Brevet FR2746178A1 — publié le 19970919

Echangeur de chaleur à collecteur et faisceau de tubes à ailettes L'invention concerne un échangeur de chaleur, notamment pour véhicules automobiles, comprenant un collecteur et un faisceau de tubes à ailettes. L'échangeur de chaleur de l'invention est de type comprenant un collecteur muni de trous ainsi qu'au moins une rangée de tubes traversant un paquet d'ailettes pour former un faisceau, les extrémités des tubes étant reçues chacune dans un trou du collecteur avec interposition d'un joint d'étanchéité formant un bourrelet annulaire dirigé vers le paquet d'ailettes. Dans les échangeurs de chaleur connus de ce type, le collecteur comporte habituellement un fond dans lequel sont ménagés les trous de réception des extrémités des tubes, ainsi qu'une gorge périphérique propre à recevoir un talon d'une boîte à fluide, par exemple d'une boîte à eau. L'étanchéité entre les extrémités des tubes et les bords des trous du collecteur est généralement assurée par une feuille en élastomère ou matière analogue qui recouvre une face du collecteur et présente des collets engagés dans les trous du collecteur, entre les extrémités des tubes et les bords de ces trous, pour former les bourrelets annulaires précités. Cette feuille d'élastomère sert habituellement aussi à assurer l'étanchéité entre la gorge périphérique du collecteur et le talon de la boîte à fluide. De tels échangeurs de chaleur sont destinés particulièrement à former des radiateurs de refroidissement pour les moteurs thermiques de véhicules automobiles. Ils sont alors parcourus par un fluide de refroidissement, généralement de l'eau additionnée d'un anti-gel, qui circule en circuit fermé et qui est refroidi par un flux d'air balayant le faisceau. Lorsqu'un véhicule automobile équipé d'un tel échangeur de chaleur circule dans un milieu agressif, par exemple dans une atmosphère saline, en bord de mer ou sur une route ayant subi une opération de salage en hiver, l'échangeur de chaleur est traversé par un milieu corrosif qui peut conduire à des risques de corrosion des tubes du faisceau, et cela dans une région bien précise des tubes. Comme les ailettes du faisceau comportent des trous bordés par des collets, ces derniers viennent doubler les tubes en assurant ainsi leur protection. Par ailleurs, comme il est généralement difficile d'obtenir une bonne rectitude des ailettes après assemblage du faisceau, du fait que celles-ci sont de faible épaisseur, il faut nécessairement prévoir un jeu entre le paquet d'ailettes et le bourrelet annulaire du joint d'étanchéité. Ce jeu qui se trouve entre l'ailette du faisceau, dite "première ailette", qui est la plus proche du collecteur, est prévu pour ne pas risquer de blesser le bourrelet annulaire du joint d'étanchéité lors de l'assemblage du collecteur. Ainsi, la partie de chaque tube qui se trouve comprise entre la première ailette et le bourrelet du joint d'étanchéité n'est pas protégée extérieurement et peut être sujette à des attaques de corrosion en milieu agressif, notamment sous l'action d'un brouillard salin. I1 peut en résulter un dépôt de sel sur le pourtour du tube et à la jonction du bourrelet annulaire, d'où un risque de corrosion pouvant conduire à une rupture de la paroi du tube. Un autre problème posé par les échangeurs de chaleur du type précité, notamment lorsqu'ils ne comportent qu'une seule rangée de tubes, est celui du maintien du collecteur par rapport au faisceau. En effet, lorsqu'un tel échangeur de chaleur est manipulé avant ou pendant son montage dans un véhicule, ou lorsqu'il a été monté dans le véhicule, il peut se produire, dans certains circonstances, des mouvements relatifs, en particulier par pivotement ou par torsion, du faisceau par rapport au collecteur. Pour résoudre ce problème, différentes solutions ont été proposées, en particulier dans les documents FR-A-2 690 229 et FR-A-2 690 230. Toutefois, ces solutions connues nécessitent d'apporter des modifications importantes à la structure de l'échangeur de chaleur. L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients précités. Elle propose en conséquence un échangeur de chaleur du type défini précédemment, lequel comprend une plaque de protection solidaire des tubes, disposée entre le collecteur et le paquet d'ailettes et comprenant une multiplicité de trous pour le passage des tubes, et dans lequel chaque trou de la plaque de protection est entouré par un collet qui s'étend en direction du collecteur et vient en contact avec le bourrelet annulaire entourant le tube correspondant. Ainsi, chaque collet de la plaque de protection vient doubler le tube dans la région de celui-ci qui est comprise entre l'extrémité du faisceau, c'est-à-dire entre la première ailette du paquet d'ailettes, et le bourrelet du joint d'étanchéité, ce qui supprime tout risque de corrosion du tube. Selon une autre caractéristique de l'invention, cette plaque de protection comprend une âme servant d'appui à l'ailette du faisceau, dite "première ailette", qui est la plus proche du collecteur. Cette plaque de protection forme ainsi une butée rigide plane pour la première ailette, ce qui permet de maîtriser la distance entre le collecteur (dont les trous sont généralement entourés par des collets) et les collets de la plaque de protection, ce qui évite ainsi tout risque de pincement du joint d'étanchéité. Selon une autre caractéristique de l'invention, la plaque de protection comporte une âme généralement plane, dans laquelle sont ménagés les trous de passage des tubes, et qui s'étend parallèlement à un fond du collecteur, dans lequel sont ménagés les trous, et parallèlement aux ailettes. Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, l'âme de la plaque de protection comporte des régions marginales venant en appui contre le collecteur. Ainsi, la plaque de protection permet non seulement de supprimer les risques de corrosion mentionnés précédemment, mais aussi de s'opposer aux mouvements relatifs, en particulier par pivotement ou par torsion, du faisceau par rapport au collecteur. Cette caractéristique particulièrement avantageuse, notamment dans le cas des échangeurs de chaleur à une seule rangée de tubes, permet notamment d'empêcher le pivotement du collecteur sous l'effet de contraintes mécaniques transmises par les tubulures des boîtes à fluide. Habituellement, le fond du collecteur est entouré par une gorge périphérique propre à recevoir un talon d'une boîte à fluide. L'invention prévoit, dans une première variante, que la plaque de protection est généralement plane et que les régions marginales prolongeant l'âme viennent en appui sur la gorge périphérique. Cette forme de réalisation convient tout particulièrement aux échangeurs de chaleur du type à une seule rangée de tubes pour empêcher le pivotement du collecteur. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, les régions marginales de la plaque de protection sont pliées sensiblement à angle droit par rapport à l'âme pour venir en appui contre le fond du collecteur. Cette forme de réalisation convient tout particulièrement aux échangeurs de chaleur comportant au moins deux rangées de tubes. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les tubes et la plaque de protection sont formés dans des matières métalliques différentes. Avantageusement, la matière métallique de la plaque de protection présente un potentiel chimique inférieur à celui de la matière métallique des tubes, et cela pour favoriser la corrosion de la plaque de protection, plutôt que celle des tubes. Dans la description qui suit, faite 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 à une seule rangée de tubes, muni d'une plaque de protection selon l'invention - la figure 2 est une vue en coupe partielle selon la ligne II-II de la figure 1 - la figure 3 est un détail à échelle agrandie de la figure 1 ; et - la figure 4 est une vue en coupe partielle d'un échangeur de chaleur à deux rangées de tubes équipés d'une plaque de protection selon l'invention. L'échangeur de chaleur représenté à la figure 1 comprend un faisceau 10 formé d'une rangée de tubes 12 parallèles entre eux et traversant un paquet d'ailettes 14 qui s'étendent parallèlement entre elles et perpendiculairement à la direction des tubes 12. Les tubes 12 sont avantageusement réalisés en aluminium ou en alliage d'aluminium et présentent, dans l'exemple, une section transversale oblongue de forme sensiblement ovale. Les extrémités 16 des tubes sont reçues à étanchéité dans les trous 18 d'un collecteur 20, encore appelé "plaque à tubes" ou "plaque à trous". Les trous 18 sont ménagés dans un fond plat 22 du collecteur 20 et sont bordés chacun par un collet 24 qui s'étend en direction du paquet d'ailettes 14. Le collecteur 20 comporte en outre une gorge périphérique 26 propre à recevoir un talon 28 faisant partie d'une boîte à eau 30 réalisée en matière plastique et comportant au moins une tubulure 32 d'entrée ou de sortie d'un fluide caloporteur destiné à parcourir les tubes 12 du faisceau. Le talon 28 est destiné à être immobilisé par des pattes de sertissage 34 prévues à la périphérie du collecteur 20. L'échangeur de chaleur comprend en outre un joint d'étanchéité 36 comprenant une feuille d'élastomère appliquée sur une face (face interne) du collecteur 20. Cette feuille d'élastomère comporte des collets compressibles 38 (voir détail de la figure 3) destinés à être comprimés chacun entre le tube 12 et le collet 24 correspondant du collecteur 20. Chacun de ces collets 38 forme un bourrelet annulaire 40, non comprimé, qui dépasse du collet 24 du collecteur et fait saillie en direction du paquet d'ailettes. La feuille d'élastomère comporte un bord périphérique 41 destiné à être comprimé par le talon 28 (figure 1). Dans les échangeurs de chaleur connus jusqu'à présent, il est nécessaire de prévoir un jeu J entre le joint d'étanchéité, c'est-à-dire chacun des bourrelets 40, et la première ailette 14-1 qui se trouve la plus proche du collecteur (figure 3). Ce jeu est nécessaire pour ne pas risquer de blesser le joint d'étanchéité lors de l'assemblage du collecteur, comme déjà indiqué précédemment. Conformément à l'invention, l'échangeur de chaleur comprend en outre une plaque de protection 42 (figures 1, 2 et 3) solidaire des tubes 12 et disposée entre le collecteur 20 et le paquet d'ailettes 14. Cette plaque de protection comprend une multiplicité de trous 46 pour le passage des tubes 12. Chaque trou 46 est entouré par un collet 48 (voir notamment la figure 3) qui s'étend en direction du collecteur 20 et vient en contact avec le bourrelet annulaire 40 entourant le tube correspondant. La paroi du tube 12 se trouve ainsi protégée par le collet 48, dans la région comprise entre la première ailette 14-1 et le bourrelet 40 du joint. Il en résulte que la plaque de protection permet de supprimer tout risque de corrosion des tubes entre l'extrémité du faisceau, c'est-à-dire la première ailette 14-1, et chacun des bourrelets d'étanchéité 40. Comme on le voit sur la figure 1, la plaque de protection 42 comporte des régions marginales 50 venant en appui sur la gorge périphérique 26. Habituellement, une telle gorge périphérique a un contour sensiblement rectangulaire. En pareil cas, les régions marginales 50 de la plaque de protection définissent un contour analogue, ce qui contribue à un meilleur appui de la plaque de protection sur tout le pourtour de la gorge périphérique. Ainsi, la plaque de protection 42 joue non seulement un rôle de protection vis-à-vis de la corrosion, notamment d'un brouillard salin, mais aussi de plaque de stabilisation du collecteur 20 par rapport au faisceau. La plaque de protection 42 permet en effet de s'opposer aux mouvements relatifs, en particulier par pivotement ou par torsion, du faisceau par rapport au collecteur, notamment sous l'effet de contraintes mécaniques transmises par la ou les tubulures 32. La plaque de protection 42 est une plaque métallique dont l'épaisseur peut être comprise, par exemple, entre 0,5 et lmm, c'est-à-dire notablement supérieure à l'épaisseur normale d'une ailette (typiquement 0,08mm). En outre, l'épaisseur de la plaque de protection 42 est habituellement inférieure à celle du fond 22 du collecteur 20. La plaque de protection 42 est, dans l'exemple, réalisée en un alliage à base d'aluminium. De façon préférentielle, la matière métallique de la plaque de protection 42 a un potentiel chimique inférieur à celui de la matière métallique des tubes 12. Ainsi, si l'échangeur de chaleur est soumis à un milieu corrosif, par exemple un brouillard salin, la corrosion a tendance à se produire sur cette plaque de protection, plutôt que sur les tubes. On se réfère maintenant à la figure 4 qui montre un échangeur de chaleur comportant deux rangées R1 et R2 de tubes 12 traversant un paquet d'ailettes 14. Dans l'exemple, les tubes sont de sections circulaires. Le collecteur 20 est en conséquence muni de deux rangées de trous 18. Le joint d'étanchéité 36 comporte deux rangées de collets 38 terminés chacun par des bourrelets 40 de forme circulaire. Dans cette forme de réalisation, l'échangeur de chaleur comprend aussi une plaque de protection 52 qui présente une âme plane 54 de forme générale rectangulaire comportant une multiplicité de trous 56 entourés chacun d'un collet 58 s'étendant en direction du collecteur et venant en contact avec le bourrelet annulaire 40 qui entoure le tube correspondant. La plaque de protection 52 comporte des régions marginales 60 repliées sensiblement à angle droit par rapport à l'âme 54 pour venir en appui contre le fond 22 du collecteur. Les régions marginales 60 définissent un contour rectangulaire s'inscrivant dans le contour rectangulaire de la gorge périphérique 26. Dans cette forme de réalisation, la plaque de protection 52 sert avant tout à supprimer les risques de corrosion des tubes entre la première ailette 14-1 et les bourrelets du joint d'étanchéité. En effet, dans un échangeur de chaleur comportant au moins deux rangées de tubes, les risques de mouvements relatifs du faisceau par rapport au collecteur, notamment par torsion, sont réduits et il n'est pas en principe nécessaire que la plaque de protection vienne en appui sur la gorge périphérique du collecteur. On comprendra que la plaque de protection de l'invention sert avant tout à supprimer les risques de corrosion sur des échangeurs de chaleur à une ou plusieurs rangées de tubes. Elle peut servir également à empêcher le pivotement du collecteur spécialement dans les échangeurs de chaleur à une seule rangée de tubes. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites précédemment à titre d'exemple et s'étend à d'autres variantes. L'invention trouve une application préférentielle aux radiateurs de refroidissement de moteurs thermiques, notamment pour véhicules automobiles. Revendications 1. Echangeur de chaleur du type comprenant un collecteur (20) muni de trous (18) ainsi qu'au moins une rangée de tubes (12) traversant un paquet d'ailettes (14) pour former un faisceau (10), les extrémités (16) des tubes étant reçues chacune dans un trou (18) du collecteur avec interposition d'un joint d'étanchéité (36) formant un bourrelet annulaire (40) dirigé vers le paquet d'ailettes, caractérisé en ce qu'il comprend une plaque de protection (42 ; 52) solidaire des tubes (12), disposée entre le collecteur (20) et le paquet d'ailettes (14) et comprenant une multiplicité de trous (46 ; 56) pour le passage des tubes, et en ce que chaque trou (46 ; 56) de la plaque de protection est entouré par un collet (48 ; 58) qui s'étend en direction du collecteur (22) et qui vient en contact avec le bourrelet annulaire (40) entourant le tube (12) correspondant. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaque de protection (42 ; 52) comprend une âme (44 ; 54) servant d'appui à l'ailette (14-1) du faisceau, dite "première ailette", qui est la plus proche du collecteur (20). 3. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la plaque de protection (42 ; 52) comporte une âme généralement plane (44 ; 54), dans laquelle sont ménagés les trous de passage (46), qui s'étend parallèlement à un fond (22) du collecteur, dans lequel sont ménagés les trous (18), et parallèlement aux ailettes (14). 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'âme (44 ; 54) de la plaque de protection (42 ; 52) comporte des régions marginales (50 ; 60) venant en appui contre le collecteur. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 4, dans lequel le fond (22) du collecteur 20 est entouré par une gorge périphérique (26) propre à recevoir un talon (28) d'une boîte à fluide (30), caractérisé en ce que la plaque de protection (42) est généralement plane et en ce que les régions marginales (50) prolongent l'âme (44) et viennent en appui sur la gorge périphérique (26). 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend une seule rangée de tubes (12) et en ce que la plaque de protection (42) s'oppose en outre aux mouvements relatifs du faisceau (10) par rapport au collecteur (20). 7. Echangeur de chaleur selon la revendication 5, dans lequel le fond (22) du collecteur (20) est entouré par une gorge périphérique (26) propre à recevoir un talon (28) d'une boîte à fluide (30), caractérisé en ce que les régions marginales (60) de la plaque de protection (52) sont repliées sensiblement à angle droit par rapport à l'âme (54) pour venir en appui contre le fond (22) du collecteur (20). 8. Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux rangées (R1, R2) de tubes (12). 9. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les tubes (12) et la plaque de protection (42 ; 52) sont formés de matières métalliques différentes. 10. Echangeur de chaleur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la matière métallique de la plaque de protection (42 ; 52) a un potentiel chimique inférieur à celui de la matière métallique des tubes (12).