression radiale entre le tronçon d'extrémité ( 14) et la surface ( 30) du trou ( 20). 6 Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la portion ( 36) du joint subit une compression axiale entre le bourrelet ( 38) et l'évasement ( 52). 7 Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la portion ( 36) du joint subit à la fois une compres- sion radiale entre le tronçon d'extrémité ( 14) et la surface ( 30) du trou ( 20) et une compression axiale entre le bourrelet ( 38) et l'évasement ( 52). 8 Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 4 à 7, dans lequel la surface ( 30) du trou ( 20) est délimitée par un collet ( 28) dépendant de la plaque collectrice ( 22) et la portion ( 36) du joint d'étanchéité a la forme d'un tube interposé entre la surface ( 30) du trou ( 20) et la portion d'extrémité ( 14), caractérisé en ce que ladite portion de joint est comprise dans l'espace annulaire délimité axialement par le bourrelet ( 38) et l'évasement ( 52) et radialement par la surface ( 30) du trou ( 20) et le tronçon tubulaire ( 14). 9 Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le bourrelet ( 38) s'étend sur toute la périphérie du tronçon d'extrémité ( 14). Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le bourrelet ( 38) s'étend en partie sur la périphérie du tronçon d'extrémité ( 14). 11 Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 4 à 10, caractérisé en ce que l'évasement ( 52) est un évasement localisé.