Brevet FR2742534A1 — publié le 19970620

L'invention concerne les échangeurs de chaleur, notamment pour véhicule automobile, et plus particulièrement ceux en aluminium brasé ou soudé du type comprenant une boite à fluide, munie d'un talon périphérique, assemblée par sertissage, avec interposition d'un joint d'étanchéité, sur une plaque collectrice munie d'un bord périphérique. Dans certains échangeurs de chaleur connus, la plaque collectrice présente un bord longitudinal qui délimite par des faces interne, externe et inférieure une gorge périphérique de forme générale en U destinée à recevoir au moins partiellement le talon périphérique de la boîte à fluide, des faces externe et inférieure du talon étant respectivement sensiblement en regard des faces externe et inférieure du bord périphérique. Généralement, des pattes de sertissage font saillie à l'extrémité du bord périphérique de la plaque collectrice, et notamment de ses parties longitudinales. Le fluide contenu dans la boite à fluide exerce une pression très importante sur les parois de ladite boîte, qui tend à faire s'écarter, par fléchissement, les bords latéraux de la bofte, bien que ceux-ci soient maintenus par les pattes de fixation. Cet effet est d'autant plus marqué dans les échangeurs actuels qui comprennent une plaque collectrice et des tubes réalisés en aluminium ou dans un alliage d'aluminium et de manganèse (principalement pour des raisons de ductilité, de coQt et de poids), car ce type d'alliage ne possédant pas de bonnes caractéristiques mécaniques fléchit sous l'effet de pressions élevées, et ne permet pas une pression constante des pattes de fixation sur la surface d'appui, pouvant entraîner des fuites locales au niveau du joint d'étanchéité. Il en résulte, parfois, une désolidarisation de la plaque collectrice, par fléchissement de son bord périphérique, et donc une perte de compression du joint d'étanchéité qui entraîne une fuite plus importante encore. Les solutions proposées par l'homme de l'art pour tenter de résoudre les problèmes du fléchissement induit par le pliage des pattes de fixation et du mauvais contrôle de la compression du joint d'étanchéité ne sont pas satisfaisantes pour des raisons de difficulté de réalisation et donc de coût de fabrication. En conséquence, un but de l'invention est de procurer un échangeur de chaleur qui ne présente pas les inconvénients des dispositifs de la technique antérieure. L'invention propose à cet effet un échangeur de chaleur du type décrit en introduction, dans lequel on prévoit une ceinture métallique, logée à l'intérieur de la gorge en U, de forme sensiblement homologue à une partie au moins des faces externe et inférieure du bord périphérique de la plaque collectrice et destinée à être rendue solidaire desdites parties, par brasage ou soudage. La ceinture logée à l'intérieur de la gorge en U contre les faces externe et inférieure du bord périphérique de la plaque collectrice permet de renforcer la résistance au fléchissement de ce bord périphérique. Selon une autre caractéristique de l'invention, la face externe du bord périphérique de la plaque collectrice comprend au moins un premier moyen à coopération de forme, et la partie de la ceinture qui s'étend sur la face externe du bord périphérique comprend au moins un second moyen à coopération de forme homologue au premier moyen à coopération de forme afin de coopérer avec celui-ci. La ceinture peut ainsi être immobilisée par rapport au bord périphérique avant le brasage ou le soudage. Préférentiellement, les premier et second moyens à coopération de forme sont respectivement une saillie et une ouverture. Par ailleurs, il est également préférable que la ceinture s'étende sur l'ensemble de la face externe du bord périphérique de la plaque collectrice. Dans ce cas, il est avantageux que la saillie et l'ouverture soient respectivement comprises dans des parties terminales de la face externe du bord périphérique de la plaque collectrice et de la ceinture, car cela facilite l'assemblage. Dans un premier mode de réalisation, la partie terminale de la ceinture est prolongée par des pattes de sertissage destinées à s'appuyer sur la face supérieure d'appui du talon périphérique pour l'immobiliser relativement à la plaque collectrice, lesdites pattes de sertissage étant réparties au moins sur des côtés longitudinaux de la ceinture. Dans ce cas, il est préférable que la ceinture présente une épaisseur sensiblement identique à l'épaisseur du bord périphérique de la plaque collectrice, de sorte que les pattes de sertissage ne cèdent pas sous la pression exercée par le fluide à l'intérieur de l'échangeur. Dans un second mode de réalisation, la partie terminale de la face externe du bord périphérique de la plaque collectrice est prolongée par des pattes de sertissage destinées à s'appuyer sur la face supérieure d'appui du talon périphérique pour l'immobiliser relativement à la plaque collectrice, lesdites pattes de sertissage étant réparties au moins sur des côtés longitudinaux du bord périphérique. Dans ce cas, étant donné que c'est le bord périphérique qui porte les pattes de sertissage, il n'est pas utile que la ceinture présente une épaisseur sensiblement égale à celle du bord périphérique de la plaque collectrice. Il est même préférable que cette épaisseur soit sensiblement inférieure. Par ailleurs, il est particulièrement avantageux que la ceinture soit réalisée en deux parties complémentaires symétriques s'étendant chacune sur une moitié du pourtour du bord périphérique, et de préférence une demi-partie "longitudinale" dudit bord. Bien entendu, d'autres modes de réalisation peuvent être envisagés, comme celui dans lequel la ceinture est réalisée sous la forme de deux demi-parties transversales". On entend par demi-partie longitudinale, par opposition à une demi-partie transversale, la partie qui ceinture l'ensemble d'un côté longitudinal et une moitié de chaque côté transversal. La ceinture selon l'invention peut donc être réalisée simplement à partir de demi-plaques métalliques que l'on découpe afin de réaliser les moyens de sertissage et les seconds moyens de fixation à coopération de forme, puis que l'on conforme selon les dimensions de l'échangeur. Le matériau utilisé pour cette ceinture pourra être identique ou non à celui de la plaque collectrice. Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 illustre, en coupe transversale, l'assemblage entre la boîte à fluide et la plaque collectrice d'une partie supérieure ou inférieure d'un échangeur de chaleur selon l'invention, dans un premier mode de réalisation; et - la figure 2 illustre, en coupe transversale, l'assemblage entre la boite à fluide et la plaque collectrice d'un échangeur de chaleur selon l'invention, dans un second mode de réalisation. On se réfère tout d'abord à la figure 1 pour décrire l'invention proposée. La partie supérieure (ou inférieure) d'un échangeur de chaleur (vue en coupe transversale) comprend une boîte à fluide 1, généralement en matière plastique rigide, une plaque collectrice 2 métallique et des tubes 3 métalliques formant faisceau de tubes. Dans la description qui suit, on considère que le fluide qui circule dans l'échangeur est de l'eau. Par conséquent, on appellera la boite à fluide : boîte à eau. Mais, il est clair que l'invention s'applique également aux échangeurs fonctionnant par exemple avec de l'huile ou avec un gaz. Les tubes 3 sont réalisés en aluminium, ou dans un alliage assez ductile comprenant de l'aluminium. La plaque collectrice est réalisée de préférence dans un alliage d'aluminium et de manganèse appartenant à la série dite "3000". La boîte à eau 1 comprend une paroi 4 conformée destinée à recevoir l'eau. Cette paroi 4 comprend sur sa périphérie un talon périphérique 5 formant bourrelet, comportant une face supérieure d'appui 6, une face interne 7, une face externe 8 et une face inférieure 9. Dans toute la description, les références à l'orientation des éléments sont données relativement à la figure 1. Il est clair que le retournement de la boîte à eau de la figure 1 placerait un élément qualifié d'inférieur dans une position qualifiée de supérieure. La plaque collectrice 2 comprend une partie centrale munie d'ouvertures autorisant le passage des extrémités de tubes 3, et de part et d'autre de cette partie centrale, un bord périphérique 10 conformé avant assemblage de l'échangeur. Ce bord périphérique 10 comprend une face interne 11 prolongeant sensiblement perpendiculairement la partie centrale, une face inférieure 12 prolongeant la face interne 11 de façon sensiblement perpendiculaire, de sorte que cette face inférieure soit sensiblement parallèle à la partie centrale, et une face externe 13 prolongeant la face inférieure 12 de façon sensiblement perpendiculaire, de sorte que cette face soit sensiblement parallèle et en regard de la face interne 11. Les faces interne, externe et inférieure du bord périphérique 10 délimitent ainsi une gorge périphérique de forme générale en U qui s'étend sur toute la périphérie de la plaque collectrice 2 et destinée à recevoir au moins partiellement le talon périphérique 5 de la boîte à eau 1. La gorge périphérique présente une section transversale de forme sensiblement homologue à celle du talon périphérique, mais des dimensions légèrement supérieure s pour autoriser l'interposition, d'une part, dans le fond de la gorge d'un joint d'étanchéité 14, et d'autre part, entre les faces externes respectives du talon 5 et du bord périphérique 10, d'une ceinture 15 sur laquelle on reviendra plus loin. Ce joint 14 est réalisé dans un matériau déformable et étanche à l'eau, par exemple en élastomère. Il est disposé, par exemple, dans la gorge périphérique en contact des faces inférieure 12 et interne 11 du bord périphérique 10. La ceinture métallique 15 est installée dans la gorge en U contre les faces externe 13 et inférieur 12 du bord périphérique 10. De préférence, elle s'étend sur toute la surface de la face externe 13 et au moins sur une partie de la face inférieure 12. Cependant, la ceinture peut être de dimensions plus réduites, pourvu qu'elle ceinture le bord périphérique 5, et notamment sa face externe 13 qui est orientée vers l'intérieur de la gorge en U. La ceinture 15 est réalisée par découpe préalable d'une plaque réalisée dans un matériau ou un alliage métallique de haute résistance mécanique et propre à être brasée sur les faces externe 13 et inférieure 11 du bord périphérique 10. De préférence, le matériau utilisé est un alliage d'aluminium, de magnésium et de silicium de la série dite "6000" à durcissement structural, qui présente des caractéristiques mécaniques plus élevées que les alliages de la série 3000. Ces alliages de la série 6000 ne peuvent pas être utilisés directement pour fabriquer les plaques collectrices, car ils contiennent une trop grande proportion de magnésium qui gêne le brasage des tubes sur les plaques collectrices. La ceinture est ensuite conformée, avant son positionnement, selon la forme de l'échangeur, et plus précisément selon la forme des faces externe et inférieure du bord périphérique de la plaque collectrice. Pour permettre l'immobilisation de la ceinture 15 relativement au bord périphérique 10, lors de l'assemblage et avant brasage, on prévoit en des endroits choisis des moyens de fixation à coopération de forme, d'une part, sur la partie terminale de la face externe 13 du bord périphérique 10, et d'autre part, sur la partie terminale de la ceinture, en regard de la partie terminale de ladite face externe 13. Ainsi, on prévoit sur le bord périphérique 10 une saillie 16 de forme choisie, comme par exemple rectangulaire, et sur la ceinture 15 une ouverture 17 de forme homologue à celle de la saillie 16. Ces moyens de fixation sont réalisés avant assemblage de l'échangeur, lors de l'étape de conformation et découpe. Bien entendu, on peut prévoir une pluralité de saillies et d'ouvertures. De plus, leurs formes respectives et leurs emplacements respectifs peuvent être de toutes sortes, pourvu qu'elles assurent une immobilisation de la ceinture sur le bord périphérique. Par ailleurs, il est clair que lorsque la ceinture possède des dimensions inférieures aux dimensions de la face externe 13, l'emplacement de la saillie peut être prévu ailleurs qu'au niveau de la partie terminale du bord périphérique. Enfin, il bien évident que la saillie peut être prévue sur la ceinture tandis que l'ouverture se trouve sur le bord périphérique. Préférentiellement, la ceinture est réalisée en deux pièces 15a et 15b symétriques, soit par rapport à l'axe longitudinal de l'échangeur, soit par rapport à l'axe transversal perpendiculaire à cet axe longitudinal. Dans le cas "longitudinal", chaque pièce ceinture une moitié du bord périphérique, et notamment l'un de ses côtés longitudinaux et la moitié de chacun de ses côtés transversaux. Dans le cas "transversal", chaque pièce ceinture une moitié du bord périphérique, et notamment l'un de ses côtés transversaux et la moitié de chacun de ses côtés longitudinaux. Dans le premier mode de réalisation illustré sur la figure 1, la partie terminale de la ceinture 15 est prolongée par des pattes de sertissage, référencées 18 avant pliage et 18' après pliage, réalisées par découpe préalable de la plaque collectrice 2. Ces pattes de sertissage 18 sont destinées à être repliées, vers l'intérieur, suivant un axe sensiblement parallèle à un côté longitudinal de l'échangeur, de sorte qu'elles s'appuient sur la face supérieure d'appui 6 du talon périphériques 5, immobilisant ainsi, sous compression, ledit talon périphérique 5 à l'intérieur de la gorge en U. L'intensité de la compression peut être ajustée en déplaçant la position de l'axe de repliement relativement à la ligne d'intersection entre les pattes de fixation 18 et la face externe 13 du bord périphérique 10. Dans l'exemple illustré, l'axe est confondu avec cette ligne d'intersection entre les pattes de sertissage 18 et la face externe 13. Dans ce mode de réalisation, il est préférable que la ceinture 15 présente une épaisseur sensiblement identique à l'épaisseur du bord périphérique 10 de la plaque collectrice 2, car les contraintes que doivent supporter les pattes de sertissage 18 sont relativement importantes. La ceinture assure donc un double rôle. D'une part elle permet de renforcer le bord périphérique contre le fléchissement induit par l'eau sous pression à l'intérieur de la boite à eau 1, et d'autre part, elle immobilise à étanchéité la boite à eau relativement à la plaque collectrice. Par ailleurs, ce mode de réalisation permet de simplifier la fabrication de la plaque collectrice, puisqu'il n'y a plus lieu de prévoir l'étape de découpe des pattes de sertissage, celle-ci étant simplement effectuée lors de la fabrication de la ceinture. On se réfère maintenant à la figure 2 pour illustrer un second mode de réalisation de l'invention. Ce mode reprend intégralement les éléments décrits précédemment, mais contrairement au premier mode c'est désormais le bord périphérique 10 qui est prolongé en sa partie terminale par des pattes de sertissage 18. Par ailleurs, étant donné que les pattes de sertissage ne font plus partie de la ceinture 15, celle-ci n'a plus besoin d'être aussi épaisse que ne l'est le bord périphérique 10 au niveau de la face externe 13. La ceinture n'a plus qu'un rôle de renforcement du bord périphérique contre le fléchissement induit par l'eau sous pression à l'intérieur de la boîte à eau 1, puisque l'immobilisation de la boîte à eau relativement à la plaque collectrice est désormais assurée par le bord périphérique de ladite plaque collectrice. L'assemblage d'un échangeur selon l'invention est le suivant. Dans un premier temps, on positionne le faisceau de tubes 3 dans les ouvertures des plaques collectrices conformées 2 des parties supérieure et inférieure de l'échangeur. Puis, dans un second temps, on immobilise la ceinture 15 contre les faces externe 13 et inférieure 12 du bord périphérique 10, et cela pour chaque boîte à eau, en faisant coopérer la ou les saillie(s) avec la ou les ouverture(s). Ensuite, dans un troisième temps, on place l'assemblage ainsi constitué dans un four de brasage afin de solidariser, sous atmosphère inerte, à l'aide d'un flux de fluoaluminates de potassium, par exemple, les éléments en contact. Dans un quatrième temps, on place les joints d'étanchéité 14 dans les gorges en U respectives des parties supérieure et inférieure de l'échangeur, et on positionne chaque boîte à eau dans la gorge en U correspondante. Enfin, dans un cinquième temps, on replie vers l'intérieur, suivant un axe sensiblement parallèle à un côté longitudinal, l'ensemble des pattes de sertissage 18, jusqu'à ce qu'elles pressent la face supérieure 6 du talon périphérique 5 de chaque boîte à eau 1 contre le bord périphérique 10 de la plaque collectrice 2, comprimant ainsi les joints d'étanchéité 14, tout en immobilisant ledit talon périphérique 5 à l'intérieur de la gorge périphérique. Les faces externe 8, interne 7 et inférieure 9 du talon périphérique 5 se trouvent alors respectivement en regard des faces externe 13, interne 11 et inférieure 12 du bord périphérique 10 de la plaque collectrice 2. L'intensité de la compression peut être ajustée en déplaçant la position de l'axe de repliement relativement à la ligne d'intersection entre les pattes de fixation 18 et la partie terminale de la ceinture 15 ou du bord périphérique selon le mode de réalisation choisi. Afin d'obtenir une bonne répartition de la pression sur l'ensemble des joints, il est préférable de prévoir une distribution régulière des pattes de sertissage sur toute la longueur des côtés longitudinaux de l'échangeur. Bien entendu, lorsque l'on prévoit de fortes pressions dans l'échangeur, il peut être également utile de réaliser des pattes de sertissage sur les côtés transversaux. L'invention ne se limite pas aux deux modes de réalisation décrits ci-avant, mais en embrasse toutes les variantes que pourra développer l'homme de l'art dans le cadre des revendications ci-après. Revendications 1.- Echangeur de chaleur, notamment pour véhicule automobile, du type comprenant une boîte à fluide (1) munie d'un talon périphérique (5) comportant une face supérieure d'appui (6) et des faces inférieure (9), interne (7) et externe (8), ainsi qu'une plaque collectrice (2) présentant un bord périphérique (10) délimitant par des faces interne (11), externe (13) et inférieure (12) une gorge périphérique de forme générale en U destinée à recevoir au moins partiellement le talon périphérique (5) avec interposition d'un joint d'étanchéité (14), lesdites faces externe (8) et inférieure (9) du talon étant respectivement sensiblement en regard des faces externe (13) et inférieure (12) dudit bord périphérique (10), caractérisé en ce qu'il comprend une ceinture métallique (15), logée à l'intérieur de la gorge en U, de forme sensiblement homologue à une partie au moins des faces externe (13) et inférieure (12) du bord périphérique (10) de la plaque collectrice (2) et destinée à être rendue solidaire desdites parties, par brasage ou soudage, ce qui permet de renforcer la résistance au fléchissement dudit bord périphérique. 2.- Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face externe (13) du bord périphérique (10) de la plaque collectrice (2) comprend au moins un premier moyen à coopération de forme (16), et en ce que la partie de la ceinture (15) qui s'étend sur ladite face externe (13) dudit bord périphérique comprend au moins un second moyen à coopération de forme (17) sensiblement homologue au premier moyen à coopération de forme (16) afin de coopérer avec celui-ci de sorte que la ceinture puisse être immobilisée relativement au bord périphérique avant brasage ou soudage. 3.- Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la ceinture (15) s'étend sur l'ensemble de la face externe (13) du bord périphérique (10) de la plaque collectrice (2). 4.- Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les premier (16) et second moyens (17) à coopération de forme sont respectivement compris dans des parties terminales de la face externe (13) du bord périphérique (10) de la plaque collectrice (2) et de la ceinture (15). 5.- Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les premier (16) et second moyens (17) à coopération de forme sont respectivement une saillie et une ouverture. 6.- Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la partie terminale de la ceinture (15) est prolongée par des pattes de sertissage (18,18') destinées à s'appuyer sur la face supérieure d'appui (6) du talon périphérique (5) pour l'immobiliser relativement à la plaque collectrice (2), lesdites pattes de sertissage étant réparties au moins sur des côtés longitudinaux de la ceinture (15). 7.- Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la ceinture (15) présente une épaisseur sensiblement identique à l'épaisseur du bord périphérique (10) de la plaque collectrice (2). 8.- Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la partie terminale de la face externe (13) du bord périphérique (10) de la plaque collectrice (2) est prolongée par des pattes de sertissage (18,18') destinées à s'appuyer sur la face supérieure d'appui (6) du talon périphérique (5) pour l'immobiliser relativement à la plaque collectrice (2), lesdites pattes de sertissage étant réparties au moins sur des côtés longitudinaux du bord périphérique (10). 9.- Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5 et 8, caractérisé en ce que la ceinture (15) présente une épaisseur sensiblement inférieure à l'épaisseur du bord périphérique (10) de la plaque collectrice (2). 10.- Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la ceinture (15) est réalisée en deux parties complémentaires symétriques (15a et 15b) s'étendant chacune sur une moitié de l'ensemble du bord périphérique (10). 11.- Echangeur de chaleur selon la revendication 10, caractérisé en ce que chaque partie complémentaire (15a et 15b) s'étend sur une demi-partie longitudinale dudit bord périphérique (10). 12.- Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ceinture (15) est réalisée dans un alliage métallique de haute résistance mécanique, et de préférence, un alliage d'aluminium, de magnésium et de silicium de la série dite "6000" à durcissement structural.