Brevet FR2810731A1 — publié le 20011228

Echangeur de chaleur à tubes souples en matière plastique, notamment pour véhicule automobile L'invention se rapporte aux échangeurs de chaleur destinés notamment aux véhicules automobiles. Elle concerne plus particulièrement un échangeur de chaleur du type comprenant un faisceau formé uniquement de tubes souples en matière plastique, dont les extrémités sont reliées chacune à un collecteur équipé d'une boite à fluide, ainsi des entretoises interposées entre les collecteurs. Un échangeur de chaleur de ce type est aussi appelé "échan geur sans ailettes" étant donné que le faisceau formé uniquement de tubes souples, encore appelés "capillaires". Ces derniers ont généralement un faible diamètres, typique ment l'ordre de 1 à 5 millimètres, et ils sont habituel lement réalisés par extrusion d'une matière thermoplastique, par exemple d'un polyamide. De tels échangeurs de chaleur sont utilisés notamment dans l'industrie automobile pour constituer, par exemple, un radiateur de refroidissement du moteur, un radiateur de chauffage de l'habitacle, ou encore un refroidisseur air de suralimentation. Les échangeurs de chaleur à tubes souples en matière plasti que ont notamment pour avantage d'être plus légers les échangeurs de chaleur conventionnels à tubes métalliques Ils sont en outre plus résistants aux chocs, du fait leur possibilité de déformation. Cependant, la réalisation de tels échangeurs de chaleur â tubes souples en matière plastique pose certains problemes du fait que ces tubes ont un coefficient de dilatation beaucoup plus élevé que les métaux ou alliages métalliques utilisés dans les tubes conventionnels, par exemple l'aluminium. Habituellement, dans un échangeur de chaleur de ce type, les deux boîtes à fluide sont fixées sur la structure du véhicule par l'intermédiaire de fixations mécaniques, telles que des pattes, des brides, etc. Du fait du coefficient de dilatation élevé des matières plastiques, lorsque ces tubes sont parcourus par un fluide à une température élevée, supérieure à la température ambiante, l'allongement des tubes ne peut être compensé au niveau des points de fixation, comme dans le cas des échangeurs de chaleur conventionnels. I1 en résulte que ces tubes se déforment dans toutes les directions et perturbent le fonctionnement de l'échangeur de chaleur en créant une perte de charge élevée. L'invention a notamment pour but de surmonter cet inconvé nient. Elle propose à cet effet un échangeur de chaleur du type défini en introduction, dans lequel chaque entretoise possède une longueur utile supérieure à la distance entre les collecteurs dans une configuration au repos, d'où il résulte que les tubes sont en permanence sous tension, sans atteindre la limite de déformation élastique. Il en résulte que la tension des tubes décroît avec la température du fluide qui les traverse. Lorsque la tempéra ture du fluide est maximale, la limite de déformation élastique n'est pas atteinte, et ceux-ci restent néanmoins sous tension sans pouvoir se déformer. Avantageusement, l'écart de longueur entre la longueur utile de l'entretoise et la distance au repos entre les collecteurs correspond sensiblement à l'allongement axial des tubes, par effet de dilatation, entre une longueur minimale à la température ambiante et une longueur maximale à la tempéra ture de fonctionnement de l'échangeur. De la sorte, on garantit que, à la température de fonctionne ment de l'échangeur, l'allongement axial tubes ne peut dépasser 1 écart de longueur précité. Selon une autre caractéristique de l'invention, chaque entretoise est interposée entre les collecteurs, alors que les tubes sont dans une configuration allongée, en laquelle la distance entre les collecteurs est supérieure à leur distance dans la configuration au repos. Cette configuration allongée des tubes peut être obtenue de différentes manières. L'une d'entre elles consiste à porter le faisceau de tubes à une température supérieure ou égale à la température moyenne de fonctionnement de l'échangeur. Une autre maniere réside dans une traction mécanique des tubes à la température ambiante. Selon une autre caractéristique de l'invention, chaque entretoise a des extrémités opposées engagées respectivement dans des rainures des collecteurs. Avantageusement, l'échangeur de chaleur comprend en outre au moins une plaque d'espacement traversée les tubes du faisceau. Sous un autre aspect, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur tel défini précé demment, lequel comprend les opérations suivantes a) - prévoir un faisceau de tubes souples en matière plasti que dont extrémités sont reliées chacune à un collecteur équipé d'une boite à fluide, en sorte que les collecteurs ménagent entre eux une distance dans une configuration au repos, b) - prévoir des entretoises qui possèdent une longueur utile supérieure à la distance entre les collecteurs dans la configuration au repos, c) - provoquer un allongement axial des tubes dans des conditions contrôlées, en sorte que la distance entre les collecteurs augmente pour devenir sensiblement égale la longueur utile des entretoises, et d) - interposer les entretoises entre les collecteurs. Avantageusement, on prévoit que l'écart de longueur entre la longueur utile de l'entretoise et la distance au repos entre les collecteurs correspondent sensiblement à l'allongement axial des tubes, par effet de dilatation, entre une longueur minimale à la température ambiante et une longueur maximale â la température de fonctionnement. Dans l'opération c), l'allongement des tubes est obtenue par exemple en portant le faisceau de tubes à une température supérieure ou égale à la température moyenne de fonctionne ment, ou encore par traction mécanique des tubes à la température ambiante, par exemple au moyen d'une machine de traction. Dans l'opération d), il est avantageux d'engager les extrémi tés opposées des entretoises, respectivement dans des rainures des collecteurs. Dans la description qui suit, faite seulement titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels - la figure est une vue de face d'un échangeur de chaleur selon l'invention, faisant apparaitre, sur la demi-vue du haut, l'échangeur avant mise en place des entretoises et, sur la demi-vue du bas, l'échangeur après mise en place des entretoises - la figure 2 est une vue de face d'une entretoise ; - la figure 3 représente le détail III de la figure 1 ; et - la figure 4 est une vue de face de l'échangeur de chaleur après mise en place des entretoises et des plaques d'espace ment. On se réfère d'abord à la figure 1 qui montre un échangeur de chaleur comprenant un faisceau 10 formé uniquement de tubes souples 12, encore appelés capillaires, réalisés en matière plastique. Ces tubes peuvent avoir un faible diamètre, typiquement de l'ordre de 1 à 5 millimètres, et sont réalisés par extrusion d'une matière thermoplastique en particulier d'un polyamide. Les tubes 12 sont disposés parallèlement entre eux et ont des extrémités respectives 14 et 16 qui sont reliées respective ment à deux collecteurs 18 et 20, de maniere étanche. Les extrémités 14 des tubes sont ainsi rendues solidaires du collecteur 18 et, de même, les extrémités 16 des tubes sont rendues solidaires du collecteur 20. Les collecteurs 18 et 20 sont coiffés respectivement par deux boîtes à fluide 22 et 24, encore appelées boîtes collectrices. Ces dernières sont munies respectivement d'une tubulure 26 et d'une tubulure 28 de circulation de fluide. Ainsi, un fluide peut pénétrer dans l'une boîtes collec trices, par exemple la boite collectrice 22 par la tubulure 26, pour parcourir ensuite les tubes du faisceau et sortir par l'autre boite collectrice, par exemple par la tubulure 28 de la boîte collectrice 24. Dans la fabrication de l'échangeur de chaleur, on commence d'abord par relier les extrémités 14 et 16 des tubes, respectivement aux collecteurs 18 et 20. L'échangeur de chaleur se trouve alors dans une configuration au repos, à la température ambiante, dans laquelle la distance au repos entre les collecteurs 18 et 20 correspond à une valeur L2 (voir partie supérieure de la figure 1). On comprendra que, en cours de fonctionnement, les tubes 12 peuvent être parcourus par un fluide à température élevée engendrant une dilatation des tubes, notamment dans la direction axiale, en sorte que la distance entre les deux collecteurs prenne alors une valeur supérieure à L2. Si les boîtes collectrices sont alors fixées sur la structure du véhicule, il en résulte que ces tubes s'allongent et adoptent une conformation non linéaire, susceptible de créer des problèmes, notamment des pertes de charge. Conformément à l'invention, on provoque un allongement axial des tubes, ce entraîne par conséquent un écartement des collecteurs 18 et 20, c'est-à-dire une augmentation de leur distance mutuelle, comme montré sur la partie inférieure de la figure 1. Cette augmentation de longueur des tubes peut être réalisée de plusieurs manières. L'une d'entre elles consiste à porter le faisceau de tubes à une température supérieure ou égale à la température moyenne de fonctionnement de l'échangeur, c'est-à-dire à la tempéra ture moyenne susceptible d'être atteinte par le fluide qui parcourt les tubes du faisceau. Une autre maniere consiste à étirer mécaniquement les tubes à la température ambiante, par exemple au moyen d'une machine de traction. Dans tous les , ceci se traduit par une augmentation de la distance entre les collecteurs, qui atteint une valeur supérieure à L2. Cet écart de longueur (DL) correspond sensiblement à la valeur de l'allongement axial des tubes. En conséquence, la distance entre les deux collecteurs atteint une valeur qui est sensiblement égale à L2 + DL. On prévoit par ailleurs au moins deux entretoises 30, comme montré à la figure 2. Ces entretoises s'étendent sur une longueur L1, laquelle correspond sensiblement à la valeur L2 + DL. Ces entretoises ont des extrémités respectives 32 et 34 qui sont destinées à être reçues respectivement dans des rainures 36 et 38, disposées en vis-à-vis, et formées respectivement sur les collecteurs 18 et 20. Les tubes 12 du faisceau étant allongés, comme indiqué précédemment, on met en place les entretoises 30 entre les collecteurs 18 et 20. Cette opération s'effectue en engageant les extrémités 32 et 34 de chaque entretoise, respectivement dans les rainures 36 et 38. I1 en résulte que la distance entre les collecteurs 18 et 20 est maintenue à la valeur L1, c'est-à-dire à la longueur utile de l'entretoise. Comme l'écart de longueur entre la longueur utile L1 de l'entretoise et la distance au repos L2 entre les collecteurs est égal à DL, il correspond sensiblement à l'allongement axial des tubes. Cet allongement axial, obtenu par effet de dilatation, correspond à la différence entre la longueur minimale des tubes à la température ambiante et la longueur maximale des tubes à la température de fonctionnement de l'échangeur de chaleur. I1 en résulte que, après mise en place des entretoises, les tubes sont maintenus sous tension, sans toutefois atteindre la limite de déformation élastique. Par consequent, même si l'échangeur de chaleur est parcouru par un fluide à haute température, c'est-à-dire à la tempéra ture maximale de fonctionnement de l'échangeur, ces tubes sont néanmoins maintenus sous tension par les entretoises 30. Dans ces conditions, les tubes ne sont pas susceptibles se dilater davantage et d'adopter une configuration non linéai re. Sur le détail de la figure 3, on aperçoit comment une extrémité d'une entretoise, dans l'exemple l'extrémité 34, est engagée dans la rainure 38. Comme montré sur la figure 4, on dispose des plaques d'espa cement qui possèdent des trous ou ouvertures (non repré- sentés) traversés par les tubes du faisceau. Ces plaques sont espacées mutuellement et sont fixées chacune aux entretoises. On obtient ainsi un échangeur chaleur à tubes souples qui, du fait des contraintes exercées par les entretoises, ne risque pas de subir des déformations sous l'effet de la température élevée du fluide qui le traverse. Même si ce fluide atteint une valeur correspondant à la température maximale de fonctionnement de l'échangeur, les tubes ne risquent pas d'adopter une configuration non linéaire préjudiciable au bon fonctionnement de l'échangeur. L'invention trouve une application particulière aux échan geurs de chaleur pour véhicules automobiles. I1 peut s'agir notamment de radiateur de refroidissement du moteur, d'un radiateur de chauffage de l'habitable ou encore d'un refroi disseur d'air de suralimentation. Revendications 1. Echangeur de chaleur comprenant un faisceau formé uniquement de tubes souples (12) en matière plastique dont les extrémités sont reliées chacune à un collecteur (18, 20) équipé d'une boîte à fluide (22, 24), ainsi que des entretoi ses (30) interposées entre les collecteurs, caractérisé en ce que chaque entretoise (30) possède une longueur utile (L1) supérieure à la distance (L2) entre les collecteurs (18, 20) dans une configuration au repos, d'OÙ il résulte que les tubes (12) sont en permanence sous tension, sans atteindre la limite de déformation élastique. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caracté risé en que l'écart de longueur (DL) entre la longueur utile (L1) des entretoises (30), et la distance ( ) entre les collecteurs (18, 20) correspond sensiblement à l'allonge ment axial des tubes (12), par effet de dilatation, entre une longueur minimale à la température ambiante et une longueur maximale la température de fonctionnement de l'échangeur. 3. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque entretoise (30) est interpo sée entre les collecteurs (18, 20), alors que les tubes (12) sont dans une configuration allongée, en laquelle la distance entre les collecteurs est supérieure à leur distance (L2) dans la configuration au repos. 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caracté risé en ce que la configuration allongée des tubes (12) est obtenue en portant le faisceau de tubes à une température supérieure ou égale à la température moyenne de fonctionne ment de l'échangeur de chaleur. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caracté risé en ce que la configuration allongée des tubes (12) est obtenue par traction mécanique des tubes à la temperature ambiante. 6. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque entretoise (30) a des extrémités opposées (32, 34) engagées respectivement dans des rainures (36, 38) des collecteurs (18, 20). 7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une plaque d'espacement (40) traversée par les tubes (12) du faisceau. 8. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon 'une des revendications 1 à 7, caractérisé en qu'il comprend les opérations suivantes a) prévoir un faisceau de tubes souples (12) en matière plastique dont les extrémités (14, 16) sont reliées chacune à un collecteur (18, 20) équipé d'une boîte à fluide (22, 24), en sorte que les collecteurs ménagent entre une distance (L2) dans une configuration au repos, prévoir des entretoises (30) qui possèdent une longueur utile (L1) supérieure à la distance (L2) entre les collec teurs (18, 20) dans la configuration au repos, c) provoquer un allongement axial des tubes (12) dans des conditions contrôlées, en sorte que la distance entre les collecteurs (18, 20) augmente pour devenir sensiblement egale à la longueur utile (L1) des entretoises (30), et d) interposer les entretoises (30) entre les collecteurs (18, 20). 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'écart de longueur (DL) entre la longueur utile (L1) des entretoises, et la distance (L2) entre les collecteurs (18, 20) correspond sensiblement à l'allongement axial des tubes, par effet de dilatation, entre une longueur minimale à la température ambiante et une longueur maximale à la tempéra ture de fonctionnement. 10. Procédé selon l'une des revendications 8 et 9, caracté risé en ce que, dans l'opération c), l'allongement des tubes (12) est obtenu en portant le faisceau de tubes à une température supérieure ou égale la température moyenne de fonctionnement. 11. Procédé selon l'une des revendications 8 et 9, caracté risé en ce que, dans l'opération c), l'allongement des tubes (12) est obtenu par traction mécanique des tubes à la température ambiante, par exemple au moyen d'une machine de traction. 12. Procédé selon l'une des revendications 8 à 11, caracté risé en ce que, dans l'opération c), on engage des extrémités opposées (32, 34) des entretoises (30) respectivement dans des rainures (36, 38) des collecteurs (18, 20).