Brevet FR2851815A1 — publié le 20040903

VCL1439.FRD Boîte collectrice pour échangeur de chaleur résistant à la pression L'invention concerne une boîte collectrice pour échangeur de chaleur, destinée notamment à être traversée par un fluide réfrigérant dans une installation de climatisation de véhicule automobile. FR 2 793 016 A décrit une telle boîte collectrice, comportant: a) une première paroi définissant une plaque collectrice et présentant des ouvertures destinées à permettre une 15 communication de fluide entre l'intérieur de la boîte collectrice et un faisceau de tubes de l'échangeur de chaleur; b) une seconde paroi opposée à la première, définissant un fond; les première et seconde parois délimitant entre elles au 20 moins une chambre de fluide communiquant avec au moins un sous-ensemble des tubes; et c) un renfort logé à l'intérieur de chaque chambre de fluide, formé par une feuille d'une épaisseur inférieure à la distance libre entre lesdites première et seconde parois, 25 mise en forme de manière à présenter avec chacune de ces dernières des zones de liaison par brasage réparties de manière dense sensiblement sur toute la surface de la chambre de fluide, et présentant des découpes pour permettre une circulation de fluide appropriée dans cette dernière. 30 Dans les installations de climatisation de véhicules automobiles, on utilise maintenant des fluides réfrigérants qui, tel C02, induisent des pressions très élevées, de l'ordre de 100 bars en fonctionnement et de 350 100 bars lors des 35 tests d'éclatement. Le renfort décrit dans le document précité permet à la boîte collectrice de supporter sans dommage des pressions internes élevées, tout en maintenant les épaisseurs' de parois habituelles dans les échangeurs de climatisation. Il est ondulé selon un profil analogue à une sinusode, ses crêtes d'ondulation s'étendant sensiblement en ligne droite sur toute sa largeur et formant des zones de liaison continue avec lesdites parois, et lesdites découpes sont ménagées dans les flancs des ondulations. Ces découpes 5 permettent au fluide de traverser le renfort ondulé et par conséquent de circuler dans tout le volume de la chambre. Le taux d'ouverture des découpes est cependant limité, sous peine d'affaiblir mécaniquement le renfort et par conséquent de compromettre sa fonction, ce qui freine la circulation du 10 fluide, et conduit à une moins bonne répartition de celui-ci dans les canaux des tubes, ainsi qu'à des pertes de charge qui détériorent les performances. Le but de l'invention est de remédier à cet inconvénient. 15 L'invention vise notamment une boîte collectrice du genre défini en introduction, et prévoit que lesdites découpes sont réalisées sous la forme de fentes orientées et alignées selon des lignes parallèles à une première direction, délimitant 20 entre elles des bandes de matière dont chacune est pliée selon un profil crénelé, les créneaux des profils de deux bandes adjacentes étant mutuellement décalés dans la première direction de manière à former des passages transversaux par rapport à celle-ci, reliant chacun deux espaces adjacents 25 respectivement aux deux faces de la feuille. Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémentaires ou de substitution, sont énoncées ci-après: - Ladite distance libre est délimitée par une face interne sensiblement plane de la première paroi s'étendant sensiblement sur toute la surface de la chambre de fluide. - La première paroi présente des collets destinés à entourer 35 lesdits tubes, tournés vers l'extérieur de la boite collectrice. - La première paroi présente des collets destinés à entourer lesdits tubes, tournés vers l'intérieur de la boîte collec- trice et dont les extrémités libres délimitent ladite distance libre et forment des zones de liaison avec le renfort. - Les créneaux sont sensiblement rectangulaires. - Les créneaux ont sensiblement la forme de trapèzes isocèles. - Le renfort présente dans une seconde direction perpendiculaire à la première direction une structure périodique d'un pas égal à la largeur de n bandes consécutives, n étant un nombre entier supérieur à 1, n sommets de créneaux appartenant à n bandes consécutives présentant une portion de 15 longueur commune par laquelle ils se raccordent directement entre eux, et n fonds de créneaux appartenant à n bandes consécutives présentant une portion de longueur commune par laquelle ils se raccordent directement entre eux. - n est choisi parmi 2 et 3. - Les première et seconde parois délimitent au moins deux chambres de fluide, les chambres de fluide étant séparées les unes des autres par au moins une cloison. 25 - Chaque cloison est constituée par une saillie formée sur la seconde paroi. - La première paroi présente au moins une rangée d'ouvertures 30 mutuellement alignées dans une direction longitudinale. - La seconde direction est sensiblement parallèle à ladite direction longitudinale. - Les première et seconde parois délimitent au moins deux chambres de fluide, les chambres de fluide étant réparties sur deux rangées comprenant chacune au moins une chambre, disposées respectivement de part et d'autre d'une cloison s'étendant dans ladite direction longitudinale, et la première paroi présente une rangée d'ouvertures pour recevoir des tubes plats, communiquant chacune avec deux chambres appartenant respectivement aux deux rangées de chambres. - L'une au moins desdites rangées de chambres comprend au moins deux chambres, deux chambres voisines d'une même rangée étant séparées l'une de l'autre par une cloison transversale. L'invention a également pour objet un échangeur de chaleur, 10 notamment pour un fluide réfrigérant dans une installation de climatisation de véhicule automobile, comprenant au moins une boîte collectrice telle que définie ci-dessus, et un faisceau de tubes, chaque tube communiquant par une première de ses extrémités avec l'une des ouvertures de la plaque collectri15 ce. L'échangeur de chaleur selon l'invention peut comporter au moins certaines des particularités suivantes: - Les tubes sont de forme plate et présentent chacun une multiplicité de canaux parallèles pour une circulation indépendante de fluide. - Deux sous-ensembles des canaux de chaque tube communiquent 25 respectivement avec les deux chambres correspondantes. - Les canaux des deux sous-ensembles communiquent, à la seconde extrémité du tube, avec un espace commun pour réaliser une circulation de fluide en U dans le tube d'une 30 chambre à l'autre. Les caractéristiques et avantages de l'invention sont exposés plus en détail dans la description ci-après, avec référence aux dessins annexés. La figure 1 est une vue partielle en coupe longitudinale d'un évaporateur selon l'invention pour une boucle de climatisation de véhicule automobile utilisant Ca2 comme fluide réfrigérant. La figure 2 est une vue partielle en coupe selon la ligne IIII de la figure 1. La figure 3 est une vue partielle analogue à la figure 2, relative à une variante de l'évaporateur. La figure 4 est une vue partielle en coupe selon la ligne IVIV de la figure 1. La figure 5 est une vue analogue à la figure 4, relative à la variante de la figure 3. La figure 6 est une vue partielle en perspective de la plaque collectrice de l'évaporateur représentée sur les figures 3 et 15 5. La figure 7 est une vue en perspective de l'évaporateur des figures 1, 2 et 4, le couvercle de la boîte collectrice étant retiré pour faire apparaître les renforts. 20 La figure 7a est un détail agrandi de la figure 7. La figure 8 est une vue en coupe transversale d'une variante du couvercle de boîte collectrice représenté sur les figures 25 2 à 5. La figure 9 est une vue partielle en coupe transversale d'un renfort utilisable en remplacement de ceux montrés sur les figures 2 à 5 et 7. L'évaporateur 1 représenté sur les figures 1, 2 et 4 comprend de manière connue une boîte collectrice 2 formée essentiellement d'une pièce creuse 3 en forme de cuvette et d'un couvercle 4 fermant celle-ci. La pièce 3, qui joue le rôle de 35 plaque collectrice, présente une paroi de fond plane 5 et un bord périphérique 6. La paroi 5 est percée d'une rangée d'ouvertures étroites 7, dont la plus grande dimension s'étend sur la majeure partie de la largeur de la boîte. Le couvercle 4 comporte également une paroi plane 8 qui s'étend en regard de la paroi 5, parallèlement à celle-ci, ainsi que deux bords latéraux 9 et une nervure médiane 10 allongés dans la direction longitudinale de la boîte, s'étendant vers la paroi 5 à partir de la paroi 8. Les pièces 2 et 3 sont 5 brasées ensemble de manière à délimiter entre elles deux chambres Il et 12 pour le fluide, situées respectivement de part et d'autre de la nervure 10. Un raccord d'entrée et de sortie de fluide 13 permet une communication entre les chambres 11 et 12 et le reste de la boucle. Ce raccord est 10 composé de plusieurs pièces brasées entre elles et aux pièces 3 et 4. Sa structure est étrangère à la présente invention et ne sera pas décrite en détail. L'évaporateur comprend en outre une rangée de tubes plats 14, 15 une extrémité de chaque tube s'engageant dans une ouverture 7 de la paroi 5, tandis que l'extrémité opposée du tube est coiffée par un capot 15. Chaque tube 14 est percé d'une multiplicité de canaux longitudinaux 16, dont certains notés 16-1 communiquent avec la chambre 11 et d'autres notés 16-2 20 avec la chambre 12, tous les canaux débouchant par ailleurs dans l'espace interne 17 du capot 15. Les canaux 16 des différents tubes définissent donc des trajets parallèles en U entre les chambres 11 et 12, par l'intermédiaire des espaces 17. La paroi 5 forme autour des ouvertures 7 des collets 18 qui font saillie vers l'extérieur de la boîte collectrice. Selon l'invention, chacune des chambres 11 et 12 contient un 30 renfort 20 brasé aux parois 5 et 8 de manière à maintenir la distance entre celles-ci et à éviter un gonflement de la boîte collectrice sous l'effet des pressions élevées auxquelles elle est soumise par le fluide réfrigérant. Le renfort 20 est formé à partir d'une feuille métallique dans laquelle des 35 fentes sont ménagées pratiquement sans enlèvement de matière, après quoi la feuille est pliée de manière à séparer l'un de l'autre les deux bords de chaque fente. Les fentes s'étendent selon des segments appartenant à des droites parallèles à une direction Dl, et équidistantes, plusieurs fentes étant alignées sur une même droite. Ces droites délimitent entre elles des bandes de matière de largeur égale qui, après pliage de la feuille, comme on le voit particulièrement sur les figures 2, 4, 7 et 7a, s'étendent selon un profil en 5 créneaux sensiblement rectangulaires, les créneaux de chaque bande étant décalés dans la direction Dl (qui correspond ici à la direction transversale des chambres 11, 12, de la boîte collectrice et de l'échangeur), par rapport à ceux des bandes adjacentes. Ainsi, une même bande fournit (figure 7a) deux 10 sommets de créneaux consécutifs 21 et 22, mutuellement alignés dans la direction transversale de la boîte collectrice, entre lesquels est interposé un fond de créneau 23. Le fond 23 est relié au sommet 21 par un flanc de créneau 24 et au sommet 22 par un flanc de créneau tourné vers l'arrière de 15 la figure, faisant face au flanc 24. La bande située immédiatement à droite de la précédente forme des sommets de créneaux 25 et 26, un fond de créneau 27, un flanc de créneau 28 et un flanc de créneau faisant face à ce dernier, qui sont décalés d'une longueur d vers l'arrière de la figure par 20 rapport aux créneaux de la première bande mentionnée cidessus. La seconde bande est suivie d'une troisième bande définissant des sommets de créneaux 29 et 30, un fond de créneau 31, un flanc de créneau 32 et un flanc de créneau opposé à celui-ci qui sont décalés par rapport aux créneaux 25 précédents par exemple d'une même distance d. La bande suivante définit des sommets de créneaux 33 et 34, un fond de créneau 35, un flanc de créneau 36 et un fond de créneau opposé à celui-ci qui sont décalés dans l'exemple d'une distance 2d vers l'avant de la figure par rapport aux 30 créneaux précédents, et par conséquent alignés dans la direction longitudinale de la chambre avec les créneaux de la première bande. La disposition des créneaux des trois premières bandes se répète sur toute la longueur de la chambre de fluide, définissant une structure périodique dont 35 le pas est égal à trois fois la largeur d'une bande. Chaque sommet de créneau et chaque fond de créneau possèdent une longueur 1 dans la direction des bandes, c'est-à-dire dans la direction transversale de l'échangeur, qui est supé- rieure à 2d dans l'exemple décrit, de telle sorte que les sommets 22, 26 et 30, par exemple, et les sommets correspondants appartenant aux autres séquences de trois bandes, se raccordent tous entre eux, sans discontinuité, dans le plan qui les contient. Chaque bord d'une fente définit un bord d'un flanc de créneau et un bord d'un sommet ou d'un fond de créneau adjacent à celui-ci. Ainsi par exemple, un bord d'une fente définit les 10 bords 40 et 41, tournés vers la gauche de la figure 7a, du sommet 33 et du flanc 36 respectivement, et le bord opposé de la même fente définit les bords 42 et 43, tournés vers la droite de la figure, du fond 31 et du flanc 32 respectivement. La fente ainsi déployée forme une ouverture 44 qui 15 permet la circulation du fluide, de façon privilégiée dans la direction longitudinale de la chambre, entre les espaces situés au-dessus et au-dessous du renfort 20, le fluide pouvant ainsi circuler sous le renfort pour entrer dans les canaux des tubes via les collets. L'ensemble des sommets des 20 créneaux formés par le renfort est brasé à la face interne de la paroi 8 et l'ensemble des fonds de créneaux est brasé à la face interne de la paroi 5. L'évaporateur partiellement représenté sur les figures 3, 5 25 et 6 diffère de celui décrit précédemment par le fait que les collets 18 entourant les tubes 14 sont tournés vers l'intérieur et non vers l'extérieur de la boîte collectrice. Les fonds des créneaux du renfort sont donc brasés sur les extrémités de ces collets et non plus sur la surface plane 30 continue de la boîte collectrice. Les extrémités des collets présentent néanmoins des zones de contact avec le renfort réparties de manière suffisamment dense pour assurer une liaison solide par brasage. La figure 8 représente une variante du couvercle 4 de la boîte collectrice, sous la forme d'une tôle emboutie. La nervure 10 séparant les deux chambres est obtenue par un pliage en U. La figure 9 représente un insert 20 qui diffère de celui décrit précédemment en ce que le profil des créneaux est sensiblement trapézodal au lieu d'être sensiblement rectangulaire, et que le pas de la structure périodique dans la 5 direction longitudinale est égal à deux fois, et non plus trois fois, la largeur d'une bande. Ainsi, la bande traversée par le plan de coupe présente des sommets de créneaux 50, des fonds de créneaux 51, des flancs de créneaux inclinés 52 tournés vers la gauche de la figure et des flancs de créneaux 10 inclinés 53 tournés vers la droite. La bande adjacente, en arrière du plan de la figure, présente des sommets de créneaux 54, des fonds de créneaux 55, des flancs de créneaux 56 tournés vers la gauche et des flancs de créneaux 57 tournés vers la droite, qui sont décalés vers la droite d'une 15 longueur d par rapport aux créneaux de la première bande, d étant inférieur à la longueur 1 des sommets de créneaux et des fonds de créneaux. Les créneaux formés par les autres bandes du renfort sont alignés perpendiculairement au plan de la figure, alternativement avec ceux de la première bande et 20 avec ceux de la seconde bande. La description ci-dessus n'a aucun caractère limitatif quant à la structure du renfort selon l'invention. Les créneaux peuvent avoir une forme différente de celles d'un rectangle 25 et d'un trapèze isocèle. Le renfort peut présenter une structure périodique d'un pas égal à la largeur de plus de trois bandes consécutives. Cette structure peut également n'être pas périodique, et en particlier être définie de manière aléatoire. Dans les modes de réalisation décrits, le 30 décalage mutuel des créneaux de deux bandes quelconques d'un renfort présente soit la valeur 0, soit une valeur d, soit encore, seulement dans le cas des renforts des figures 2 à 5 et 7, la valeur 2d, c'est-à-dire dans tous les cas un multiple entier d'une valeur fixe d. Mais il est possible de 35 prévoir selon l'invention des valeurs de décalage qui ne sont pas multiples les unes des autres. La largeur des bandes peut également varier d'une bande à l'autre. De même, la boîte collectrice peut posséder plus de deux chambres de fluide contenant chacune un renfort, les chambres appartenant à une même rangée étant séparées les unes des autres par des cloisons transversales. Le nombre de passes 5 effectué par le fluide est déterminé par le nombre de chambres; il est de 2 dans les exemples décrits. Il est également possible de prévoir une seule chambre par boîte pour une circulation en une seule passe entre deux boîtes collectrices munies respectivement de raccords d'entrée et de 10 sortie de fluide, définissant ainsi un échangeur à circulation en I. il Revendications 1. Boîte collectrice (2) pour échangeur de chaleur, destinée notamment à être traversée par un fluide réfrigérant 5 dans une installation de climatisation de véhicule automobile, comportant: a) une première paroi définissant une plaque collectrice (5) et présentant des ouvertures (7) destinées à permettre une communication de fluide entre l'intérieur de la boîte 10 collectrice et un faisceau de tubes (14) de l'échangeur de chaleur; b) une seconde paroi opposée à la première, définissant un fond (8); les première et seconde parois (5, 8) délimitant entre elles 15 au moins une chambre de fluide (11, 12) communiquant avec au moins un sous-ensemble des tubes (14); et c) un renfort (20) logé à l'intérieur de chaque chambre de fluide (11, 12), formé par une feuille d'une épaisseur inférieure à la distance libre (e) entre lesdites première et 20 seconde parois (5, 8), mise en forme de manière à présenter avec chacune de ces dernières des zones de liaison par brasage réparties de manière dense sensiblement sur toute la surface de la chambre de fluide (11, 12), et présentant des découpes (40-43) pour permettre une circulation de fluide 25 appropriée dans cette dernière, caractérisée en ce que lesdites découpes sont réalisées sous la forme de fentes (40-43) orientées et alignées selon des lignes parallèles à une première direction (Dl), délimitant entre elles des bandes de matière dont chacune est pliée 30 selon un profil crénelé, les créneaux (21, 24, 23, 25, 28, 27) des profils de deux bandes adjacentes étant mutuellement décalés dans la première direction (Dl) de manière à former des passages (44) transversaux par rapport à celle-ci, reliant chacun deux espaces adjacents respectivement aux deux 35 faces de la feuille. 2. Boîte collectrice selon la revendication 1, dans laquelle ladite distance libre (e) est délimitée par une face interne sensiblement plane de la première paroi (5) s'éten- dant sensiblement sur toute la surface de la chambre de fluide (11, 12). 3. Boîte collectrice selon la revendication 2, dans 5 laquelle la première paroi (5) présente des collets (18) destinés à entourer lesdits tubes (14), tournés vers l'extérieur de la boîte collectrice. 4. Boîte collectrice selon la revendication 1, dans 10 laquelle la première paroi (5) présente des collets (18) destinés à entourer lesdits tubes, tournés vers l'intérieur de la boîte collectrice et dont les extrémités libres délimitent ladite distance libre (e) et forment des zones de liaison avec le renfort. 5. Boîte collectrice selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les créneaux (21, 24, 23, 22) sont sensiblement rectangulaires. 6. Boîte collectrice selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle les créneaux (53, 50, 51, 52) ont sensiblement la forme de trapèzes isocèles. 7. Boîte collectrice selon l'une des revendications 25 précédentes, dans laquelle le renfort (20) présente dans une seconde direction (D2) perpendiculaire à la première direction (Dl) une structure périodique d'un pas égal à la largeur de n bandes consécutives, n étant un nombre entier supérieur à 1, n sommets de créneaux (21, 25, 29) appartenant à n 30 bandes consécutives présentant une portion de longueur commune par laquelle ils se raccordent directement entre eux, et n fonds de créneaux (23, 27, 31) appartenant à n bandes consécutives présentant une portion de longueur commune par laquelle ils se raccordent directement entre eux. 35 8. Boîte collectrice selon la revendication 7, dans laquelle n est choisi parmi 2 et 3. 9. Boîte collectrice selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les première et seconde parois (5, 8) délimitent au moins deux chambres de fluide (11, 12), les chambres de fluide étant séparées les unes des autres par au moins une cloison (10). 10. Boîte collectrice selon la revendication 9, dans laquelle chaque cloison est constituée par une saillie (10) formée sur la seconde paroi. 11. Boîte collectrice selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la première paroi présente au moins une rangée d'ouvertures (7) mutuellement alignées dans une direction longitudinale. 12. Boîte collectrice selon la revendication 11, dans laquelle la seconde direction (D2) est sensiblement parallèle à ladite direction longitudinale. 13. Boîte collectrice selon l'une des revendications 11 et 12, dans laquelle les première et seconde parois (5, 8) délimitent au moins deux chambres de fluide (11, 12), les chambres de fluide étant réparties sur deux rangées comprenant chacune au moins une chambre, disposées respectivement 25 de part et d'autre d'une cloison (10) s'étendant dans ladite direction longitudinale, et la première paroi présente une rangée d'ouvertures (7) pour recevoir des tubes plats, communiquant chacune avec deux chambres (11, 12) appartenant respectivement aux deux rangées de chambres. 30 14. Boîte collectrice selon la revendication 13, dans laquelle l'une au moins desdites rangées de chambres comprend au moins deux chambres, deux chambres voisines d'une même rangée étant séparées l'une de l'autre par une cloison 35 transversale. 15. changeur de chaleur (1), notamment pour un fluide réfrigérant dans une installation de climatisation de véhicule automobile, comprenant au moins une boîte collec- trice (2) selon l'une des revendications précédentes, et un faisceau de tubes (14), chaque tube communiquant par une première de ses extrémités avec l'une au moins des ouvertures (7) de la plaque collectrice (5). 16. changeur de chaleur selon la revendication 15, dans lequel les tubes sont de forme plate et présentent chacun une multiplicité de canaux parallèles (16) pour une circulation indépendante de fluide. 17. changeur de chaleur selon la revendication 16 comprenant une boîte collectrice selon la revendication 13, dans lequel deux sous-ensembles (16-1, 16-2) des canaux (16) de chaque tube (14) communiquent respectivement avec les deux 15 chambres correspondantes (11, 12). 18. changeur de chaleur selon la revendication 17, dans lequel les canaux (16) des deux sous-ensembles (16-1, 16-2) communiquent, à la seconde extrémité du tube, avec un espace 20 commun (17) pour réaliser une circulation de fluide en U dans le tube d'une chambre à l'autre.