Brevet FR2843448A1 — publié le 20040213

VTM1385.FRD Echangeur de chaleur plan. en particulier pour véhicule automobile, et procédé pour sa fabrication L'invention se rapporte au domaine des échangeurs de chaleur, notamment pour véhicules automobiles. Plus précisément, l'invention concerne un échangeur de chaleur comportant des canaux parallèles d'échange de chaleur ayant une longueur et 10 disposés dans un plan, et des surfaces d'échange de chaleur associées aux tubes, un gaz caloporteur circulant au contact de ces surfaces d'échange de chaleur. Les véhicules modernes comportent des échangeurs de chaleur de 15 plus en plus nombreux afin de gérer au mieux l'énergie thermique développée par le moteur du véhicule. La présence de ces échangeurs sous le capot du véhicule soulève un certain nombre de problèmes. Les échangeurs sont généralement disposés en position verticale à l'avant du véhicule, de manière à être 20 traversés par un flux d'air de refroidissement lorsque le véhicule circule. Cette disposition conduit à superposer les échangeurs, qui sont alors traversés par un même flux d'air, de sorte que le refroidissement assuré par l'échangeur situé en arrière-plan par rapport au flux d'air est moins efficace. 25 D'autre part, les échangeurs occupent un volume important sous le capot moteur dont le volume est limité. On connaît par ailleurs des échangeurs disposés horizontalement. Un carter de guidage permet de dévier le flux 30 d'air de manière qu'il traverse les ailettes de refroidissement du radiateur perpendiculairement au plan de ce dernier. La présente invention a notamment pour but de procurer un échangeur de chaleur qui remédie à ces inconvénients et qui, 35 notamment, permet de résoudre les problèmes d'encombrement liés à la présence d'un grand nombre d'échangeurs à bord des véhicules. Ces buts sont atteints, conformément à l'invention, par le fait que les surfaces d'échange de chaleur des canaux sont orientées dans le plan des canaux d'échange de chaleur, ce qui permet de créer un échangeur de chaleur de faible épaisseur. Grâce à cette caractéristique, l'échangeur peut être disposé dans le véhicule de telle manière que son plan soit horizontal. Lorsque le véhicule circule, le flux d'air de refroidissement 10 est parallèle au plan du radiateur et, par conséquent, aux génératrices des surfaces d'échange de chaleur. Ce flux d'air vient lécher les surfaces d'échange de chaleur de manière à les refroidir. Grâce à sa position horizontale, l'échangeur de chaleur de l'invention occupe un très faible encombrement en hauteur. Il peut donc être placé à des endroits o un échangeur de type classique ne pourrait pas être disposé, par exemple sous le plancher du véhicule. Il peut ainsi être implanté très aisément 20 sans encombrer le faible volume disponible sous le capot moteur. Bien entendu, cet échangeur de chaleur peut aussi être disposé verticalement ou dans une position oblique. 25 Dans une variante de réalisation préférée, les surfaces d'échange de chaleur sont orientées parallèlement aux canaux d'échange de chaleur. Toutefois, les surfaces d'échange peuvent également être orientées perpendiculairement aux canaux d'échange de chaleur. Les surfaces d'échange de chaleur sont, de préférence, constituées par des ailettes planes, mais elles pourraient 35 présenter une autre forme, par exemple une forme ondulée. Dans ce cas, ce sont les génératrices de cette forme qui sont orientées dans le plan des canaux d'échange de chaleur. Des caractéristiques complémentaires ou optionnelles de l'invention sont énumérées ci-après: - les canaux d'échange de chaleur sont des tubes; les tubes sont obtenus par extrusion; - les ailettes sont planes et disposées dans des plans verticaux; - les canaux d'échange de chaleur débouchent à leurs extrémités dans des boîtes collectrices ayant une épaisseur sensiblement égale à l'épaisseur des canaux d'échange de chaleur; - les boîtes collectrices sont formées chacune à partir d'une tôle roulée et emboutie ayant des lèvres entre lesquelles 15 sont introduites les extrémités des canaux; - les extrémités des canaux sont débarrassées localement de leurs surfaces d'échange de chaleur et introduites de manière étanche dans des logements respectifs aménagés entre les lèvres des boîtes collectrices; - l'échangeur de chaleur est implanté horizontalement sous un plancher d'un véhicule automobile; l'échangeur comporte une grille de protection sur sa face inférieure; l'échangeur de chaleur est assemblé par brasage par 25 induction; - l'épaisseur de l'échangeur est comprise entre 15 mm et 20 mm. Par ailleurs, l'invention concerne un procédé de fabrication de l'échangeur de chaleur. Selon ce procédé: 30 on extrude, en grande longueur, un profil de section fermée comportant des surfaces d'échange de chaleur; on coupe à longueur le profil de grande longueur, de manière à déterminer des tubes de longueur; on supprime les surfaces d'échange de chaleur aux extrémités des tubes sur une longueur déterminée pour permettre le montage de ces extrémités dans des boîtes collectrices; on monte les tubes sur les boîtes collectrices; et on brase les boites collectrices, les tubes et les tubulures, de préférence par induction. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées. Sur ces figures: 10 - la Figure 1 est une vue générale en plan d'un échangeur de chaleur conforme à la présente invention; - la Figure 2 est une vue latérale en bout de l'échangeur représenté sur la Figure 1; - la Figure 3 est une vue latérale de l'échangeur selon une direction perpendiculaire à celle de la représentation de la Figure 2; - la Figure 4 est une vue en coupe selon la ligne IV-IV de la Figure 3 de l'échangeur représenté sur les Figures 1 à 3; 20 - les Figures 5 à 7 sont respectivement des vues en coupe de l'échangeur représenté sur la Figure 1, selon les lignes V-V, VI-VI et VII-VII de l'échangeur de la Figure 1; - la Figure 8 est une vue schématique qui représente l'implantation de l'échangeur de l'invention sous le plancher 25 d'un véhicule automobile; et - la Figure 9 est une vue partielle en coupe d'un échangeur selon une autre forme de réalisation de l'invention. L'échangeur de l'invention représenté en vue de plan sur la 30 Figure 1 comporte une première boîte collectrice 4 et une seconde boîte collectrice 6. Les boîtes collectrices 4 et 6 sont en communication par l'intermédiaire d'un faisceau 8 de tubes parallèles 10 allongés. Une extrémité de chacun des tubes 10 est raccordée à la boîte collectrice 4, tandis que l'autre 35 extrémité de chaque tube est raccordée à la boîte collectrice 6. Dans l'exemple représenté, la boîte collectrice 4 est raccordée, à l'une de ses extrémités, à une tubulure d'entrée 12 pour un fluide caloporteur, par exemple un fluide de refroidissement, comme schématisé par la flèche 14, et, à son 5 autre extrémité, à une tubulure de sortie 16 pour la sortie du fluide caloporteur, comme schématisé par la flèche 18. Dans l'exemple (Figure 4), la boîte collectrice 4 est scindée en deux chambres 20 et 22 par une cloison de séparation 10 intermédiaire 24. On réalise ainsi un échangeur de chaleur à deux passes. Le fluide caloporteur pénètre d'abord dans la chambre 20, qui constitue une chambre d'entrée, parcourt les tubes 10 du faisceau 8 raccordé à la chambre 20 de droite à gauche, selon les figures, comme schématisé par les flèches 26. 15 Après avoir traversé les tubes 10, le fluide de refroidissement pénètre dans la boîte collectrice 6 et retourne dans la chambre 22, comme schématisé par les flèches 28. Cette caractéristique est avantageuse parce qu'elle permet de raccorder les tubulures d'entrée 12 et de sortie 16 à une même boîte collectrice et, 20 par conséquent, de les disposer d'un même côté de l'échangeur. Toutefois, il va de soi qu'elle n'est pas impérative et l'échangeur de l'invention pourrait ne comporter qu'une passe unique, ou un nombre impair de passes, de telle sorte que la 25 tubulure d'entrée et la tubulure de sortie seraient raccordées à des boîtes collectrices différentes. Comme on peut le constater sur les Figures 6 et 7, les boîtes collectrices 4 et 6 présentent une forme aplatie, arrondie à 30 chacune de leurs extrémités, ceci afin de diminuer l'encombrement global en hauteur ou épaisseur de l'échangeur. De préférence, la hauteur des boîtes collectrices ne dépasse pas celle des tubes 10, de manière à ne pas augmenter l'encombrement vertical de l'échangeur. Les tubulures d'entrée 35 12 et de sortie 16 présentent une partie cylindrique 19 qui se transforme progressivement en une partie aplatie 21, de manière à s'adapter aux extrémités de la boîte collectrice 4. On a représenté sur la Figure 5 une vue en section d'un tube 10 de l'échangeur. Ce tube comporte une partie de section fermée 5 30, à laquelle sont associées des surfaces de refroidissement 32. Dans l'exemple représenté, la partie de section fermée est constituée d'un tube aplati, arrondi à ses deux extrémités, et comportant quatre cloisons de séparation 34, de manière à délimiter cinq canaux de circulation parallèles 36 pour le 10 fluide caloporteur. Bien entendu, la partie de section fermée pourrait prendre d'autres formes. Elle pourrait être, par exemple, circulaire ou carrée. Par ailleurs, elle ne comporte pas nécessairement de 15 cloison de séparation. Toutefois, la section représentée sur la Figure 5 est avantageuse parce qu'elle permet, une fois encore, de diminuer l'encombrement en hauteur des éléments de circulation du fluide. Des surfaces de refroidissement 32 sont associées à la partie de section fermée 30. Dans l'exemple, elles sont constituées par des ailettes disposées dans des plans verticaux 38. Les ailettes 32 sont ainsi perpendiculaires à l'axe longitudinal 40 de la partie de section fermée 30. Bien entendu, les ailettes 25 pourraient présenter une autre orientation. Elles pourraient également être constituées par des surfaces non planes, par exemple par des surfaces ondulées présentant des régions d'extrémité en contact thermique avec la partie de section fermée 30. Dans ce cas, les génératrices de ces surfaces 30 d'échange ondulées sont disposées parallèlement au sens de circulation du flux d'air de refroidissement. Ainsi l'échangeur de chaleur est généralement plan et il présente une épaisseur réduite. De préférence, les tubes 10 sont obtenus par extrusion. Ce procédé de fabrication est particulièrement avantageux parce qu'il permet de réaliser en une seule opération la partie de section fermée 30 comportant les cloisons de séparation 34 et les ailettes 32. On extrude des tubes de grande longueur qui sont ensuite coupés à la bonne dimension. On dégage ensuite les 5 ailettes 32 à chacune des extrémités des tubes 10, de manière à ne laisser subsister que la partie de section fermée 30, comme représenté sur la Figure 6. Par exemple, on élimine les ailettes 32 aux extrémités des tubes 10 sur une longueur de 4 mm environ. Cette partie est alors insérée dans des logements 42 de forme complémentaire prévus dans les boîtes collectrices 4 et 6 à intervalles réguliers correspondant à l'espacement des tubes 10. Entre les tubes, les boîtes collectrices 4 et 6 présentent 15 une section entièrement fermée, comme représenté sur la Figure 7, les lèvres 44 et 46 étant jointives et assemblées l'une à l'autre de manière étanche. Les boîtes collectrices 4 et 6 peuvent ainsi être réalisées aisément en tôle roulée et emboutie. Les tubes ayant été insérés dans les orifices 42 des boîtes collectrices 4 et 6, les tubes 10, les boîtes collectrices et les tubulures 12 et 14 sont brasés avantageusement par induction. On pourrait également braser l'échangeur dans un 25 four de brasage classique. On fixe ensuite, éventuellement, une grille de protection 50 sur la face de l'échangeur destinée à être orientée face au sol. On a représenté sur la Figure 8 une vue schématique en coupe 30 montrant l'implantation de l'échangeur de chaleur de l'invention sous un plancher 52 d'un véhicule automobile. Cette disposition est permise par le très faible encombrement vertical de l'échangeur, compris de préférence entre 15 mm et 20 mm. Une grille de protection 50 est disposée sous la face 35 inférieure de l'échangeur. Le flux d'air 54 engendré par la circulation du véhicule parcourt les tubes 10 dans le sens de leur longueur en léchant les ailettes 32 alors que, dans un échangeur de type classique, le flux d'air est orienté perpendiculairement au plan de l'échangeur et traverse le faisceau de tubes. Dans l'exemple de réalisation décrit sur les Figures 1 à 7, les surfaces d'échange de chaleur 32 sont orientées dans le sens de la longueur des canaux de section fermée 30. Toutefois, cette disposition n'est pas impérative et les surfaces d'échange de 10 chaleur 32 pourraient être également orientées perpendiculairement à ces canaux 30. Ainsi, comme représenté à la Figure 9, les surfaces d'échange de chaleur peuvent être constituées par des ailettes fines, 15 ondulées et parallèles 56, traversées par dés tubes 10 de l'échangeur. Les ailettes 56 forment ainsi des surfaces d'échange qui sont orientées perpendiculairement aux canaux d'échange de chaleur. Toutefois, dans cette réalisation également, l'échangeur est disposé horizontalement et le flux 20 d'air 54 de refroidissement parcourt les ailettes 56 en les léchant et non en traversant le faisceau des tubes, comme on le voit sur la Figure 9. Dans une application préférentielle, l'échangeur de chaleur de 25 l'invention est réalisé sous la forme d'un radiateur parcouru par le fluide de refroidissement du moteur du véhicule. Il peut aussi servir à d'autres fins et constituer par exemple un condenseur d'un circuit de climatisation parcouru par un fluide frigorigène. Revendications 1. Echangeur de chaleur comportant des canaux parallèles d'échange de chaleur (30) ayant une longueur disposée dans un 5 plan et des surfaces d'échange de chaleur (32; 56) associées aux canaux d'échange de chaleur (30), un gaz caloporteur (54) circulant au contact de ces surfaces d'échange de chaleur (32), caractérisé en ce que les surfaces d'échange de chaleur (32) sont orientées dans le plan des canaux (30) d'échange de 10 chaleur. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces d'échange de chaleur (32) sont orientées parallèlement aux canaux d'échange de chaleur (30). 15 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces d'échange de chaleur (56) sont orientées perpendiculairement aux canaux d'échange de chaleur (30). 4. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les canaux d'échange de chaleur (30) sont des tubes (10). 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé 25 en ce que les tubes (10) sont obtenus, avec les surfaces d'échange de chaleur (32), en une seule opération par extrusion. 6. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 4 et 30 5, caractérisé en ce que les ailettes (32) sont planes et disposées dans des plans verticaux (38). 7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les canaux d'échange de chaleur (30) 35 débouchent à leurs extrémités dans des boîtes collectrices (4, 6) ayant une épaisseur sensiblement égale à l'épaisseur des canaux d'échange de chaleur (30). 8. Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les boites collectrices (4, 6) sont formées chacune 5 à partir d'une tôle roulée et emboutie ayant des lèvres (44, 46) entre lesquelles sont introduites les extrémités des canaux (30). 9. Echangeur de chaleur selon la revendication 8, caractérisé 10 en ce que les extrémités des canaux (30) sont débarrassées localement de leurs surfaces d'échange de chaleur (32) et introduites de manière étanche dans des logements respectifs (42) aménagés entre les lèvres (44, 46) des boîtes collectrices (4, 6). 10. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est implanté horizontalement sous un plancher (52) d'un véhicule automobile. 11. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à , caractérisé en ce qu'il comporte une grille de protection (50) sur sa face inférieure. 12. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 25 11, caractérisé en ce qu'il est assemblé par brasage par induction. 13. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que son épaisseur est comprise entre 15 30 et 20 mm. 14. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que: on extrude, en grande longueur, un profil de section fermée (30) comportant des surfaces d'échange de chaleur (32); on coupe à longueur le profil de grande longueur, de manière à déterminer des tubes de longueur (10); on supprime les surfaces d'échange de chaleur (32) aux extrémités des tubes sur une longueur déterminée pour permettre 5 le montage de ces extrémités dans des boîtes collectrices (4); on monte les tubes sur les boîtes collectrices; on brase les boîtes collectrices, les tubes et les tubulures (12 et 14), de préférence par induction.