Brevet FR2700610A1 — publié le 19940722

Echangeur de chaleur à faisceau de tubes à ailettes, en particulier pour véhicules automobiles. et procédé pour sa fabrication L'invention concerne un échangeur de chaleur à faisceau de tubes à ailettes, destiné en particulier aux véhicules automobiles, ainsi qu'un procédé pour sa fabrication. Elle concerne plus précisément un échangeur de chaleur du type comprenant un faisceau de tubes disposés suivant au moins une rangée et possédant chacun un corps traversant un paquet d'ailettes et une extrémité reçue dans une plaque collectrice, et dans lequel les extrémités respectives d'au moins deux tubes adjacents sont transformées pour présenter un entraxe terminal différent d'un entraxe central présenté par leurs corps respectifs. Un échangeur de chaleur de ce type est connu d'après la Demande de brevet français No 91 03412 au nom de la Demanderesse. Du fait que deux tubes adjacents ont un entraxe terminal et un entraxe central de valeurs différentes, les extrémités respectives de ces deux tubes se trouvent désaxées ou décalées par rapport aux corps des tubes, ce qui élargit les possibilités de réalisation et améliore les performances thermiques des échangeurs de chaleur de ce type. Dans cet échangeur de chaleur connu, l'entraxe terminal de deux tubes adjacents peut être, soit supérieur, soit inférieur à leur entraxe central et ces deux tubes peuvent appartenir, soit à deux rangées adjacentes du faisceau, soit à une même rangée, selon le but recherché. Pour fabriquer un échangeur de chaleur du type précité, on monte tout d'abord un faisceau de tubes à ailettes, on transforme ensuite les extrémités des tubes du faisceau, situées d'un même côté de ce faisceau, au moyen d'un outil approprié, et on assemble ensuite les extrémités ainsi transformées sur une plaque collectrice. Cet assemblage des tubes avec la plaque collectrice s'effectue par des techniques en elles-mêmes connues, par exemple par un joint d'étanchéité, ou encore par brasage, collage, dudgeonnage, etc. Cette opération de transformation a pour fonction de provoquer un désaxage de l'extrémité du tube par rapport au corps du tube et généralement aussi une transformation de la section transversale du tube. Ainsi, le corps du tube peut avoir une section transversale de forme allongée, par exemple ovale ou elliptique, et l'extrémité du tube peut être transformée pour avoir une section transversale de forme moins allongée, voire circulaire. En raison de cette transformation, il existe au moins une région du tube dans laquelle les génératrices de celui-ci subissent un déport vers l'extérieur par rapport à la section transversale du corps du tube. Comme cette opération de transformation est effectuée sur les extrémités des tubes du faisceau à ailettes, c'est-à-dire sur le faisceau déjà monté, le déport mentionné précédemment entraîne une réaction des corps des tubes sur les ailettes. Cette réaction se produit sur un nombre plus ou moins grand d'ailettes, correspondant à une longueur axiale plus ou moins grande des tubes, selon la valeur du déport, du pas des ailettes, de la nature des matériaux utilisés, et d'autres paramètres constitutifs de l'échangeur de chaleur. Il en résulte une détérioration du contact des ailettes sur les tubes, d'où une diminution des performances thermiques de l'échangeur de chaleur. L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients mentionnés ci-dessus. C'est en particulier un but de l'invention de procurer un échangeur de chaleur du type mentionné précédemment qui permet d'éviter une réaction des tubes sur les ailettes, lorsque les extrémités des tubes sont transformées préalablement à l'opération d'assemblage avec la plaque collectrice. C'est encore un but de l'invention de procurer un tel échangeur de chaleur qui permet d'éviter la détérioration des ailettes et permet en conséquence de conserver les performances thermiques de l'échangeur de chaleur. C'est encore un but de l'invention de procurer un tel échangeur de chaleur qui peut être fabriqué de façon particulièrement simple et à moindre coût. L'invention propose à cet effet un échangeur de chaleur du type défini en introduction, lequel comprend une plaque d'appui intercalée entre la plaque collectrice et le paquet d'ailettes et possédant des ouvertures de forme et de distribution géométrique choisies pour livrer passage aux tubes et s'opposer aux forces engendrées par les tubes lors de la transformation des extrémités des tubes. Cette plaque d'appui est mise en place sur le faisceau de tubes à ailettes déjà monté, de telle sorte que les extrémités des tubes, situées d'un même côté du faisceau, passent à travers les ouvertures ménagées dans l'épaisseur de la plaque d'appui. Ces ouvertures ont une forme et une distribution géométrique choisies pour permettre, d'une part, de laisser passer les extrémités des tubes avant transformation et, d'autre part, d'encaisser les forces engendrées par les tubes lors de la transformation de leurs extrémités respectives. Lors de l'opération de transformation des extrémités de tubes, cette plaque empêche un déport des tubes, dans la région où les tubes traversent les ailettes, et elle évite ainsi la détérioration du contact des ailettes sur les tubes. De ce fait, les performances thermiques de l'échangeur de chaleur ne sont pas diminuées. Selon une autre caractéristique de l'invention, cette plaque d'appui est formée à partir d'une matière résistante, par exemple métallique ou encore d'une matière plastique. De façon générale, la plaque d'appui comporte autant d'ouvertures de passage que de tubes dans le faisceau, bien que l'on puisse envisager, pour certaines applications, qu'un ou plusieurs tubes passent au travers d'une ouverture de passage commune. Dans une première forme de réalisation de l'invention, les ouvertures comprennent des trous qui entourent chacune complètement un tube. Ces trous sont dimensionnés de manière à permettre le passage de l'extrémité du tube, avant transformation, et à encaisser ensuite les efforts engendrés lors de la transformation. Dans cette première forme de réalisation de l'invention, la plaque d'appui a de préférence sensiblement la même forme et les mêmes dimensions qu'une ailette, c'est-à-dire une forme généralement rectangulaire. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, les ouvertures comprennent des encoches qui entourent chacune partiellement un tube. La plaque d'appui peut alors avoir la forme d'un peigne de dimensions inférieures à celles d'une ailette. Selon une autre caractéristique de l'invention, la plaque d'appui peut assurer d'autres fonctions, par exemple servir de plaque d'étanchéité entre les ailettes et la plaque collectrice. Elle permet ainsi de canaliser le flux d'air qui traverse l'échangeur de chaleur, dans la région du faisceau qui comprend des ailettes. L'invention s'applique en particulier à un échangeur de chaleur du type comprenant deux rangées de tubes et dans lequel deux tubes adjacents appartenant respectivement à ces deux rangées différentes ont un entraxe terminal différent de l'entraxe central, par exemple un entraxe terminal inférieur à l'entraxe central. En ce cas, la plaque d'appui comporte deux rangées d'ouvertures en correspondance des rangées de tubes. Les deux ouvertures adjacentes destinées au passage de deux tubes adjacents ont alors des régions d'appui opposées destinées à encaisser les forces engendrées lors de la transformation des extrémités des tubes. Sous un autre aspect, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur tel que défini précédemment, ce procédé comprenant les opérations suivantes - montage d'un faisceau de tubes à ailettes, - mise en place qu'une plaque d'appui, de sorte que les extrémités des tubes, situées d'un même côté du faisceau, passent au travers des ouvertures de la plaque d'appui, - transformation des extrémités des tubes, de sorte que les ouvertures de la plaque d'appui s'opposent aux forces engendrées par les tubes lors de la transformation des extrémités des tubes, et - assemblage des extrémités transformées des tubes sur une plaque collectrice. L'invention peut s'appliquer à un échangeur de chaleur comportant une seule plaque collectrice située d'un côté du faisceau ou bien deux plaques collectrices situées respectivement des deux côtés 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 partielle en coupe transversale d'un échangeur de chaleur à deux rangées de tubes, muni d'une plaque d'appui selon l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne II-II de la figure 1 montrant partiellement la plaque d'appui avec les tubes avant transformation; et - la figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 2 dans une autre forme de réalisation de la plaque d'appui. L'échangeur de chaleur représenté à la figure 1 comprend un faisceau 10 formé d'une multiplicité de tubes 12, d'axes parallèles, disposés en deux rangées R (figure 2). Chaque tube 12 possède un corps 14 présentant une section transversale S1 non circulaire qui, dans l'exemple, est sensiblement elliptique. Les corps 14 des tubes du faisceau traversent un paquet d'ailettes 16 de forme générale rectangulaire. Le corps 14 de chaque tube est terminé par une extrémité 18 qui a été transformée pour présenter une section transversale S2 de forme non circulaire qui, dans l'exemple, est sensiblement elliptique. Comme on le voit sur la figure 1, la section S2 est moins allongée que la section S1, le grand axe de l'ellipse de la section S2 étant plus court que le grand axe de l'ellipse de la section S1, tandis que le petit axe de la section S2 est plus long que le petit axe de la section S1. Les extrémités 18 des tubes 12 sont transformées non seulement pour modifier la section transversale du tube de la section S1 à la section S2, mais aussi pour désaxer ou décaler les extrémités 18 des deux tubes adjacents par rapport à leurs corps 14. Comme le montre la figure 1, les deux tubes 10 ont deux génératrices respectives G disposées adjacentes qui sont parallèles entre elles dans la région des corps 14 des tubes, se rapprochent ensuite l'une de l'autre pour devenir à nouveau parallèles entre elles dans la région des extrémités 18. Il en résulte que les corps respectifs 14 de deux tubes adjacents 12 appartenant aux deux rangées R sont séparés entre eux par un entraxe central A, tandis que leurs extrémités respectives 18 sont séparées entre elles par un entraxe terminal A' qui est inférieur à A. Les extrémités 18 des tubes 10 sont reçues dans une plaque collectrice 20 qui, dans l'exemple, est une plaque métallique comportant une âme 22 de forme générale rectangulaire dans laquelle est ménagée une seule rangée de trous 24, chacun bordé par un collet 26 tourné du côté des ailettes 16. Chaque trou 24 possède une section transversale de forme allongée pour recevoir les extrémités respectives 18 de deux tubes adjacents 12. L'âme 22 de la plaque collectrice 20 est entourée, sur tout son périmètre, par un bord replié 28 délimitant une gorge périphérique. L'étanchéité entre les extrémités 18 des tubes et les trous 24 de la plaque collectrice est assurée par un joint d'étanchéité 30 qui comprend une âme 32 de forme générale rectangulaire adaptée à la forme de l'âme 22 de la plaque collectrice 20. L'âme 32 possède deux rangées de trous disposées par paires. Chaque paire de trous est entourée par un collet compressible 34 propre à être comprimé entre un trou 24 de la plaque collectrice et les extrémités respectives 18 des deux tubes 12, reçues dans le trou 24. L'âme 32 du joint est bordée, sur tout son périmètre, par un bourrelet 36 susceptible d'être mis en place dans la gorge périphérique délimitée par le bord replié 28 de la plaque collectrice. L'échangeur de chaleur comprend en outre une paroi 38 de boîte à eau comportant une face ouverte de forme générale rectangulaire, limitée par un rebord 40 susceptible d'être introduit dans la gorge de la plaque collectrice 20 en comprimant le bourrelet 36 du joint d'étanchéité, lorsque le bord 28 est replié. Le collet 34 du joint a une section transversale en forme générale de 8 ayant un pont de matière 42 s'étendant entre les deux extrémités 18 adjacentes. L'échangeur de chaleur tel qu'il vient d'être décrit jusqu'à présent est connu de façon générale par la Demande de brevet français No 91 03412 déjà mentionnée. Lors de la fabrication d'un tel échangeur de chaleur, les extrémités 18 des tubes sont transformées par un outil approprié, généralement au moyen d'une mâchoire fixe et de deux mâchoires mobiles, pour non seulement transformer les sections respectives des deux tubes adjacents, mais aussi modifier l'entraxe des tubes, comme indiqué précédemment. Cette transformation provoque un déport des génératrices G précitées et également des génératrices adjacentes, et cela vers l'extérieur par rapport à la section transversale S1 du corps du tube correspondant. Ce déport a naturellement pour tendance d'entraîner une réaction des corps 12 des tubes sur les ailettes et de détériorer le contact des ailettes sur les tubes. Pour éviter cet inconvénient, l'invention propose d'intercaler, entre la plaque collectrice 20 et le paquet d'ailettes 16, une plaque d'appui 44 (figures 1 et 2) possédant des ouvertures 46 de forme et de distribution géométrique choisies pour livrer passage aux tubes 12 et s'opposer ainsi aux forces engendrées par ces tubes lors de la transformation de leurs extrémités respectives 18. La plaque d'appui 44 est formée en une matière douée d'une bonne résistance mécanique, par exemple métallique ou plastique. La plaque 44 a une forme générale rectangulaire ayant sensiblement les mêmes dimensions que celles d'une ailette 16 et elle est limitée par deux bords longitudinaux 48 (figures 1 et 2) et par deux bords transversaux (non visibles sur les figures). Comme on peut le voir sur la figure 2, les orifices 46 sont des trous disposés par paires et alignés suivant les deux rangées R. Chaque ouverture de passage 46 a une forme générale elliptique dont le grand axe est sensiblement égal à celui de la section S1 et dont le petit axe est sensiblement égal à celui de la section S2. Les grands axes respectifs de deux ouvertures adjacentes 46, appartenant à deux rangées différentes, sont alignés et s'étendent perpendiculairement aux bords longitudinaux 48 de la plaque d'appui. Dans la direction de leurs grands axes respectifs, les deux trous adjacents 46 d'une même paire définissent entre eux un intervalle I qui correspond sensiblement à la distance séparant les deux génératrices G dans la région des corps 14 des tubes 12. Les deux trous 46 définissent ainsi deux régions d'appui opposées 50 sur lesquelles viennent s'appuyer les corps 14 des tubes 12 dans une région s'étendant à chaque fois de part et d'autre de la génératrice G correspondante. Chaque ouverture 46 permet de livrer passage au corps 14 du tube correspondant, avant déformation. Lorsque l'extrémité 18 du tube est ensuite transformée par un outil approprié, elle est amenée à une section transversale S2 qui peut également être contenue dans le trou 46. En pratique, dans la traversée de la plaque d'appui 44, le tube 12 possède une section transversale qui a une forme intermédiaire entre celle de la section S1 et celle de la section S2. Lors de la transformation précitée, les parties d'appui 50 encaissent les forces exercées par les tubes 12 adjacents et empêchent ainsi une déformation des tubes dans la région où leurs corps respectifs 14 traversent les ailettes 16. De ce fait, le contact des ailettes et des tubes n'est pas détérioré et les performances thermiques de l'échangeur de chaleur ne sont pas affectées. Dans la forme de réalisation de la figure 3, à laquelle on se réfère maintenant, on utilise une plaque d'appui 52 dont la forme correspond sensiblement à celle de la plaque d'appui 44 de la figure 2, dans la région comprise entre les deux rangées R. Comme on le voit sur la figure 3, la plaque 52 a la forme générale d'un peigne limité par deux bords longitudinaux 54 parallèles, dont l'écartement est sensiblement inférieur à l'écartement des deux rangées R. La plaque d'appui 52 ménage deux séries d'ouvertures 56 en forme d'encoches, de sorte que les ouvertures d'une même série débouchent toutes sur un bord longitudinal 54. Les ouvertures 56 ont une forme sensiblement semi-elliptique correspondant approximativement à une demi-ouverture 46 de la figure 2. Les grands axes de deux ouvertures semi-elliptiques 56 adjacentes sont alignés et s'étendent perpendiculairement aux bords longitudinaux 54. Les ouvertures 56 d'une même paire ménagent entre elles un intervalle I identique à celui de la figure 2. Là encore, les ouvertures 56 d'une même paire définissent respectivement deux parties d'appui 58 qui jouent le même rôle que les parties d'appui 50 de la plaque d'appui 44. Comme dans le cas de la figure 2, les parties d'appui 58 constituent en fait les parties actives des ouvertures 56 qui empêchent la détérioration du contact des tubes avec les ailettes lorsque les extrémités des tubes d'une même paire sont rapprochées. On comprendra que la plaque d'appui peut avoir une forme identique ou différente de celle des ailettes du faisceau. Dans certains cas, la plaque d'appui peut avoir des dimensions largement supérieures à celles d'une ailette pour servir à d'autres fonctions, par exemple de cloison pour canaliser le flux d'air dans la région utile du faisceau de tubes à ailettes, c'est-à-dire dans la région où se trouvent les ailettes. Suivant le même principe, on peut réaliser d'autres plaques d'appui susceptibles de s'adapter à des échangeurs de chaleur de structures différentes, par exemple des échangeurs de chaleur à une seule rangée de tubes ou des échangeurs de chaleur à plusieurs rangées de tubes. L'invention s'applique tout particulièrement aux échangeurs de chaleur utilisés dans les véhicules automobiles à moteur à combustion interne pour constituer, soit un radiateur de refroidissement du moteur, soit un radiateur de chauffage de l'habitacle. Revendications 1.- Echangeur de chaleur du type comprenant un faisceau (10) de tubes (12) disposés suivant au moins une rangée (R) et possédant chacun un corps (14) traversant un paquet d'ailettes (16) et une extrémité (18) reçue dans une plaque collectrice (20), et dans lequel les extrémités respectives (18) d'au moins deux tubes adjacents (12) sont transformées pour présenter un entraxe terminal (A') différent d'un entraxe central (A) présenté par leurs corps respectifs (14), caractérisé en ce qu'il comprend une plaque d'appui (44;52) intercalée entre la plaque collectrice (20) et le paquet d'ailettes (16) et possédant des ouvertures (46;56) de forme et de distribution géométrique choisies pour livrer passage aux tubes (12) et s'opposer aux forces engendrées par les tubes lors de la transformation de leurs extrémités (18). 2.- Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaque d'appui (44;52) est formée à partir d'un matériau résistant. 3.- Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la plaque d'appui (44;52) comporte autant d'ouvertures de passage (46;56) que de tubes (12) dans le faisceau. 4.- Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les ouvertures comprennent des trous (46) qui entourent chacun complètement un tube (12). 5.- Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la plaque d'appui (44) a sensiblement la même forme et les mêmes dimensions qu'une ailette (16). 6.- Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les ouvertures comportent des encoches (56) qui entourent chacune partiellement un tube (12). 7.- Echangeur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la plaque d'appui (52) a la forme d'un peigne de dimensions inférieures à celles d'une ailette (14). 8.- Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la plaque d'appui (44;52) sert de plaque d'étanchéité entre les ailettes (14) et la plaque collectrice (20). 9.- Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 8, du type comprenant deux rangées (R) de tubes (12) et dans lequel deux tubes adjacents appartenant respectivement à ces deux rangées ont un entraxe terminal (A') différent de l'entraxe central (A), caractérisé en ce que la plaque d'appui (44;52) comporte deux rangées d'ouvertures (46;56) en correspondance des rangées de tubes et en ce que deux ouvertures adjacentes (46;56) destinées au passage de deux tubes adjacents (12) ont des régions d'appui opposées (50;58). 10.- Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes - montage d'un faisceau (10) formé d'une multiplicité de tubes (12) traversant un paquet d'ailettes (16); - mise en place d'une plaque d'appui (44;52), de sorte que les extrémités (18) des tubes (12), situées d'un même côté du faisceau, passent au travers des ouvertures correspondantes (46;56) de la plaque d'appui; - transformation des extrémités (18) des tubes (12), de sorte que les ouvertures (46;56) de la plaque d'appui s'opposent aux forces engendrées par les tubes (12) lors de la transformation de leurs extrémités (18); et - assemblage des extrémités transformées (18) des tubes (12) avec une plaque collectrice (20).