Brevet FR2793016A1 — publié le 20001103

4, Boîte collectrice allongée pour échangeur de chaleur résis- tant aux fortes pressions internes L'invention concerne une boîte collectrice allongée pour échangeur de chaleur, notamment pour un fluide réfrigérant dans une installation de climatisation de véhicule automobi- le. EP-A-0 563 471 décrit une telle boîte collectrice, compor- tant: a) une première paroi définissant une plaque collectrice et présentant au moins une rangée d'ouvertures destinées à permettre une communication de fluide entre l'intérieur de la boîte collectrice et un faisceau de tubes plats de l'échan- geur de chaleur, mutuellement alignées dans la direction longitudinale de la boîte collectrice et allongées dans la direction latérale de celle- ci; b) une seconde paroi opposée à la première, définissant un fond sensiblement plein; et c) un insert logé à l'intérieur de la boîte collectrice, s'étendant sensiblement sur toute la longueur et sur toute la largeur de celle-ci et brasé aux faces internes desdites première et seconde parois. Dans les installations de climatisation de véhicules automo- biles, on utilise maintenant des fluides réfrigérants qui, tel le CO2, doivent être soumis à des pressions très élevées, par exemple de plusieurs centaines de bars. L'insert décrit dans le document précité définit des conduits longitudinaux d'une largeur relativement importante, permettant à chaque ouverture de la plaque collectrice de communiquer par toute sa longueur avec un même conduit. Si une telle boîte collec- trice était utilisée avec un fluide réfrigérant à pression élevée, les surfaces étendues de ses parois, adjacentes au conduit, seraient exposées à la pression du fluide et subiraient par conséquent des déformations, à moins d'augmen- ter l'épaisseur des parois et par conséquent le poids et le coût de l'échangeur de chaleur. Le but de l'invention est de permettre à la boite collectrice de supporter sans dommage des pressions internes plus élevées, tout en maintenant les épaisseurs de parois habi- tuelles dans les échangeurs de climatisation. L'invention vise notamment une boite collectrice du genre défini en introduction, et prévoit que l'insert forme un réseau de ponts brasés entre la plaque collectrice et le fond, ce réseau étant dense aussi bien dans la direction longitudinale que dans la direction transversale de manière à renforcer la résistance à la pression interne de la boite collectrice. Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémen- taires ou alternatives, sont énoncées ci-après: - Chaque bande de matière séparant deux ouvertures consécuti- ves de ladite rangée est reliée au fond par une multiplicité de ponts répartis dans la direction transversale. - La distance entre deux ponts consécutifs dans la direction longitudinale ou dans la direction transversale n'excède pas millimètres. - L'insert délimite des conduits qui s'étendent généralement dans ladite direction longitudinale pour établir une communi- cation de fluide entre lesdites ouvertures. - Lesdites parois sont sensiblement planes et l'insert est formé d'au moins une plaque plane munie de fentes longitudi- nales définissant lesdits passages. - L'insert est formé d'une multiplicité de plaques planes mutuellement empilées et brasées face contre face, dont l'une au moins est munie de fentes longitudinales définissant lesdits passages. - Lesdites plaques planes sont munies, les unes de fentes longitudinales, les autres de fentes transversales dont la position dans la direction longitudinale correspond à celle desdites ouvertures. - Lesdites plaques empilées présentent des évidements superposés communiquant avec lesdites fentes et débouchant dans le bord périphérique des plaques pour former une entrée ou une sortie de fluide de l'échangeur de chaleur. - L'insert est obtenu par empilage de plaques présentant lesdits évidements. - Lesdits évidements sont obtenus par usinage des plaques préalablement empilées. - Lesdites parois sont sensiblement planes et l'insert est formé d'un bloc épais à faces planes traversé par des fentes longitudinales définissant lesdits passages. - Une cavité formée par emboutissage du fond communique avec lesdites fentes longitudinales et avec une ouverture ménagée dans le fond pour former une entrée ou une sortie de fluide de l'échangeur de chaleur. - Les bords périphériques des première et seconde parois sont écartés l'un de l'autre, l'étanchéité au fluide entre lesdits bords étant réalisée par l'interposition du bord périphérique de l'insert. - L'insert présente des fentes longitudinales mutuellement alignées dans la direction longitudinale et/ou des fentes transversales mutuellement alignées dans la direction latérale pour permettre une circulation de fluide en plu- sieurs passes entre la boite collectrice et les tubes. - L'une au moins des première et seconde parois appartient à une pièce en forme de cuvette dont le bord périphérique est lié de manière étanche à celui de l'autre paroi, et l'insert est une feuille ondulée dont les crêtes d'ondulation sont orientées longitudinalement et brasées en alternance aux deux parois. - La feuille ondulée présente, dans la région des crêtes d'ondulation brasées à la plaque collectrice et en regard des ouvertures de cette dernière, des encoches destinées à permettre le passage des extrémités des tubes faisant saillie à l'intérieur de boite collectrice. L'invention a également pour objet un échangeur de chaleur, notamment pour un fluide réfrigérant dans une installation de climatisation de véhicule automobile, comprenant au moins une boite collectrice telle que définie ci-dessus, et au moins une rangée de tubes plats mutuellement alignés dans la direc- tion longitudinale, chaque tube communiquant par une de ses extrémités avec l'une des ouvertures de la plaque collectri- ce. Dans le cas d'un échangeur de chaleur comprenant une seule boîte collectrice, l'invention prévoit que chaque tube peut présenter une multiplicité de canaux de circulation séparés débouchant à ses deux extrémités, son extrémité opposée à la boîte collectrice étant coiffée d'un bouchon qui permet une communication entre les différents canaux pour une circula- tion en U dans le tube. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront exposés plus en détail dans la description ci-après, en se référant aux dessins annexés. La figure 1 est une vue partielle en coupe longitudinale d'un échangeur de chaleur selon l'invention, utilisable en particulier comme échangeur à haute pression ou comme évaporateur dans une boucle de climatisation utilisant CO2 en tant que fluide réfrigérant. La figure 2 est une vue en perspective éclatée de la boîte collectrice représentée sur la figure 1. La figure 3 est une vue partielle de l'un des tubes du faisceau, en coupe selon la ligne III-III de la figure 1. La figure 4 est une vue partielle en perspective d'une boîte collectrice montrant un insert évidé pour l'entrée ou la sortie du fluide. La figure 4a est une vue en perspective d'une entretoise d'entrée/sortie usinée destinée à être insérée dans l'évide- ment. La figure 5 est une vue analogue à la figure 4, relative à une variante. Les figures 5a et 5b sont des vues en perspective montrant respectivement une entretoise tubulaire et une tubulure adaptées à l'évidement montré sur la figure 5. La figure 6 est une vue en perspective éclatée d'une boîte collectrice utilisable en remplacement de celle de la figure 2. La figure 7 est une vue analogue à la figure 6, montrant le fond et l'insert de la boîte collectrice, dans une variante. La figure 8 est une vue partielle, en coupe transversale selon la ligne VIII-vIII de la figure 9, d'un autre échangeur de chaleur selon l'invention. La figure 9 est une vue en coupe longitudinale de cet échangeur, selon la ligne IX-IX de la figure 8. L'échangeur de chaleur illustré sur les figures 1 à 3 comprend de façon classique une rangée de tubes 1 mutuelle- ment alignés de gauche à droite de la figure 1 et séparés les uns des autres par des intercalaires ondulés 2, pour former un faisceau. Ces tubes sont plats, c'est-à-dire que leur section transversale est allongée dans une direction (de gauche à droite de la figure 3) perpendiculaire à leur direction longitudinale (de haut en bas des figures 1 et 3) et de leur direction d'alignement mutuel. Chaque tube est traversé d'un bout à l'autre par une multiplicité de canaux indépendants 3, mutuellement alignés dans la direction longitudinale de la section transversale du tube (8 canaux dans l'exemple illustré). A leur extrémité supérieure, les canaux 3 communiquent avec l'intérieur d'une boite collec- trice dont la paroi inférieure est constituée par une plaque collectrice 4 sensiblement plane, présentant des ouvertures transversales 5 dans lesquelles s'engagent les extrémités des tubes respectifs, la plaque étant déformée vers le bas autour de chaque ouverture 5 pour former un collet 6 brasé de manière étanche sur tout la périphérie du tube. Sur la plaque 4 sont empilées cinq autres plaques planes 7-11, de même contour rectangulaire que la plaque 4, les plaques intermé- diaires 7 à 10 formant un insert 12 et les six plaques formant ensemble la boite collectrice 13. Selon l'invention, chacune des plaques de l'insert 12 est traversée dans son épaisseur par des fentes longitudinales ou transversales. La plaque 7, adjacente à la plaque collectrice 4, et la plaque 9 sont identiques et chacune présente des fentes transversales disposées en deux rangées. Chaque ouverture 5 de la plaque collectrice est en regard de deux fentes 14a, 14b appartenant respectivement aux deux rangées, la fente 14a étant en regard des canaux 3 d'une demi-largeur d'un tube 4 et la fente 14b étant en regard des canaux de l'autre demi-largeur. Les plaques 8 et 10 encadrant la plaque 9 sont identiques et présentent des fentes longitudinales. Dans la moitié de la largeur de chacune d'elles située au-dessus de la rangée de fentes 14a sont ménagées des fentes mutuellement alignées par trois, à savoir une fente 15a proche d'une extrémité de la plaque, une fente intermédiaire 15b et une fente 15c proche de l'autre extrémité de la plaque. La fente 15b est plus longue que les fentes 15a et 15c. L'ensemble des fentes 15b est séparé de l'ensemble des fentes 15a et de l'ensemble des fentes 15c respectivement par deux bandes de matière trans- versales 16a et 16b. Dans l'autre moitié de la largeur de la plaque sont ménagées des fentes mutuellement alignées par deux, à savoir une fente 15d voisine de la même extrémité de la plaque que les fentes 15a, et une fente 15e voisine de l'autre extrémité. L'ensemble des fentes 15d est séparé de l'ensemble des fentes 15e par une bande de matière transver- sale 16c. Dans l'échangeur de chaleur terminé, les six plaques formant la boite collectrice 13 sont mutuellement brasées de manière étanche au fluide par toutes leurs surfaces en contact, grâce à un revêtement de brasure prévu sur toutes leurs faces ou sur certaines d'entre elles seulement. Ainsi, les fentes 14 et 15 représentent les seuls volumes libres accessibles au fluide à l'intérieur de la boîte collectrice, dont la configuration contribue à définir le trajet de circulation du fluide dans l'échangeur de chaleur. Pour compléter la définition de ce trajet, chaque tube 4 est par exemple coiffé à son extrémité inférieure d'un bouchon 17 qui assure l'étanchéité vis-à-vis de l'extérieur des extrémités des huit canaux 3 tout en permettant leur communication mutuelle. En variante, les extrémités inférieures des tubes peuvent déboucher dans une seconde boîte collectrice identique ou non à la boîte 13. L'ensemble des fentes 15a des plaques 8 et 10 définit, avec certaines des fentes 14a des plaques 7 et 9, une première chambre de la boîte collectrice. Deux autres chambres sont formées par les fentes 15b d'une part et les fentes 15c d'autre part, avec les autres fentes 14a. Deux autres chambres encore sont formées par les fentes 15d d'une part et e d'autre part, avec les fentes 14b. Le fluide circule en huit passes entre ces chambres, la circulation dans chaque tube comportant un trajet descendant par quatre canaux 3 suivi d'un trajet ascendant par les autres canaux. On a représenté sur la figure 2 des appendices 18 prévus en option sur les plaques de l'insert et faisant saillie par rapport au contour rectangulaire de celles-ci. Ces appendices ont une fonction de détrompage, visuel ou mécanique, évitant d'empiler les plaques dans une mauvaise position. Des ouvertures, non représentées sur la figure 2, doivent être prévues pour l'entrée et la sortie du fluide. Ces ouvertures peuvent être formées par évidement de l'insert, comme montré sur les figures 4 et 5. La figure 4 montre une boîte collectrice comprenant un insert 12 composé comme précédemment de six plaques superposées entre la plaque collectrice 4 et le fond 11. Chaque plaque de l'insert présente une encoche 20 qui communique avec l'une au moins des fentes de la plaque et débouche sur son bord périphérique, les encoches des différentes plaques se superposant pour former un évidement 21 de l'insert qui communique avec l'une des chambres de la boite collectrice. Cet évidement, de forme parallélépipédique dans l'exemple illustré, peut recevoir le corps 22, de forme correspondante, d'une entretoise usinée 23 représentée sur la figure 4a, munie d'un raccord tubulaire 24 pour le raccordement au reste de la boucle de fluide réfrigérant. La figure 5 montre un insert 12 semblable à celui de la figure 4, mais dont les plaques ne présentent pas d'encoches prédéfinies. Un trou circulaire 25 est usiné dans l'insert assemblé, à partir de son bord périphérique, pour jouer le même rôle que l'évidement 21. ce trou peut recevoir une entretoise tubulaire 26 représentée sur la figure 5a, ou l'extrémité d'une tubulure 27 de section circulaire représen- tée partiellement sur la figure 5b, faisant partie du circuit de fluide réfrigérant. Sur la figure 6, l'empilement de plaques constituant linsert est remplacé par une pièce massive 30 obtenue par tronçonnage d'un profilé extrudé. Cet insert 30 est traversé dans son épaisseur par des fentes longitudinales 31 ayant la même disposition que les fentes 15 des plaques 8 et 10 décrites ci-dessus. Pour réaliser une entrée ou une sortie de fluide, le fond 32 de la boite collectrice est embouti localement pour former une cavité communiquant avec un groupe de fentes 31, cette cavité débouchant à l'extérieur par une ouverture 33, sur le bord périphérique de la boîte collectrice. Dans la variante de la figure 7, le fond 35 de la boîte collectrice est de nouveau plan, et un évidement 36 est prévu dans l'insert monobloc 37 pour l'entrée ou la sortie de fluide, cet évidement communiquant avec un groupe de fentes et débouchant dans le bord périphérique de l'insert. Les figures 8 et 9 illustrent un autre mode de réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention, dans lequel le fond plan 40 de la boite collectrice appartient à une pièce 41 en forme de cuvette dont le bord périphérique 42 est brasé à celui de la plaque collectrice 6. L'insert de renfort logé dans la boite collectrice est ici une plaque mince pleine 43 présentant des ondulations orientées dans la direction longitudinale de la boite collectrice, les crêtes d'ondula- tion étant brasées alternativement aux faces internes de la plaque 6 et du fond 40. Dans cet exemple, une multiplicité de trajets longitudinaux séparés pour le fluide sont définis à l'intérieur de la boîte collectrice, entre l'insert 43 et la plaque 4, chaque tube communiquant avec plusieurs de ces trajets. En variante, l'insert ondulé peut présenter des perforations uniformément réparties, avec un taux de jour inférieur à 50 %, ou des "persiennes", c'est-à-dire des parties découpées et repliées en forme de U, pour permettre au fluide de circuler également entre l'insert et le fond 40. Dans le cas o, contrairement à ce qui est représenté sur les figures 8 et 9, les tubes feraient saillie à l'intérieur de la boîte collectrice, des encoches pourraient être ménagées dans l'insert pour loger leurs extrémités. Dans les modes de réalisation des figures 6 et 7, comme dans celui des figures 8 et 9, et dans le cas de plaques compor- tant seulement des fentes longitudinales, l'insert délimite des conduits longitudinaux séparés pour la circulation du fluide (sous réserve des cavités d'entrée et de sortie). Au contraire, dans le mode de réalisation des figures 1 à 3, et dans le cas o l'insert ondulé présente des perforations ou des persiennes et/ou des encoches, différents conduits longitudinaux communiquent entre eux pour définir un trajet global orienté d'une manière générale dans la direction longitudinale de la boîte collectrice. Dans l'ensemble des modes de réalisation décrits, l'insert est lié au fond de la boîte collectrice par des lignes de brasage longitudinales continues, juxtaposées à une faible distance les unes des autres, et à la plaque collectrice par des lignes de brasage longitudinales également proches les unes des autres, chacune de ces dernières lignes présentant des interruptions correspondant seulement à la largeur de l'ouverture de passage d'un tube. De plus, dans le mode de réalisation des figures 1 à 3, les plaques constitutives de l'insert sont liées les unes aux autres par des zones de brasage qui sont écartées les unes des autres, dans la direction longitudinale et dans la direction latérale, d'une distance correspondant à la largeur des fentes 14 et 15. Ces liaisons forment donc un réseau dense de ponts brasés assurant une résistance élevée de la boîte collectrice à la pression interne. Dans le cas o l'insert est formé de plaques empilées, le nombre de celles-ci est avantageusement compris entre quatre et six, et leur épaisseur entre 0,5 et 3 mm. Au lieu de deux types de plaques présentant respectivement des fentes longitudinales et transversales, on peut prévoir un seul type de plaques à fentes longitudinales. Bien entendu, la configuration de circulation du fluide dans l'échangeur de chaleur décrite en relation avec la figure 2 n'est qu'un exemple des multiples possibilités offertes à cet égard, en fonction du nombre et de la longueur des fentes prévues dans l'insert et de la présence ou non d'une seconde boite collectrice. Pour un échangeur de chaleur alimenté en CO2, le nombre de passes est avantageusement compris entre six et seize, et de préférence choisi parmi les valeurs huit, douze et seize, de manière que l'entrée et la sortie du fluide s'effectuent sur la même boîte collectrice. Un échangeur de chaleur selon l'invention peut également être utilisé avec un fluide classique tel que R134a, le nombre de passes étant alors avantageusement compris entre quatre et six. Revendications 1. Boîte collectrice allongée (13) pour échangeur de chaleur, notamment pour un fluide réfrigérant dans une installation de climatisation de véhicule automobile, comportant: a) une première paroi définissant une plaque collectrice (4) et présentant au moins une rangée d'ouvertures (5) destinées à permettre une communication de fluide entre l'intérieur de la boîte collectrice et un faisceau de tubes plats (1) de l'échangeur de chaleur, mutuellement alignées dans la direction longitudinale de la boîte collectrice et allongées dans la direction latérale de celle-ci; b) une seconde paroi opposée à la première, définissant un fond (11) sensiblement plein; et c) un insert (12) logé à l'intérieur de la boîte collectrice, s'étendant sensiblement sur toute la longueur et sur toute la largeur de celle-ci et brasé aux faces internes desdites première et seconde parois, caractérisée en ce que l'insert forme un réseau de ponts brasés entre la plaque collectrice et le fond, ce réseau étant dense aussi bien dans la direction longitudinale que dans la direction transversale de manière à renforcer la résistance à la pression interne de la boîte collectrice. 2. Boîte collectrice selon la revendication 1, dans laquelle chaque bande de matière séparant deux ouvertures consécutives (5) de ladite rangée est reliée au fond (11) par une multiplicité de ponts répartis dans la direction trans- versale. 3. Boîte collectrice selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle la distance entre deux ponts consécutifs dans la direction longitudinale ou dans la direction transversale n'excède pas 10 millimètres. 4. Boîte collectrice selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'insert délimite des conduits qui s'étendent généralement dans ladite direction longitudinale pour établir une communication de fluide entre lesdites ouvertures. 5. Boite collectrice selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle lesdites parois sont sensiblement planes et l'insert est formé d'au moins une plaque plane (8, ) munie de fentes longitudinales (15a-15e) définissant lesdits passages. 6. Boite collectrice selon la revendication 5, dans laquelle l'insert est formé d'une multiplicité de plaques planes (7-10) mutuellement empilées et brasées face contre face, dont l'une au moins (8, 10) est munie de fentes longitudinales (15a-15e) définissant lesdits passages. 7. Boite collectrice selon la revendication 6, dans laquelle lesdites plaques planes sont munies, les unes (8, ) de fentes longitudinales (15a-15e), les autres (7, 9) de fentes transversales (14a, 14b) dont la position dans la direction longitudinale correspond à celle desdites ouvertu- res (5). 8. Boîte collectrice selon l'une des revendications 6 et 7, dans laquelle lesdites plaques empilées présentent des évide- ments superposés (20) communiquant avec lesdites fentes et débouchant dans le bord périphérique des plaques pour former une entrée ou une sortie de fluide de l'échangeur de chaleur. 9. Boite collectrice selon la revendication 8, dans laquelle l'insert est obtenu par empilage de plaques présen- tant lesdits évidements (20). 10. Boîte collectrice selon la revendication 8, dans laquelle lesdits évidements (25) sont obtenus par usinage des plaques préalablement empilées. 11. Boîte collectrice selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle lesdites parois (4, 32) sont sensiblement planes et l'insert est formé d'un bloc épais (30) à faces planes traversé par des fentes longitudinales (31) définis- sant lesdits passages. 12. Boîte collectrice selon la revendication 11, dans laquelle une cavité formée par emboutissage du fond (32) com- munique avec lesdites fentes longitudinales et avec une ouverture (33) ménagée dans le fond pour former une entrée ou une sortie de fluide de l'échangeur de chaleur. 13. Boîte collectrice selon l'une des revendications 5 à 12, dans laquelle les bords périphériques des première et seconde parois (4, 11) sont écartés l'un de l'autre, l'étanchéité au fluide entre lesdits bords étant réalisée par l'interposition du bord périphérique de l'insert (12). 14. Boîte collectrice selon l'une des revendications 5 à 13, dans laquelle l'insert présente des fentes longitudinales mutuellement alignées dans la direction longitudinale (15a- e) et/ou des fentes transversales mutuellement alignées dans la direction latérale (14a, 14b) pour permettre une circulation de fluide en plusieurs passes entre la boîte collectrice et les tubes. 15. Boîte collectrice selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle l'une (40) au moins des première et seconde parois (6, 40) appartient à une pièce en forme de cuvette (41) dont le bord périphérique (42) est lié de manière étanche à celui de l'autre paroi, et l'insert (43) est une feuille ondulée dont les crêtes d'ondulation sont orientées longitudinalement et brasées en alternance aux deux parois. 16. Boîte collectrice selon la revendication 15, dans laquelle la feuille ondulée présente, dans la région des crêtes d'ondulation brasées à la plaque collectrice et en regard des ouvertures de cette dernière, des encoches destinées à permettre le passage des extrémités des tubes faisant saillie à l'intérieur de boîte collectrice. 17. Échangeur de chaleur, notamment pour un fluide réfrigé- rant dans une installation de climatisation de véhicule automobile, comprenant au moins une boite collectrice (13) selon l'une des revendications précédentes, et au moins une rangée de tubes plats (1) mutuellement alignés dans la direc- tion longitudinale, chaque tube communiquant par une de ses extrémités avec l'une des ouvertures (5) de la plaque collectrice (4). 18. Échangeur de chaleur selon la revendication 17, compre- nant une seule boîte collectrice (13) et dans lequel chaque tube présente une multiplicité de canaux de circulation séparés (3) débouchant à ses deux extrémités, son extrémité opposée à la boîte collectrice étant coiffée d'un bouchon (17) qui permet une communication entre les différents canaux pour une circulation en U dans le tube.