Brevet FR2767913A1 — publié le 19990305

L'invention concerne un échangeur de chaleur comprenant deux collecteurs pour un premier fluide, qui sont reliés et communiquent entre eux par des tuyaux plats s'étendant à peu près parallèlement les uns à côte des autres, ainsi que deux pièces latérales s'étendant parallèlement à côté des tuyaux plats respectifs situés le plus à l'extérieur, avec disposition, entre les tuyaux plats voisins et entre les pièces latérales et les tuyaux plats adjacents respectifs, d'ailettes fixées aux tuyaux plats et aux pièces latérales et formant un trajet d'écoulement pour un second fluide. De tels échangeurs sont employés de préférence comme échangeur de chaleur air/liquide de refroidissement dans le circuit de refroidissement d'un véhicule automobile, auquel cas ils sont généralement appelés "radiateur". Un tel échangeur peut être employé aussi comme condenseur dans le système de climatisation d'un véhicule automobile. S'agissant d'un échangeur de ce type, que l'on connait par exemple par le document EP 0 102 715, un fluide à refroidir, par exemple, s'écoule dans un premier collecteur dans lequel il est réparti sur une pluralité de tuyaux plats parallèles. Ceux-ci débouchent dans un second collecteur dans lequel le fluide émergeant des tuyaux plats se rassemble avant de sortir du second col- lecteur. Entre les tuyaux plats sont disposées des ai- le.tes, conformées en particulier en zigzag ou ondulées, qui sont reliées aux tuyaux plats pour la transmission de la chaleur. Les tuyaux plats, placés habituellement dans un plan, sont exposes, par leurs ailettes, à un flux: d'air qui est généralement orienté perpendiculairement à ce plan, de sorte qu'un échange de chaleur effectif peut avoir lieu. Des pressions élevées peuvent régner dans un circuit de refroidissement et des pointes de pression semblables à des impulsions peuvent se produire en particulier, ce qui risque de provoquer, dans le cas de tuyaux plats dans lesquels est seulement formé un espace intérieur pour l'écoulement, la formation de bosses sur ces tuyaux ou le renflement de ceux-ci. Les tuyaux plats habituellement employés sont fabriqués à partir d'un matériau plat au- quel est conféré, par une déformation adéquate par pliage, un profil tubulaire fermé en section droite, le- quel est fermé de manière étanche par soudage ensemble des bords longitudinaux repliés et jointifs. Un renfle- ment provoqué par des pressions élevées peut entraîner la fissuration du joint soudé de ces tuyaux, donc l'endomna- gement du tuyau et par conséquent aussi de l'échangeur. Afin qu'une pression élevée ne puisse pas produire un renflement aussi important des tuyaux plats, ces derniers doivent être renforcés sur leur côté extérieur. Cette fonction est remplie également par les ailettes - assu- rant en premier lieu le transfert de chaleur entre les fluides - étant donné que les ailettes procurent l'appui mutuel des tuyaux plats voisins sur les côtés longitudi- naux exposés au renflement. Dans le but d'empêcher également un renflement dangereux sur chacun des deux tuyaux situés le plus à l'extérieur, c'est-à-dire ceux se trouvant à l'extérieur sur les deux côtés de l'échangeur, là aussi à l'aide des ailettes, on a prévu des pièces latérales auxquelles sont fihxes les ailettes des tuyaux plats extérieurs coordon- nés. Afin que les pièces latérales puissent transmettre des forces orientées dans le sens de la longueur des col- lecteurs à ces derniers, elles sont fixées par leurs e:.:-- trémités axiales aux collecteurs, tout au moins en ce qui concerne cette direction longitudinale Les pièces latérales et les tuyaux plats s'échauffent différemment pendant le fonctionnement de l'échangeur. Etant donné qu'il en résulte des dilatations différentes des composants, en particulier dans le sens de leur axe, ils doivent être mobiles les uns par rapport aux autres dans cette direction afin d'éviter des endom- magements de l'échangeur. Dans le cas de l'échangeur connu précité, on a prévu à cet effet des bras de main- tien qui sont fixés à une extrémité au collecteur concerné et maintenus axialement coulissants par leur autre extrémité sur la pièce latérale correspondante. De cette manière, les pièces latérales sont déplaçables dans le sens de leur axe, de sorte que des variations de lon- gueur par rapport aux tuyaux plats peuvent être compen- sées. La mise en place de ces bras de maintien requiert des opérations supplémentaires dans la fabrication et l'exécution du montage doit en outre être relativement précise pour pouvoir garantir un guidage axial empêchant le coincement pendant un déplacement axial des pièces la- térales. Il s'ensuit que l'échangeur de chaleur connu est de fabrication relativement onéreuse. Le but de la présente invention est de réaliser un échangeur, du type mentionné au début, par des disposi- tions simples dans la construction, de manière qu'il puisse être fabriqué simplement donc économiquement. Conformément à l'invention, parDant d'un échangeur comme défini au début, on obtient ce résultat par le fait que les extrémités axiales des pièces latérales sont libres vis-à-vis des collecteurs dans le sens de la lon- gueur de ceux-ci. L'invention est basée sur le concept général consistant à ne pas attacher les e:rits axiales des pièces latérales au collecteur coordonné, tout au moins en ce qui concerne (dans le sens de) la direction axiale du collecteur concerné, de sorte que ces extrémités sont librement mobiles dans ladite direction au moins. L'invention exploite la constatation surprenante qu'une fixation des pièces latérales aux collecteurs, pour ce qui concerne la direction axiale du collecteur concerné, n'est pas nécessaire pour empêcher efficacement le renflement nuisible des tuyaux plats. Comme il n'y a pas d'attache des pièces latérales aux collecteurs dans l'échangeur selon l'invention, la fabrication et la finition de l'échangeur peuvent être simplifiées considérablement. La fabrication de l'échangeur peut être simplifiée plus encore lorsque, conformément à un mode de réa- lisation opportun de l'échangeur selon l'invention, les extrémités axiales des pièces latérales viennent s'appli- quer, en particulier lors de l'assemblage, transversale- ment à la direction longitudinale du collecteur coor- donné, contre ce collecteur. Au cours de l'assemblage cassette" (voir explication dans ce qui va suivre), les tuyaux plats, mutuellement alignés et espacés, sont em- boîtés comme un sous-ensemble au complet dans les trous préparés à cet effet dans les collecteurs. Grâce à la disposition proposée, l'application des extrémités axiales des pièces latérales contre les collecteurs crée une butée qui préfixe la profondeur d'emboîtement opti- male des tuyaux dans les collecteurs. Pendant l'assemblage cassette ("Kassettierung") précité, les pièces latérales, les tuyaux plats et les aillettes interposées sont alignés parallèlement entre eux. Il est à noter à cet égard que les ailettes en par- ticulier sont fabriquées dans une zone de tolérance rela- tivement large, de sorte que des écarts de position rela- tivement grands peuvent se produire, surtout pour les tuyaux situés le plus à l'extérieur, compte tenu du grand nombre de tuyaux juxtaposés avec les ailettes placées entre eux. Pour que les tuyaux puissent être emboîtés dans les trous préparés pour eux dans les collecteurs, le sous-ensemble préparé, semblable à un bloc et composé des pièces latérales, des tuyaux plats et des ailettes, est comprimé latéralement, jusqu'à ce que les espacements et positionnements désirés soient obtenus. Lors de cette opération, les pièces latérales servent à transmettre les forces de compression par une grande surface aux ailettes situées à l'extérieur des tuyaux extérieurs, avec le ré- sultat que les ailettes - qui sont très minces - peuvent être déformées sans subir des endommagements. L'utilisation de pièces latérales sous forme de tuyaux ayant en section droite un profil rigide à la flexion, conformément à un autre développement de l'in- vention, permet une transmission uniforme de forces aux ailettes, afin d'éviter des déformations irrégulières de celles-ci. On obtient une déformation ménageant particu- lièrement les différents composants pendant l'assemblage cassette lorsqu'on utilise des pièces latérales ayant en section droite un profil fermé. Une autre caractéristique prévoit que les pièces latérales sont fabriquées d'un matériau percé de trous ou pourvu de fentes. L'utilisation de pièces latérales avec des fentes ou des trous permet une fixation simple de moyens de maintien ou d'amortissement sur ces pièces. Encore une autre caractéristique de l'invention prévoit que les collecteurs, les tuyaux plats, les pièces latérales et les ailettes sont fabriqués du mnme mas- riau, en particulier d'aluminium ou d'un alliage d'alumi- nium. L'échangeur de chaleur ainsi obtenu se prête parti- culièrement bien à un recyclage. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue de dessus d'un échangeur de chaleur selon l'invention; - la figure 2 est un détail montrant à plus grande échelle la zone d'une extrémité axiale d'une pièce latérale; et - la figure 3 montre différentes formes de réa- lisation de profilés pour les pièces latérales employées dans l'échangeur selon l'invention. Ainsi que le montre la figure 1, un échangeur de chaleur 1 selon l'invention comporte deux (tuyaux) collecteurs 2 à peu près parallèles, dans lesquels s'écoule par exemple le liquide de refroidissement du circuit de refroidissement d'un véhicule automobile. Les collecteurs 2 sont reliés et communiquent entre eux par des tuyaux 3 parallèles entre eux, de sorte qu'un écoule- ment de liquide de refroidissement peut être établi à partir d'un collecteur 2 à travers les tuyaux 3 vers l'autre collecteur 2. Les tuyaux 3 sont appelés ci-après "tuyaux plats" parce qu'ils possèdent une section droite rectangulaire dont le rapport du grand au petit côté est relativement élevé. Aux tuyaux plats 3 sont fixées des ailettes 4 qui sons conformées en zigzag dans l'e:emple de réalisation selon la figure 1. Des ailettes ondulées sont utilisables aussi. Les ailettes 4 servent à l'évacuation de la chaleur transmise par le liquide de refroidissement aux tuyaux plats 3. De plus, elles relient entre eux les tuyaux plats 3 voisins et assurent un appui mutuel pour contrer le renflement de ces tuyaux sous l'effet de pres- Sions élevées du liquide de refroidissem*nt. Aux ailettes extérieures 4 des tuyaux plats 3 situés le plus à l'extérieur, sont fixées, parallèlement à ces tuyaux, des pièces latérales 5 qui ont chacune en particu- lier pour fonction de s'opposer à des renflements du tuyau extérieur 3 concerné. Les pièces latérales 5 ser- vent en outre de protection pour les mains contre les ai- lettes 4 à arêtes vives se trouvant à l'extérieur. Si une haute pression est créée dans le circuit de refroidissement, les sections rectangulaires des tuyaux plats 3 ou, plus exactement, leurs grands côtés, se bombent en prenant une forme convexe dirigée vers l'extérieur. L'expansion ainsi produite sur un seul tuyau 3 est faible, mais les expansions de la pluralité de tuyaux de l'échangeur s'additionnent. Il est à noter à cet égard que les extrémités axiales des tuyaux plats 3 sont fixées dans les collecteurs 2, de sorte que les tuyaux fléchissent seulement vers l'extérieur dans la zone médiane entre les collecteurs 2. Le fléchissement ou la courbure vers l'extérieur est maximal sur le tuyau 3 se trouvant le plus à l'extérieur, de sorte que le risque de la formation d'une fissure par suite d'un renflement du tuyau extérieur est également le plus grand dans cette zone. Les forces produisant un renflement d'un tuyau ex- térieur 3 et les forces produisant le fléchissement vers l'extérieur d'un tel tuyau sont réparties par la pièce latérale 5 adjacente sur les différents segments de l'ai- lette 4 concernée et ce sur toute la longueur du tuyau 3 en question, ce qui évite le renflement et le fléchisse- ment excessifs de ce tuyau. Ainsi que le fait ressortir le détail de la figure 2, les extrémités axiales des pièces latérales 5 ne sont pas reliées au collecteur 2 coordonné. De ce fait, chaque pièce 5 peut effectuer des mouvements relatifs en toute direction par rapport à ce collecteur, sans que des contraintes soient établies entre ces deux composants. De tels mouvements relatifs peuvent se produire surtout lors de dilatations thermiques car la pièce latérale 5 pré- sente régulièrement de plus basses températures que celles régnant à l'intérieur des tuyaux 3 par exemple. La raison pour laquelle, conformément à l'invention, les pièces latérales 5 remplissent également leur fonction sans une fixation ou une attache aux collecteurs 2, à savoir empêcher un renflement et un fléchissement dangereux des tuyaux 3 extérieurs, réside probablement dans le fait que dans la zone proche du collecteur 2, en raison de la fixation dans ce collecteur des tuyaux plats 3, il y a, de toutes manières, pas de déplacement ou seulement un faible déplacement des pièces latérales 5 dans le sens de l'axe des collecteurs 2, de sorte qu'il n'existe pas de forces notables, à cet endroit, qui seraient à transmettre de la pièce latérale 5 au collecteur 2. Un renflement et un fléchissement dangereux des tuyaux 3 peuvent donc être empêchés par la seule transmission des forces, par l'intermédiaire des pièces latérales, au grand nombre d'ailettes 4. Pour que, également pendant l'assemblage cassette, des forces de compression relativement grandes puissent être appliquées uniformément aux ailettes 4 - qui sont sensibles - par l'intermédiaire des pièces 5, on utilise des profilés rigides à la flexion pour ces dernières. La figure 3 montre à titre d'exemples quelques formes de réalisation préférées, désignées respectivement par A à K, de tels profilés rigides à la flexion. Les exemples A à C portent sur des profilés fermés qui sont remarquables par une rigidité à la flexion particulièrement élevée. Le profilé C présente en outre des trous 6 permettant par exemple la fixation de moyens supplémentaires de maintien, autorisant par exemple un meilleur positionnement de l'échangeur de chaleur 1 dans le compartiment moteur. Les exemples D à K concernent des profilés ayant une rigidité élevée à la flexion en raison de leur forme et convenant pour la compression du bloc composé des pièces latérales, des tuyaux plats et des ailettes pendant l'assemblage cassette. Les profilés ouverts J et K présentent de nouveau des trous 6 servant à la fixation d'autres composants. L'utilisation d'une pièce latérale 5 dotée, conformément à l'invention, d'un profil rigide à la flexion, permet, même avec des zones de tolérance relati- vement grandes dans la fabrication des ailettes, de com- penser des écarts d'espacement - dus à des tolérances - entre les tuyaux plats 3. Par voie de conséquence, pour fabriquer l'échangeur de chaleur selon l'invention, on peut utiliser également des ailettes 4 relativement bon marché, ce qui permet de rendre la fabrication de l'échangeur globalement plus économique. L'application d'une charge uniforme par unité de surface par l'intermédiaire des pièces latérales 5 sur les ailettes 4 est avantageuse non seulement pour compen- ser des différences d'espacement dues à des tolérances entre les tuyaux plats 3, mais aussi lors du brasage des ailettes 4 à ces tuyaux et aux pièces latérales 5, ainsi que lors du brasage des tuyaux 3 aux collecteurs 2. Au cours de ces opérations, il se produit un dé- veloppement de chaleur relativement important, ce qui peut également provoquer des dilatations, des déformations et des déca- lages des composants maintenus positionnés les uns par rapport aux autres. De tels changements de position peu- vent être évités par l'application d'une précontrainte adéquate par l'intermédiaire des pièces latérales 5. REVENDICATION$ 1. Echangeur de chaleur comprenant deux collecteurs pour un premier fluide, qui sont reliés et communiquent entre eux par des tuyaux plats s'étendant à peu près parallèlement les uns à côte des autres, ainsi que deux pièces latérales s'étendant parallèlement à côté des tuyaux plats respectifs situés le plus à l'extérieur, avec disposition, entre les tuyaux plats voisins et entre les pièces latérales et les tuyaux plats adjacents respec- tifs, d'ailettes fixées aux tuyaux plats et aux pièces latérales et formant un trajet d'écoulement pour un se- cond fluide, caractérisé en ce que les extrémités axiales des pièces latérales (5) sont libres vis-à-vis des collec- teurs (2) dans le sens de la longueur de ceux-ci. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les extrémités axiales des pièces latérales (5) viennent s'appliquer, en particulier lors de l'assemblage, transversalement à la direction longitudinale du collecteur (2) coordonné, contre ce col- lecteur. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les pièces latérales (5) sont réalisées sous la forme de tuyaux ayant en section droite un profil rigide à la flexion. 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les pièces latérales (5) sont réalisées avec un profil fermé en section droite. 5. Echangeur de chaleur selon une des revendications 1 à 4, caractérise en ce que les pièces latérales (5) sont fabriquées d'un matériau percé de trous ou pourvu de fentes. 6. Echangeur de chaleur selon une des rever.dications 1 à 5, caractérise en ce que les collecteurs (2), les tuyaux plats (3), les pièces latérales (5) et les ai- lettes (4) sont fabriqués du même matériau, en particu- lier d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium.