Brevet FR2777644A1 — publié le 19991022

A Échangeur de chaleur de véhicule automobile comprenant un faisceau de tubes parallèles plats en matériau thermoplasti- que préformé, et son procédé de fabrication L'invention concerne la technologie des échangeurs de chaleur pour les véhicules automobiles. Elle s'applique aux différents types d'échangeurs de chaleur que l'on peut rencontrer dans un véhicule, tels que radiateur de chauffage de l'habitacle, de refroidissement du moteur ou de l'air de suralimentation, ou encore condenseur du circuit de climatisation. Ces échangeurs sont constitués d'un faisceau de tubes réalisant l'échange thermique avec le milieu extérieur. Les tubes du faisceau sont reliés de part et d'autre par deux blocs d'extrémité définissant le trajet de circulation du fluide dans les tubes et permettant d'introduire le fluide dans l'échangeur et de l'en extraire. L'invention vise le cas particulier o ces tubes sont, en tout ou en partie, des éléments en matière plastique. Dans ce cas, les tubes de l'échangeur peuvent être avantageu- sement réalisés par extrusion, thermoformage, etc. et sont assemblés par collage et/ou soudage ("collage" désignant ici un assemblage de deux pièces avec apport de colle ou avec une colle déjà incorporée à la matière plastique et "soudage" désignant un assemblage par application de chaleur, d'ultra- sons, etc. au matériau thermoplastique). Outre la réduction du prix de revient de l'échangeur, cette technique permet de réaliser des tubes très plats, donc avec une surface unitaire importante favorisant l'échange thermi- que entre le fluide circulant dans le tube et l'air environ- nant. Toutefois, jusqu'à présent, il n'a pas été possible de réaliser une structure de tube qui assure un échange thermi- que réellement performant, c'est-à-dire qui perturbe le moins possible l'écoulement du liquide à l'intérieur du tube et celui de l'air entre tubes adjacents. Il est en outre avantageux de pouvoir s'affranchir de la présence d'ailettes de refroidissement entre tubes adjacents, pour des raisons évidentes d'abaissement du prix de revient. Mais, ce faisant, du point de vue de la mécanique des fluides le guidage du flux d'air entre les tubes n'est plus aussi bien réalisé, et l'on voit apparaître des zones d'écoulement turbulent qui viennent perturber le transfert de chaleur. Enfin, du fait de la souplesse du matériau et de la forme aplatie, d'une part, et de l'effet de la pression du fluide dans le tube, d'autre part, les tubes en matière plastique peuvent être sujet à des déformations importantes, d'o la nécessité de trouver une configuration qui leur assure une rigidité structurelle suffisante. L'invention propose une structure particulière de tube pour un échangeur de chaleur de véhicule automobile, ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tel échangeur, qui permettent d'apporter une réponse à l'ensemble de ces contraintes, et ceci sans grever de façon notable le coût final du tube ni compliquer excessivement le procédé de fabrication. L'échangeur de chaleur de l'invention est du type connu comprenant un faisceau composé de tubes parallèles plats dont la paroi en matériau thermoplastique présente deux faces opposées s'étendant généralement selon des plans parallèles, séparées par un intervalle formant canal interne pour la circulation d'un fluide dans l'échangeur. Selon l'invention, chaque tube comporte une multiplicité d'éléments de renfort répartis sur sa longueur et sur sa largeur, formés chacun par un enfoncement localisé ou relief concave de l'une des faces traversant l'épaisseur du canal et solidarisé à la face opposée. Des caractéristiques optionnelles de l'échangeur de chaleur selon l'invention, complémentaires ou alternatives, sont énoncées ci-après: Chaque relief concave est solidarisé à un enfoncement localisé ou relief convexe de la face opposée faisant saillie vers l'extérieur de la paroi. - Les reliefs convexes d'une même face viennent en appui sur un tube adjacent du faisceau, de manière à définir dans l'intervalle entre ces tubes un canal externe de circulation d'air de l'échangeur. - Il est essentiellement dépourvu d'ailettes de refroidisse- ment entre tubes adjacents du faisceau. - Chaque face du tube présente des reliefs concaves et des reliefs convexes disposés en alternance. - Deux tubes adjacents sont disposés symétriquement l'un de l'autre par rapport à un plan dans lequel les sommets de reliefs convexes en vis-à-vis viennent en contact mutuel. - D'un tube du faisceau au suivant, les tubes sont décalés dans la direction de la plus grande dimension de la section du tube d'une valeur de pas sensiblement égale à une fraction du pas séparant, dans cette même direction, des reliefs convexes voisins d'une même face d'un tube. - Les reliefs concaves sont solidarisés à la face opposée par collage et/ou soudage à l'endroit de leur contact mutuel. - Les reliefs sont des reliefs oblongs dont la plus grande dimension est orientée suivant la direction de circulation du fluide dans le canal interne. - Les reliefs sont des reliefs oblongs dont la plus grande dimension forme un angle par rapport à la direction de circulation du fluide dans le canal interne. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur tel que défini ci-dessus, compre- nant les étapes consistant à: a) réaliser une pluralité de tubes plats en matériau thermo- plastique préformé, b) déformer l'une au moins des faces de chaque tube par des enfoncements localisés ou reliefs concaves traversant l'épaisseur du canal et solidariser ceux-ci à la face opposée pour former une multiplicité d'éléments de renfort répartis sur la longueur et sur la largeur du tube, et c) assembler en faisceau les différents tubes et les réunir par des blocs d'extrémité. Avantageusement, à l'étape a), les tubes sont réalisés par extrusion du matériau thermoplastique et les reliefs sont formés par post-formage thermique des tubes extrudés. Selon une variante, le procédé comprend les étapes consistant à: a) réaliser une pluralité de feuilles en matériau thermo- plastique préformé, b) déformer chaque feuille par des enfoncements localisés ou reliefs concaves, c) plier chaque feuille à 180 pour former les deux faces opposées d'un tube plat, lesdits reliefs concaves traversant l'épaisseur du canal délimité par celles-ci et étant solida- risés chacun à la face opposée à celle dans laquelle il est réalisé pour former une multiplicité d'éléments de renfort répartis sur la longueur et sur la largeur du tube, et d) assembler en faisceau les différents tubes et les réunir par des blocs d'extrémité. L'invention prévoit également que, à l'étape b), le formage des reliefs est opéré dans un moule au moyen d'une pression d'air. Dans le procédé de l'invention on prévoit aussi que, à l'étape b), l'une des faces de chaque tube est déformée par des reliefs concaves traversant l'épaisseur du canal tandis qu'une paroi opposée du tube est déformée par des reliefs convexes homologues, et les sommets des reliefs concaves sont solidarisés avec la paroi opposée, à l'endroit du relief convexe homologue. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci- dessous d'exemples de réalisation, en référence aux dessins annexés. La figure 1 est une vue en plan d'un tube réalisé conformé- ment aux enseignements de l'invention par une technique d'extrusion. Les figures 2 et 3 sont des coupes du tube de la figure 1, respectivement, selon les lignes II-II et III-III. La figure 4 est une vue de bout explicitant la fabrication d'un tube du même type que celui des figures 1 à 3, mais par une technique de pliage d'un film de matière thermoplastique. La figure 5 est une vue perspective d'un tube réalisé selon les enseignements de l'invention. La figure 6 est une vue générale en perspective d'un échan- geur de chaleur en matière plastique réalisé par assemblage d'une pluralité de tubes tel que celui de la figure 5, certains des éléments du faisceau de tubes ayant été retirés pour laisser apparaître les orifices du collecteur. Les figures 7 et 8 sont des vues, respectivement en coupe transversale et longitudinale, d'une pluralité de tubes de l'échangeur de la figure 6, juxtaposés en faisceau. La figure 9 est homologue de la figure 7, pour une variante de mise en oeuvre. L'invention concerne plus particulièrement la structure des tubes d'un échangeur de chaleur, lorsque ces tubes sont réalisés en un matériau thermoplastique. Ce matériau est par exemple un polyamide 6-6, matériau qui se prête aisément à toutes les techniques habituelles d'extru- sion, formage, etc., par exemple pour permettre la réalisa- tion du tube à partir d'un film extrudé. L'assemblage de pièces en ce matériau peut être obtenu aisément et de façon sûre, notamment sur le plan de l'étan- chéité, par les diverses techniques connues de soudage (thermosoudage, soudage aux ultrasons) et/ou collage (avec apport de colle extérieure ou, avantageusement, avec une colle déjà incorporée à la matière et qui peut être exprimée par chauffage et mise sous pression des pièces). Les figures 1 à 3 illustrent un tel type de tube, obtenu dans ce mode de réalisation particulier par extrusion directe du tube. Ce tube 10 est un tube très plat, dont la section peut présenter typiquement un rapport largeur/épaisseur 1/e de l'ordre de 20/1, donc avec pour chaque tube une très grande surface d'échange entre le canal interne 12 o circule le fluide et l'air environnant. De façon caractéristique de l'invention, le tube 10 est pourvu sur la majeure partie de sa surface de reliefs, comprenant à la fois des reliefs concaves 14 (c'est-à-dire faisant saillie depuis la paroi du tube dans le canal interne 12) et des reliefs convexes 16 (c'est-à-dire faisant saillie depuis la paroi vers l'extérieur du tube). Ces différents reliefs sont de préférence répartis de façon uniforme sur l'étendue de chacune des parois plates du tube, avantageusement avec alternance de reliefs concaves et convexes, à la fois dans le sens de la longueur L du tube (correspondant à la direction A, axe de symétrie du tube) et dans le sens de la largeur 1 (c'est-à-dire dans une direction perpendiculaire à l'axe A). Cette alternance est prévue sur toute l'étendue du tube, à l'exception de la région de l'axe A o, pour préserver la symétrie et du fait du nombre pair (dans cet exemple) de reliefs dans le sens de la largeur, les deux reliefs adjacents situés de part et d'autre de l'axe A sont de même nature. Très avantageusement, la configuration respective des reliefs convexes et concaves entre une paroi plane donnée et la paroi opposée est telle qu'un relief concave d'une paroi soit situé en vis-à-vis d'un relief convexe de l'autre paroi, et inversement. De plus, très avantageusement, les dimensions des reliefs concaves et convexes sont choisies de manière que, comme illustré figure 3, le sommet d'un relief concave vienne se loger dans le creux formé par la face interne d'un relief convexe. Les reliefs concaves viennent ainsi jouer un rôle d'entretoise entre les deux parois planes en vis-à-vis du tube, assurant la bonne tenue mécanique de celui-ci à l'encontre d'éventuelles contraintes d'aplatissement, par exemple sous l'effet d'une sollicitation extérieure. De plus, le contact entre les sommets des reliefs concaves 14 et la face interne des reliefs convexes 16 est avantageuse- ment réalisé avec solidarisation des deux surfaces en contact, par exemple avec adhésion par collage, la colle étant incorporée à la matière et réagissant sous l'effet de la chaleur au moment du thermoformage des saillies. Une telle solidarisation interne permet de contribuer à la bonne tenue mécanique du tube à l'encontre des contraintes exercées, cette fois-ci, de l'intérieur du tube, contraintes essentiel- lement dues à l'effet de la pression du fluide circulant dans le tube. En variante, mais dans le même but, on peut également prévoir que les reliefs concaves d'une face soient situés en vis-à- vis de reliefs concaves (et non plus convexes) de la face opposée, la profondeur de pénétration des reliefs concaves 14 étant de l'ordre de la moitié de l'épaisseur e du tube. Dans ce cas, les entretoises seront formées par la solidarisation (par collage et/ou soudage, de la même façon) de deux reliefs concaves en vis-à-vis disposés l'un par rapport à l'autre en opposition et en contact par leurs sommets. En plan, les reliefs ont de préférence une forme oblongue, comme on peut le voir sur la figure 1, avec un rapport longueur/largeur de l'ordre de 2/1 à 3/1. L'axe principal 18 de chaque relief est de préférence orienté parallèlement à l'axe principal A du tube, qui correspond à la direction d'écoulement du fluide. Mais, en fonction de contraintes particulières de mécanique des fluides, on peut dans certains cas, comme illustré en 20 sur la figure 1, préférer incliner l'axe principal du relief d'un angle a si les écoulements de fluide à l'intérieur (fluide à refroidir) et à l'extérieur (air de refroidissement) du tube l'imposent. Le processus de fabrication d'un tel tube peut être mis en oeuvre très simplement. Après obtention de l'extrudé, celui-ci est placé dans un moule qui va former thermiquement les reliefs concaves et convexes, le canal interne 12 étant soumis à une pression d'air lors du formage des reliefs sur l'extrudé, afin de garantir la bonne planéité de la paroi entre reliefs adja- cents. Comme on l'a indiqué plus haut, ce formage (qui est ici un postformage, après extrusion) permet, si l'on choisit une matière incorporant une colle réagissant à la chaleur, d'effectuer simultanément le collage des sommets des reliefs concaves avec la paroi opposée, à l'endroit du relief convexe homologue. En variante ou en complément, la solidarisation peut être assurée par soudage des deux régions en contact, le matériau étant ramolli en cet endroit sous l'effet de la chaleur. La figure 4 illustre une variante dans laquelle le tube n'est pas réalisé directement à partir d'un extrudé, mais à partir d'un film plat d'épaisseur 0,1 à 0,2 mm environ qui est ensuite plié en deux pour former les deux faces du tube (flèche 22). Les reliefs 14, 16, qui sont configurés de la même manière que dans le cas précédent, peuvent être obtenus par pré- formage thermique du film, avant pliage, comme illustré sur la figure 4 o l'on replie un film déjà pourvu de reliefs concaves 14 et convexes 16, l'opération s'achevant par soudage et/ou collage des rebords 24, 26 du tube. En variante, dans ce mode de réalisation par pliage d'un film, les reliefs peuvent être également réalisés par post- formage (c'est-à-dire que le film que l'on replie est un film plat, dépourvu de reliefs), en procédant de la même manière que dans le cas du tube extrudé exposé plus haut. On va maintenant décrire plus en détail la manière dont sont assemblés les tubes de l'échangeur, ce qui permettra d'expli- citer le rôle fonctionnel des reliefs convexes 16. Chaque tube 10 réalisé de l'une des manières indiquées plus haut se présente comme illustré figure 5, avec ses reliefs concaves 14 et convexes 16. Pour réaliser un échangeur de chaleur, on réunit, comme illustré figure 6, une pluralité de tubes parallèles 10 en un faisceau, les tubes étant réunis de chaque côté par des blocs d'extrémité 28 définissant des volumes internes communiquant avec les tubes 10 de manière à imposer une configuration de circulation de fluide prédéterminée dans l'échangeur de chaleur. Chaque bloc d'extrémité 28 comporte, de manière en elle-même connue, une plaque 30 ou "collecteur" pourvue d'orifices 32 recevant les extrémités des tubes 10 du faisceau, plaque à laquelle est associée un élément en forme de bac ou "boîte à fluide" définissant avec le collecteur un ou plusieurs volumes dans lesquels débouchent les tubes du faisceau. Les blocs d'extrémité assurent également l'admission et la sortie du fluide à refroidir par des conduites correspondantes 34 communiquant avec le volume intérieur de la boîte à fluide 28. Comme on peut le voir sur les figures 7 et 8, qui sont des coupes respectivement transversale et longitudinale d'une pluralité de tubes de l'échangeur de la figure 6, juxtaposés en faisceau, la présence des reliefs convexes 16 permet d'espacer les tubes 10 adjacents afin de ménager un volume de circulation d'air 36 entre chaque paire de tubes. Cette configuration permet, avantageusement, d'éviter le recours à des ailettes, dont la présence grèverait de façon substantielle le prix de revient de l'échangeur. On notera que l'espacement entre tubes est réalisé tout en conservant néanmoins une continuité du contact entre ceux-ci, procurant de la sorte une bonne rigidité mécanique d'ensemble au faisceau. Dans le mode de réalisation illustré figures 7 et 8, chaque paire de tubes présente une symétrie de part et d'autre de l'intervalle qui les sépare, les sommets des reliefs convexes 16 étant situés en vis-à-vis et faisant chacun saillie sur une hauteur environ égale à la moitié de l'intervalle a entre deux tubes adjacents. En variante, comme illustré figure 9, les sommets des reliefs convexes 16 d'un tube viennent en contact avec la partie plate de la paroi du tube adjacent, dans la région située entre deux reliefs. Pour ce faire, on décale légèrement, d'un pas R, chaque tube par rapport au suivant dans le sens de la plus grande dimension de la section des tubes. Sur la figure 9 ce pas p est de l'ordre de la moitié de l'intervalle séparant deux reliefs adjacents du même tube dans cette même direction, mais d'autres valeurs de pas peuvent être choi- sies, dès lors que l'on peut obtenir le contact entre le sommet du relief convexe 16 et la paroi du tube adjacent. Revendications 1. Échangeur de chaleur, notamment pour véhicule automobi- le, comprenant un faisceau composé de tubes parallèles plats (10) dont la paroi en matériau thermoplastique présente deux faces opposées s'étendant généralement selon des plans parallèles, séparées par un intervalle formant canal interne (12) pour la circulation d'un fluide dans l'échangeur, caractérisé en ce que chaque tube comporte une multiplicité d'éléments de renfort répartis sur sa longueur et sur sa largeur, formés chacun par un enfoncement localisé ou relief concave (14) de l'une des faces traversant l'épaisseur du canal et solidarisé à la face opposée. 2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que chaque relief concave (14) est solidarisé à un enfoncement localisé ou relief convexe (16) de la face opposée faisant saillie vers l'extérieur de la paroi. 3. Échangeur de chaleur selon la revendication 2, caracté- risé en ce que les reliefs convexes (16) d'une même face viennent en appui sur un tube adjacent du faisceau, de manière à définir dans l'intervalle (a) entre ces tubes un canal externe (36) de circulation d'air de l'échangeur. 4. Échangeur de chaleur selon la revendication 3, caracté- risé en ce qu'il est essentiellement dépourvu d'ailettes de refroidissement entre tubes adjacents du faisceau. 5. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque face du tube présente des reliefs concaves (14) et des reliefs convexes (16) disposés en alternance. 6. Échangeur de chaleur selon la revendication 5, caracté- risé en ce que deux tubes adjacents sont disposés symétrique- ment l'un de l'autre par rapport à un plan dans lequel les sommets de reliefs convexes (16) en vis-à-vis viennent en contact mutuel. 7. Échangeur de chaleur selon la revendication 5, caracté- risé en ce que, d'un tube du faisceau au suivant, les tubes sont décalés dans la direction de la plus grande dimension de la section du tube d'une valeur de pas (p) sensiblement égale à une fraction du pas séparant, dans cette même direction, des reliefs convexes voisins (16) d'une même face d'un tube. 8. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les reliefs concaves sont solidarisés à la face opposée par collage et/ou soudage à l'endroit de leur contact mutuel. 9. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les reliefs (14; 16) sont des reliefs oblongs dont la plus grande dimension est orientée suivant la direction (A) de circulation du fluide dans le canal interne. 10. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les reliefs (14; 16) sont des reliefs oblongs dont la plus grande dimension forme un angle (a) par rapport à la direction (A) de circulation du fluide dans le canal interne. 11. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, comprenant les étapes consistant à: a) réaliser une pluralité de tubes plats (10) en matériau thermoplastique préformé, b) déformer l'une au moins des faces de chaque tube par des enfoncements localisés ou reliefs concaves (14) traversant l'épaisseur du canal et solidariser ceux-ci à la face opposée pour former une multiplicité d'éléments de renfort répartis sur la longueur et sur la largeur du tube, et c) assembler en faisceau les différents tubes et les réunir par des blocs d'extrémité (28). 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que, à l'étape a), les tubes sont réalisés par extrusion du matériau thermoplastique et les reliefs sont formés par post- formage thermique des tubes extrudés. 13. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 10, comprenant les étapes consistant à: a) réaliser une pluralité de feuilles en matériau thermo- plastique, b) déformer chaque feuille par des enfoncements localisés ou reliefs concaves (14), c) plier chaque feuille à 180 o pour former les deux faces opposées d'un tube plat, lesdits reliefs concaves traversant l'épaisseur du canal délimité par celles-ci et étant solida- risés chacun à la face opposée à celle dans laquelle il est réalisé pour former une multiplicité d'éléments de renfort répartis sur la longueur et sur la largeur du tube, et d) assembler en faisceau les différents tubes et les réunir par des blocs d'extrémité (28). 14. Procédé selon l'une des revendications 11 à 13, caracté- risé en ce que, à l'étape b), le formage des reliefs est opéré dans un moule au moyen d'une pression d'air. 15. Procédé selon l'une des revendications 11 à 14, caracté- risé en ce que, à l'étape b), l'une des faces de chaque tube est déformée par des reliefs concaves (14) traversant l'épaisseur du canal tandis qu'une paroi opposée du tube est déformée par des reliefs convexes (16) homologues, et les sommets des reliefs concaves sont solidarisés avec la paroi opposée, à l'endroit du relief convexe homologue.