Brevet FR2777645A1 — publié le 19991022

A Échangeur de chaleur en matériau thermoplastique collé pour véhicule automobile, et procédé pour sa 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. Chacun des blocs d'extrémité comporte une plaque collectrice ou "plaque à trous" dans laquelle débouchent les tubes du faisceau, solidarisés de manière étanche à cette plaque à l'endroit de leur débouché. À cette plaque, généralement désignée "collecteur", est associé un capot de fermeture ou "boîte à fluide" de manière que collecteur et boite définis- sent un volume commun dans lequel débouchent toutes les extrémités des tubes du faisceau. Ce volume peut être éventuellement subdivisé par des cloisons transversales en sous-volumes distincts permettant de définir la circulation du fluide dans des groupes de tubes particuliers, débouchant dans un même sous-volume. C'est également par les boites à fluide que sont opérées l'entrée et la sortie du fluide. Un échangeur de chaleur comprend donc divers éléments, qu'il y a lieu d'assembler ensemble. L'invention vise le cas particulier o ces éléments 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 au collecteur par collage et/ou soudage ("collage" désignant ici un assemblage avec apport de colle ou avec une colle déjà incorporée à la matière plastique et "soudage" désignant un assemblage de deux pièces par application de chaleur, d'ultrasons, etc. au matériau thermoplastique). On sait en particulier réaliser par cette technique des tubes très plats, qui permettent d'assurer un bon échange thermique avec l'air environnant du fait de leur surface unitaire importante, sans qu'il soit en particulier nécessaire de prévoir entre les tubes des ailettes de refroidissement. Toutefois, du fait de cette forme aplatie et de la souplesse de la matière plastique, l'assemblage des tubes au collecteur est parfois rendu délicat, dans la mesure o l'on doit en particulier assurer une liaison parfaitement étanche entre tubes et collecteur sur toute la périphérie des tubes. L'invention propose une structure particulière d'échangeur de chaleur de ce type, ainsi qu'un procédé de fabrication, permettant de garantir une excellente étanchéité de l'assem- blage entre les divers tubes en matériau thermoplastique et le collecteur du bloc d'extrémité, et ceci sans grever de façon notable le coût final de l'échangeur ni apporter de complication excessive au procédé de fabrication. L'échangeur de chaleur de l'invention est du type connu comprenant un faisceau de tubes parallèles en matériau thermoplastique préformé et deux blocs d'extrémité joignant ces tubes. Chaque bloc d'extrémité comporte un collecteur en forme de plaque pourvue d'orifices dans lesquels s'engagent de manière étanche les extrémités des tubes du faisceau, et une boite à fluide fermée de manière étanche par le collec- teur pour définir avec celui-ci un volume intérieur. Selon l'invention, cet échangeur comporte à chaque extrémité de tube un insert logé au moins partiellement dans le tube de manière que la surface extérieure périphérique de l'insert coopère avec une surface intérieure périphérique homologue du tube en rigidifiant ce dernier au voisinage de son débouché. Très avantageusement, la section transversale des tubes est de forme oblongue ou allongée, tandis que l'insert présente un contour homologue de cette section et est pourvu dans sa région interne de cloisons transversales de rigidification joignant les flancs opposés de ce contour. Dans un premier mode de réalisation, l'insert est partielle- ment introduit dans le tube, sa partie émergente coopérant avec l'orifice homologue du collecteur. Avantageusement, dans ce cas, le tube et l'insert, de même que l'insert et le collecteur, sont solidarisés ensemble et de manière étanche par collage ou soudage; par ailleurs, en section transversale la partie émergente de l'insert peut présenter une portion de surface périphérique extérieure inclinée axialement vers l'intérieur qui coopère avec une surface inclinée homologue du collecteur, de même que la partie de l'insert introduite dans le tube peut être elle aussi inclinée axialement vers l'intérieur et coopérer avec un évasement homologue du tube. Dans un second mode de réalisation, l'insert est entièrement introduit dans le tube, la paroi du tube étant alors serrée entre la surface extérieure de l'insert et une surface intérieure homologue de l'orifice du collecteur. Avantageusement, dans ce cas, le collecteur et le tube sont solidarisés ensemble et de manière étanche par collage ou soudage; par ailleurs, le tube peut présenter, dans une région de sa longueur située entre l'insert et le débouché du tube, une partie évasée coopérant avec un évasement homologue de l'orifice du collecteur. L'invention vise également un procédé de réalisation d'un échangeur de chaleur du type ci-dessus, comportant les étapes consistant à: a) réaliser une pluralité de tubes en matériau thermoplastique préformé; b) introduire au moins partielle- ment dans les tubes, à chacune de leurs extrémités, un insert rigidifiant ces tubes au voisinage de leurs débouchés; et c) assembler en faisceau les différents tubes et les réunir par des blocs d'extrémité comportant chacun un collecteur en matériau thermoplastique en forme de plaque réunissant entre elles les extrémités correspondantes des tubes du faisceau. Dans le cas du premier mode de réalisation précité, à l'étape b) l'insert est partiellement introduit dans le tube, sa partie émergente coopérant avec l'orifice homologue du collecteur, et l'étape c) d'assemblage est réalisée par collage ou soudage des tubes aux inserts, et des inserts au collecteur. Dans le cas du second mode de réalisation précité, à l'étape b) l'insert est entièrement introduit dans le tube au-delà du débouché de ce dernier, et l'étape c) d'assemblage est réalisée par évasement de la partie libre dépassante du tube contre un évasement homologue de l'orifice du collecteur, puis collage ou soudage des tubes au collecteur. 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 générale en perspective d'un échan- geur de chaleur en matière plastique dont certains des éléments du faisceau de tubes ont été retirés pour laisser apparaître les orifices du collecteur. La figure 2 est une vue perspective de l'un des tubes de l'échangeur de chaleur de la figure 1 avec ses inserts d'extrémité, selon un premier mode de réalisation de l'inven- tion. La figure 3 est un détail montrant, en coupe par un plan vertical, l'assemblage des extrémités des tubes au collecteur avec interposition des inserts. La figure 4 est une vue partielle, en coupe et en perspecti- ve, d'un second mode de réalisation de l'invention. Les figures 5 et 6 sont des détails montrant, en coupe par un plan vertical, l'assemblage de l'extrémité du tube au collecteur, respectivement avant et après évasement de la partie libre du tube située au-delà de l'insert. La figure 1 illustre la structure générale d'un échangeur de chaleur pour véhicule automobile, avec un faisceau de tubes parallèles 10. Ces tubes sont réunis de chaque côté par des blocs d'extrémité 12 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 12 comporte, de manière en elle-même connue, une plaque 14 ou "collecteur" pourvue d'orifices 16 recevant les extrémités des tubes 10 du faisceau, plaque à laquelle est associée un élément en forme de bac ou "boite 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 l'intermédiaire de conduites correspondantes 20 communiquant avec le volume intérieur de la boîte à fluide 18. L'invention vise le cas particulier o les tubes 10 sont réalisés en un matériau thermoplastique, par exemple par extrusion et/ou thermoformage. On sait obtenir par cette technique des tubes de forme très plate, donc avec une très grande surface d'échange pour chaque tube, ce qui permet éventuellement de s'affranchir de la présence d'ailettes entre tubes adjacents. Le collecteur 14 et la boîte à fluide 18 peuvent être également réalisés en un tel matériau thermoplastique, ce qui permet un assemblage aisé par collage et/ou soudage, suivant des techniques en elles-mêmes connues. Le matériau thermoplastique considéré est par exemple un polyamide 6-6, matériau qui se prête aisément à toutes les techniques habituelles d'extrusion, formage, etc., par exemple pour permettre la réalisation 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). Ces tubes très plats, dont la section peut présenter typique- ment un rapport longueur/largeur de l'ordre de 20/1, sont cependant aisément sujets à un aplatissement sous une faible contrainte, du fait de cette forme et de la nature du matériau. En particulier, au moment de l'assemblage, une déformation, même faible, des tubes peut avoir pour effet une mauvaise solidarisation à la plaque du collecteur, avec pour conséquence évidente un défaut d'étanchéité à cet endroit. Pour remédier à cet inconvénient, l'invention propose, comme illustré figure 2, d'associer au tube 10 à chacune de ses extrémités 22 une pièce rapportée, ci-après désignée "in- sert", logée à chaque extrémité du tube et permettant de rigidifier ce dernier notamment à l'endroit o il sera relié au collecteur du bloc d'extrémité. Dans le premier mode de réalisation, illustré figures 2 et 3, l'insert 24 sert également de pièce intermédiaire entre l'extrémité 22 du tube 10 et l'orifice 16 du collecteur 14, la liaison des différentes pièces étant assurée par collage, respectivement de l'insert au tube et du collecteur à l'insert. Au moment de la fabrication, après obtention du tube 10, celui-ci est pourvu à chacune de ses extrémités d'un insert 24, par exemple par emboîtement avec ajustement serré d'une partie 26 à paroi inclinée de l'insert dans un évasement homologue de l'extrémité 22 du tube, jusqu'à butée de l'extrémité 22 contre un épaulement 28 de l'insert. Les tubes équipés de leurs inserts respectifs sont ensuite montés un par un, ou par sous-ensembles, sur le collecteur commun 14. L'insert comporte avantageusement une extrémité inclinée 30 introduite dans un logement de forme homologue de l'ouverture 16 du collecteur 14. L'ensemble monté est ensuite chauffé pour souder et/ou coller les différentes pièces, réalisant ainsi leur liaison mécanique et assurant leur étanchéité. Pour renforcer l'effet de raidisseur de l'insert, celui-ci peut être muni de cloisons transversales parallèles 32 (figure 2) définissant des canaux parallèles au sens de circulation du fluide (donc ne perturbant que très peu l'écoulement de ce dernier du point de vue de la mécanique des fluides) et procurant une excellente rigidité structu- relle de la pièce avec un minimum de matière. Les figures 4 à 6 illustrent un second mode de réalisation dans lequel l'insert, ici référencé 34, est entièrement introduit dans le tube 10, à la différence du mode de réalisation des figures 2 et 3 o l'insert 24 n'était que partiellement introduit dans le tube et présentait une partie émergente reliée au collecteur. Dans cette configuration, l'insert, qui apporte toujours de la rigidité à l'extrémité du tube, définit une partie libre 36 à l'extrémité du tube (figure 5). Les extrémités des tubes sont alors introduites dans les ouvertures 16 du collecteur 14, puis les parties libres 36 sont déformées de manière à les évaser et à venir les plaquer contre une paroi homologue inclinée 38 de l'ouverture du collecteur (comme illustré en sur la figure 6), pour permettre une solidarisation directe du tube au collecteur par collage et/ou soudage. Ici encore, l'insert 34 comporte avantageusement des cloisons transversales 42 (figure 4) semblables aux cloisons 32 de l'insert 24 du premier mode de réalisation. Enfin, dans l'un ou l'autre mode de réalisation, pour optimiser l'échange thermique, l'assemblage des tubes au collecteur peut se faire avec un léger décalage dans le sens de la plus grande dimension des sections des tubes, comme illustré figure 4 o ce décalage présente un pas de l'ordre de la moitié de la largeur du canal défini par deux cloisons transversales successives 42, dans un sens perpendiculaire au plan de ces cloisons. Revendications 1. Échangeur de chaleur pour véhicule automobile, compre- nant un faisceau de tubes parallèles (10) en matériau thermoplastique préformé et deux blocs d'extrémité (12) joignant ces tubes, chaque bloc d'extrémité comportant un collecteur (14) en forme de plaque pourvue d'orifices (16) dans lesquels s'engagent de manière étanche les extrémités des tubes du faisceau, et une boîte à fluide (18) fermée de manière étanche par le collecteur pour définir avec celui-ci un volume intérieur, caractérisé en ce qu'il comporte à chaque extrémité de tube un insert (24; 34) logé au moins partiellement dans le tube de manière que la surface exté- rieure périphérique de l'insert coopère avec une surface intérieure périphérique homologue du tube en rigidifiant ce dernier au voisinage de son débouché. 2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la section transversale des tubes est de forme oblongue ou allongée et que l'insert (24; 34) présente un contour homologue de cette section et est pourvu dans sa région interne de cloisons transversales (32; 42) de rigidification joignant les flancs opposés de ce contour. 3. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'insert (24) est partiellement introduit dans le tube, sa partie émergente (30) coopérant avec l'orifice homologue (16) du collecteur (14). 4. Échangeur de chaleur selon la revendication 3, caracté- risé en ce que le tube (10) et l'insert (24), de même que l'insert (24) et le collecteur (14), sont solidarisés ensemble et de manière étanche par collage ou soudage. 5. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que la partie émergente (30) de l'insert présente une portion de surface périphérique extérieure inclinée axialement vers l'intérieur qui coopère avec une surface inclinée homologue du collecteur. 6. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 3 à , caractérisé en ce que la partie (26) de l'insert intro- duite dans le tube présente une portion de surface périphéri- que extérieure inclinée axialement vers l'intérieur qui coopère avec un évasement homologue (22) du tube. 7. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'insert (34) est entièrement introduit dans le tube, la paroi du tube étant alors serrée entre la surface extérieure de l'insert et une surface intérieure homologue de l'orifice (16) du collecteur (14). 8. Échangeur de chaleur selon la revendication 7, caracté- risé en ce que le collecteur (14) et le tube (10) sont solidarisés ensemble et de manière étanche par collage ou soudage. 9. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le tube présente, dans une région de sa longueur située entre l'insert et le débouché du tube, une partie évasée (40) coopérant avec un évasement homologue de l'orifice du collecteur. 10. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: a) réaliser une pluralité de tubes (10) en matériau thermo- plastique préformé, b) introduire au moins partiellement dans les tubes, à chacune de leurs extrémités, un insert (24; 34) rigidifiant ces tubes au voisinage de leurs débouchés, et c) assembler en faisceau les différents tubes et les réunir par des blocs d'extrémité (12) comportant chacun un collec- teur (14) en matériau thermoplastique en forme de plaque réunissant entre elles les extrémités correspondantes des tubes du faisceau. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que, à l'étape b), l'insert (24) est partiellement introduit dans le tube (10) sa partie émergente (30) coopérant avec il l'orifice homologue (16) du collecteur (14), et l'étape c) d'assemblage est réalisée par collage ou soudage des tubes aux inserts, et des inserts au collecteur. 12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que, à l'étape b), l'insert (34) est entièrement introduit dans le tube (10) au-delà du débouché de ce dernier, et l'étape c) d'assemblage est réalisée par évasement de la partie libre dépassante (40) du tube contre un évasement homologue de l'orifice (16) du collecteur (14), puis collage ou soudage des tubes au collecteur.