Brevet FR2785375A1 — publié le 20000505

Échangeur de chaleur à faisceau de tubes et collecteurs en matériau thermoplastictue La présente invention concerne la technologie des échan- geurs 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 refroidissement 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'autres par deux blocs d'extrémité définissant le sens 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, qui sont solidarisés de manière étanche à cette plaque à l'endroit de leur débouché. A cette plaque, généralement désignée"collecteur", est associé un capot de fermeture définissant une boîte à fluide"imposant la circulation du fluide dans des groupes de tubes et permettant 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 où les tubes sont des tubes en matériau thermoplastique, convenant en particulier à la réalisation d'échangeurs de chaleur"tout plastique" dans lesquels les tubes en matière plastique sont soudés ou collés à des collecteurs également en matière plastique. Les tubes de l'échangeur peuvent tre avantageusement réalisés par extrusion, thermoformage, etc. et sont assemblés au collecteur par collage et/ou soudage ("collage"dési- gnant 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). Mais pour assurer un échange de chaleur convenable avec des tubes en matière plastique, il faut des tubes de très petit diamètre et donc nombreux, afin de disposer d'une surface d'échange importante avec l'air environnant, sans qu'il soit en particulier nécessaire de prévoir entre les tubes des ailettes de refroidissement. Toutefois, du fait de ce très petit diamètre et de la souplesse de la matière plastique, l'assemblage des tubes au collecteur est parfois rendu délicat, dans la mesure où l'on doit notamment assurer une liaison parfaitement étan- che entre tubes et collecteur sur toute la périphérie des tubes. On sait par ailleurs réaliser des"nappes"de tubes individuels cylindriques réunissant une pluralité de tubes attenants dont chacun est lié à ses deux voisins par des génératrices communes respectives. Mais si l'on souhaite utiliser ces nappes de tubes pour réaliser un échangeur de chaleur, il n'est pas possible d'obtenir une traversée étanche en soudant les extrémités des tubes d'une nappe dans une ouverture commune de la plaque collectrice, du fait de la forme très particulière de la nappe en section droite à son extrémité (une succession de cercles tangents de petit diamètre). L'invention propose une solution à ce problème, solution qui permet, grâce à une structure particulière d'échangeur ainsi qu'à un procédé de fabrication approprié, d'utiliser ces nappes de tubes pour la réalisation d'échangeurs de chaleur avec une excellente étanchéité de l'assemblage 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 complications excessives au procédé de fabrication. L'échangeur de chaleur de l'invention est du type connu comprenant un faisceau de tubes parallèles et deux blocs d'extrémité joignant ces tubes. Chaque bloc d'extrémité comporte un collecteur en forme de plaque pourvue d'orifi- ces raccordés aux extrémités des tubes du faisceau. Selon l'invention, le faisceau de tubes comprend un empilement de nappes de tubes individuels cylindriques en matériau thermoplastique préformé, chaque nappe de tubes réunissant une pluralité de tubes attenants où chaque tube est joint au tube voisin le long d'une génératrice commune, les extrémités des tubes de chaque nappe sont disjointes des tubes attenants et décalées perpendiculairement par rapport au plan de la nappe et alternativement de part et d'autre de ce plan, et les orifices du collecteur sont des orifices circulaires décalés non jointifs recevant les extrémités homologues disjointes et décalées des tubes. De préférence, le décalage d'un tube perpendiculairement au plan de la nappe auquel appartient ce tube est d'environ le quart de l'intervalle séparant les plans de deux nappes adjacentes de l'empilement, et d'environ la moitié du pas des tubes dans la nappe. La partie du tube insérée dans le collecteur peut présenter une extrémité évasée coopérant avec un évasement homologue de l'orifice circulaire de ce collecteur, et les tubes cylindriques sont de préférence de révolution. L'invention vise également un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur du type ci-dessus, comprenant les éta- pes consistant à : a) obtenir une pluralité de nappes de tubes individuels cylindriques en matériau thermoplastique préformé, chaque nappe de tubes réunissant une pluralité de tubes attenants où chaque tube est joint au tube voisin le long d'une génératrice commune ; b) disjoindre des tubes attenants les extrémités des tubes de chaque nappe et les décaler perpendiculairement par rapport au plan de la nappe et alternativement de part et d'autre de ce plan ; c) assembler par empilement en un faisceau de tubes parallèles les nappes de tubes ainsi préparées ; d) réunir les extrémités des tubes du faisceau à des., blocs d'extrémité joignant ces tubes, chaque bloc d'extrémité comportant un collecteur en forme de plaque pourvue d'orifices circulaires décalés non jointifs homologues des extrémités disjointes et décalées des tubes du faisceau ; et e) solidariser de manière étanche au collecteur lesdites extrémités des tubes. L'étape b) de disjonction et de décalage peut notamment tre opérée au moyen d'aiguilles ou poinçons introduits dans les extrémités des tubes et auxquels on imprime ensuite le déplacement voulu, les tubes étant maintenus sur le reste de leur longueur. L'étape e) de solidarisation au collecteur est avantageusement opérée au moyen d'aiguilles chauffantes aptes à dilater les extrémités des tubes et chauffer celles-ci pour les solidariser par soudage ou collage au collecteur. À l'étape d) ou e), on peut en outre former sur la partie du tube insérée dans le collecteur un évasement coopérant avec un évasement homologue de l'orifice circulaire de la plaque collectrice. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous d'un exemple de réalisation, en référence aux dessins annexés. La figure 1 est une vue en plan, selon I-I de la figure 2, d'un collecteur adapté à la réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention. La figure 2 est une vue en coupe, selon II-II de la figure 1, de ce mme collecteur'. La figure 3 est une vue perspective d'une nappe de tubes, dont les extrémités des tubes ont été préparées pour permettre leur assemblage au collecteur. La figure 4 montre, en perspective, l'ensemble constitué par le collecteur auquel ont été assemblées plusieurs nappes de tubes selon le procédé de l'invention, et fermé par une boite à fluide. La figure 5 est une vue de bout, agrandie, d'un faisceau de tubes formé d'un empilement de nappes individuelles telles que celle illustrée figure 3. Un échangeur de chaleur comporte essentiellement un faisceau de tubes parallèles réunis de chaque côté par des blocs d'extrémité définissant des volumes internes communiquant avec les tubes de manière à imposer une configuration de circulation de fluide prédéterminée dans l'échangeur de chaleur. Chaque bloc d'extrémité comporte, de manière en elle-mme connue, une plaque 10 ou"collecteur"pourvue d'orifices 12 recevant les extrémités des tubes du faisceau. Cette plaque sera associée à 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 orifices 12 du collecteur sont identiques et présentent à leur débouché des évasements 14 (côtés tubes) et 16 (côté boite à fluide). Le collecteur comporte également une ou plusieurs gorges 18 pour l'assemblage de la boite à fluide. L'invention vise le cas particulier où les tubes sont, comme illustré figure 3, des tubes 20 de petit diamètre réalisés par exemple par extrusion et/ou thermoformage d'une nappe de tubes jointifs, chaque tube étant lié à ses deux voisins sur toute la longueur d'une génératrice respective commune. On sait obtenir par cette technique des tubes de très petit diamètre et donc nombreux, offrant donc une très grande surface d'échange, permettant en particulier de s'affran- chir de la présence d'ailettes entre tubes adjacents. Avantageusement, le collecteur 10 et la boite à fluide qui lui est associée peuvent tre également réalisés en un matériau thermoplastique, ce qui autorise un assemblage aisé par collage et/ou soudage, suivant des techniques en ellesmmes connues. Le matériau thermoplastique considéré est par exemple un polyamide 6-6, matériau qui se prte aisément à toutes les techniques habituelles d'extrusion, formage, etc., notamment pour permettre la réalisation d'une nappe de tubes. L'assemblage de pièces en ce matériau peut tre 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 tre activée par chauffage des pièces). On sait également produire des nappes de tubes où chaque tube présente une structure composite, avec une peau extérieure qui se ramollit facilement et qui enveloppe une paroi intérieure plus résistante à la chaleur, de manière à optimiser les opérations de soudage et collage. Les extrémités des tubes d'une nappe étant jointives, il n'est pas possible d'obtenir une traversée étanche en soudant ces extrémités telles quelles dans une ouverture commune de la plaque collectrice. Pour contourner cette difficulté, l'invention propose de disjoindre les extrémités 22 des tubes 20 en les déplaçant perpendiculairement au plan de la nappe, une fois d'un côté (comme en 24) et une fois du côté opposé (comme en 26). On obtient ainsi, vue de bout, une configuration en quinconce, comme illustrée figure 5, configuration qui peut tre obtenue par exemple au moyen d'aiguilles ou de poinçons introduits dans les extrémités 22 des tubes, et auxquels on imprime ensuite le déplacement voulu en maintenant en place les tubes sur le reste de leur longueur. Les orifices 12 du collecteur 10, quant à eux, présentent une configuration en quinconce semblable, comme on peut le voir figure 1. Avantageusement, si e est le pas séparant deux orifices 12 d'une mme rangée, on prévoit un décalage d'un demi-pas pour la rangée suivante, l'intervalle entre deux rangées successives ayant une valeur e/2. On obtient ainsi une configuration où les axes des orifices occupent les quatre sommets d'un carré, avec un cinquième orifice dont l'axe occupe le centre de ce mme carré. Comme on le sait, cette configuration est celle qui procure la plus grande densité de tubes par unité de surface du collecteur. Bien que non limitative, elle constitue donc la configuration optimale du point de vue de la compacité du faisceau de tubes. Pour obtenir cette configuration, comme on peut le voir plus en détail sur la figure 5, l'intervalle entre les plans de deux nappes successives est égal à e, c'est-à-dire le double de l'entraxe e/2 entre deux tubes d'une mme nappe, et le décalage en quinconce des tubes perpendiculairement au plan de la nappe est de e/4. Pour le montage de l'échangeur de chaleur, les nappes de tubes 28 préparées de la manière illustrée figure 3 sont mutuellement empilées, en maintenant un écartement approprié, de manière à former le faisceau de tubes. Ce faisceau est ensuite monté dans le collecteur 10, les extrémités 22 des tubes 20 venant se placer dans les divers orifices homologues 12, placement qui est facilité par la présence des évasements 14 (figure 2). Les extrémités des tubes sont ensuite collées ou soudées au collecteur 10, par exemple au moyen d'aiguilles chauffantes qui dilatent et déforment ces extrémités, avantageusement en les évasant de manière à venir les plaquer contre la paroi inclinée des l'évasements 16 (figure 2), comme en 32. On peut ensuite monter sur le collecteur 10 solidarisé au faisceau de tubes la boite à fluide 30, également par collage ou soudage, de manière à obtenir un échangeur de chaleur"tout plastique assemblé entièrement par collage et/ ou soudage, sans aucune pièce de liaison ou de montage intermédiaire. Revendications 1. Échangeur de chaleur pour véhicule automobile, comprenant un faisceau de tubes parallèles (20) et deux blocs d'extrémité (10,30) joignant ces tubes, chaque bloc d'extrémité comportant un collecteur (10) en forme de plaque pourvue d'orifices (12) raccordés aux extrémités des tubes du faisceau, caractérisé en ce que le faisceau de tubes comprend un empilement de nappes (28) de tubes individuels cylindriques en matériau thermoplastique préformé, chaque nappe de tubes réunissant une pluralité de tubes attenants où chaque tube est joint au tube voisin le long d'une génératrice commune, en ce que les extrémités (22) des tubes de chaque nappe sont disjointes des tubes attenants et décalées perpendiculairement par rapport au plan de la nappe et alternativement (24, 26) de part et d'autre de ce plan, et en ce que les orifices (12) du collecteur sont des orifices circulaires décalés non jointifs recevant les extrémités homologues disjointes et décalées des tubes. 2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le décalage (e/4) d'un tube perpendiculairement au plan de la nappe auquel appartient ce tube est d'environ le quart de l'intervalle (e) séparant les plans de deux nappes adjacentes de l'empilement. 3. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le décalage (e/4) d'un tube perpendiculairement au plan de la nappe auquel appartient ce tube est d'environ la moitié du pas (e/2) des tubes dans la nappe. 4. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie du tube insérée dans le collecteur présente une extrémité évasée (32) coopérant avec un évasement homologue (16) de l'orifice circulaire (12) de ce collecteur. 5. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tubes cylindriques sont de révolution. 6. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur pour véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : a) obtenir une pluralité de nappes (28) de tubes individuels cylindriques (20) en matériau thermoplastique préfor- mé, chaque nappe de tubes réunissant une pluralité de tubes attenants où chaque tube est joint au tube voisin le long d'une génératrice commune, b) disjoindre des tubes attenants les extrémités (22) des tubes de chaque nappe et les décaler perpendiculairement par rapport au plan de la nappe et alternativement (24,26) de part et d'autre de ce plan, c) assembler par empilement en un faisceau de tubes paallèles les nappes de tubes ainsi préparées, d) réunir les extrémités des tubes du faisceau à des blocs d'extrémité (10,30) joignant ces tubes, chaque bloc d'extrémité comportant un collecteur (10) en forme de plaque pourvue d'orifices circulaires (12) décalés non jointifs homologues des extrémités disjointes et décalées des tubes du faisceau, et e) solidariser de manière étanche au collecteur lesdites extrémités des tubes. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'étape b) de disjonction et de décalage est opérée au moyen d'aiguilles ou poinçons introduits dans les extrémi- tés des tubes et auxquels on imprime ensuite le déplacement voulu, les tubes étant maintenus sur le reste de leur longueur. 8. Procédé selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que l'étape e) de solidarisation au collecteur est opérée au moyen d'aiguilles chauffantes aptes à dilater les extrémités des tubes et chauffer celles-ci pour les solidariser par soudage ou collage au collecteur. 9. Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que, à l'étape d) ou e), on forme sur la partie du tube insérée dans le collecteur un évasement (32) coopérant avec un évasement homologue (16) de l'orifice circulaire (12) du collecteur.