Brevet FR2892805A1 — publié le 20070504

RFR0248 Boîte collectrice pour échangeur de chaleur, notamment pour fluide à haute pression, échangeur comportant une telle 5 boîte et procédé pour sa fabrication L'invention se rapporte au domaine des échangeurs de chaleur et notamment aux échangeurs de chaleur destinés à être parcourus par un fluide sous haute pression. À cet égard, l'invention se rapporte plus particulièrement aux échangeurs de climatisation susceptibles d'être parcourus par un fluide réfrigérant à l'état supercritique, comme c'est le cas de gaz naturels tels que le dioxyde de 15 carbone ou CO2. De tels échangeurs trouvent une application particulière dans les véhicules automobiles. Ils peuvent notamment constituer un refroidisseur de gaz dans lequel le fluide réfrigérant sortant d'un compresseur est refroidi par un autre fluide, généralement de l'air, tout en restant 20 en phase gazeuse. Ce refroidisseur de gaz joue ainsi le rôle du condenseur dans un circuit de climatisation classique où le fluide réfrigérant est présent sous deux phases distinctes, l'une gazeuse et l'autre liquide. 25 On rappellera que, dans un circuit de climatisation parcouru par un fluide réfrigérant à l'état supercritique, ce fluide reste essentiellement à l'état gazeux et sous une pression très élevée qui est habituellement comprise entre 100 et 150 bars. Il en résulte que de tels échangeurs de 30 chaleur, et notamment leurs boîtes collectrices, doivent pouvoir résister à de telles pressions élevées, la pression d'éclatement préconisée étant généralement trois fois la valeur de la pression nominale de fonctionnement. 1 10 On connaît déjà des boîtes collectrices qui sont conçues pour résister à de telles pressions élevées. Ces boîtes collectrices connues comportent habituellement une paroi tubulaire de section proche d'un cercle, réalisée soit en une seule partie, soit en deux parties, afin de collecter un fluide qui circule dans des tubes dont les extrémités sont reçues dans des ouvertures aménagées au travers de la paroi tubulaire. Il peut s'agir soit d'une boîte ronde électro-soudée, soit encore d'une boîte formée de deux parties ou coquilles assemblées entre elles par sertissage. Ces boîtes collectrices connues présentent cependant des inconvénients. Ainsi, les boîtes collectrices de type monobloc nécessitent un crevage de la paroi tubulaire pour la réalisation des ouvertures de passage des tubes. Toutefois, la faisabilité et la précision de telles ouvertures ne sont pas démontrées pour des boîtes collectrices de faible diamètre et de forte épaisseur, destinées à résister à de hautes pression. Une boîte collectrice en deux parties permet de résoudre cette difficulté, mais ces deux parties doivent alors être pré-assemblées pour permettre une tenue mécanique provisoire pendant le brasage, ce maintien étant alors réalisé par sertissage, déformation locale ou par des points de soudure. L'invention a notamment pour but de surmonter les 30 inconvénients précités. Elle propose à cet effet une boîte collectrice pour échangeur de chaleur, du type comprenant une paroi tubulaire dans laquelle sont aménagées des ouvertures pour l'insertion de tubes d'échange de chaleur. Conformément à l'invention, la boîte collectrice comprend deux demi-tubes de profils généralement identiques présentant une paroi comportant des bords d'assemblage munis de formes d'assemblage complémentaires, l'un des deux demi-tubes étant muni des dites ouvertures. Ainsi, la boîte collectrice est réalisée par l'assemblage de deux demi-tubes de profils respectifs généralement identiques grâce à des formes d'assemblage complémentaires prévues sur des bords d'assemblage respectifs des demi-tubes. De ce fait, la boîte collectrice est obtenue simplement par emboîtement en faisant coopérer à chaque fois deux couples de formes d'assemblage complémentaires, l'emboîtement s'apparentant à un clipage ou encliquetage. La fabrication des deux demi-tubes et leur assemblage peut ainsi s'effectuer dans des conditions très simples. Les formes d'assemblage complémentaires sont avantageusement du type mâle/femelle. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, les deux demi-tubes présentent chacun une forme d'assemblage mâle et une forme d'assemblage femelle. Il en résulte que les deux demi-tubes peuvent être réalisés à partir du même profil de base, la différence étant que l'un des deux demi-tubes doit ensuite subir une opération supplémentaire pour la réalisation des ouvertures d'insertion des tubes d'échange de chaleur. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, l'un des deux demi-tubes présente deux formes d'assemblage mâle, tandis que l'autre des deux demi-tubes présente deux formes d'assemblage femelle. Dans ce cas, les deux demi-tubes sont réalisés à partir de profils de base différents. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les formes d'assemblage complémentaires sont agencées pour coopérer par emboîtement en force du type clip. Cette solution garantit un maintien provisoire efficace des deux demi-tubes avant leur assemblage définitif par brasage. En ce cas, il est avantageux que l'une des formes d'assemblage soit une forme d'assemblage mâle qui présente un profil semi-circulaire rattaché au bord d'assemblage par une partie plus étroite et que l'autre forme d'assemblage soit une forme d'assemblage femelle qui présente un profil complémentaire. Autrement dit, la forme d'assemblage mâle doit comporter un profil sensiblement en arc de cercle s'étendant sur plus d'une demi-circonférence. De façon préférentielle, les bords d'assemblage de chaque demi-tubes ont des surfaces coplanaires à partir desquelles sont réalisées les formes d'assemblage. Ceci permet de réaliser des formes symétriques. Dans l'invention, les deux demi-tubes sont obtenus avantageusement chacun par extrusion d'une matière métallique, en particulier d'un alliage d'aluminium. L'invention offre l'avantage supplémentaire de pouvoir réaliser les ouvertures d'insertion avec deux orientations différentes.30 Dans une forme de réalisation, les ouvertures d'insertion sont de forme oblongue et ont leur plus grande longueur dirigée dans la direction axiale de la boîte collectrice. Dans une autre forme de réalisation, les ouvertures d'insertion sont de forme oblongue et ont leur plus grande longueur dirigée dans la direction transversale de la boîte collectrice. Les ouvertures d'insertion sont avantageusement réalisées par usinage. Sous un autre aspect, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une boîte collectrice telle que définie 15 précédemment, lequel comprend les opérations suivantes : a) préparer deux demi-tubes de profil généralement identique présentant des bords d'assemblage munis de formes d'assemblage complémentaires ; b) réaliser des ouvertures d'insertion dans l'un des demi-tubes ; et c) assembler les deux demi-tubes par coopération de leur 25 formes d'assemblage pour obtenir ainsi une boîte collectrice à paroi tubulaire. De préférence, l'opération a) comprend la préparation d'un profilé de base obtenu par extrusion, ayant une forme 30 d'assemblage mâle et une forme d'assemblage femelle, convenant à la préparation de chacun des demi-tubes. Sous un autre aspect, l'invention concerne un échangeur de chaleur comprenant un faisceau de tubes et au moins une 20 boîte collectrice telle que définie précédemment ou pouvant être obtenue par le procédé défini précédemment. Dans une application préférentielle, cet échangeur de chaleur est réalisé sous la forme d'un refroidisseur de gaz pour un circuit de climatisation parcouru par un fluide réfrigérant à haute pression fonctionnant à l'état super critique, comme c'est le cas du dioxyde de carbone (CO2). Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue partielle en perspective éclatée d'une boîte collectrice composée de deux demi-tubes dans 15 une première forme de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe de l'un des deux demi-tubes de la boîte collectrice de la figure 1, à savoir celui qui comporte des ouvertures d'insertion ; - la figure 3 est une vue en coupe transversale de l'autre des deux demi-tubes de la boîte collectrice de la figure 1; - la figure 4 est une vue de détail à échelle agrandie de 25 la figure 2 montrant un profil d'assemblage mâle ; - la figure 5 est une vue de détail à échelle agrandie de la figure 2 montrant un profil d'assemblage femelle ; 30 - la figure 6 est une vue partielle de dessus d'une boîte collectrice dans une autre forme de réalisation de l'invention, dans laquelle les ouvertures d'insertion sont dirigées transversalement ; 20 - la figure 7 est une vue en coupe à échelle agrandie selon la ligne VII- VII de la figure 6, montrant le demi-tube comportant des ouvertures d'insertion ; -la figure 8 est une vue en coupe d'un demi-tube selon une autre forme de réalisation de l'invention ; - la figure 9 est une vue en coupe d'un demi-tube propre à coopérer avec le demi-tube de la figure 8 ; - la figure 10 est une vue partielle schématique d'un échangeur de chaleur comportant deux boîtes collectrices selon l'invention ; et 15 - la figure 11 est une vue schématique d'un autre échangeur de chaleur comportant deux boîtes collectrices selon l'invention. On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente une boîte 20 collectrice 10 d'échangeur de chaleur, obtenue par l'assemblage d'un premier demi-tube 12 et d'un deuxième demi-tube 14 de profils respectifs généralement identiques, les demi-tubes 12 et 14 pouvant, dans cet exemple de réalisation, être obtenus à partir d'un même profilé de 25 base. Les demi-tubes 12 et 14 présentent des parois respectives 16, 18 de section sensiblement semi-circulaire ayant des bords d'assemblage 20 et 22 pour le demi-tube 12 et 24 et 26 pour le demi-tube 14. 30 Les parois 16 et 18 sont généralement épaisse et comportant des renflements respectifs 28 et 30. Dans le renflement 28 de la paroi 16, qui forme une surépaisseur locale, sont aménagées des ouvertures 32 de forme oblongue destinées à l'insertion de tubes d'échange de chaleur (non10 représentés). Ces ouvertures ont une forme oblongue et ont leur plus grande longueur dirigée dans la direction axiale de la boîte collectrice, c'est-à-dire dans une direction parallèle aux génératrices de cette dernière. Les bords d'assemblage 20 et 22 du demi-tube 12 sont généralement coplanaires et s'étendent dans un plan sensiblement diamétral. Ils sont munis de formes d'assemblage complémentaires, à savoir respectivement une forme d'assemblage mâle 34 et une forme d'assemblage femelle 36. De façon correspondante, les bords d'assemblage 24 et 26 du demi-tube 14 sont généralement coplanaires et s'étendent dans un plan sensiblement diamétral. Ils sont munis d'une forme d'assemblage mâle 34 et d'une forme d'assemblage femelle 36. Ces formes d'assemblage sont complémentaires et peuvent s'emboîter par coopération de forme. Dans l'exemple, les demi-tubes 12 et 14 sont obtenus à partir d'un même profilé de base. Sur la coupe de la figure 2 on aperçoit l'une des ouvertures 32 dans la direction de sa plus faible largeur. Sur la coupe de la figure 3, on aperçoit la section du demi-tube 14. On comprend qu'en rapprochant les demi-tubes 12 et 14, on peut faire coopérer leurs formes d'assemblage respectives pour obtenir une paroi tubulaire. Comme on le voit plus particulièrement sur la figure 4, la forme d'assemblage mâle 34 présente un profil semi- circulaire délimité par une surface 38 dont la section s'étend sur plus d'une demi-circonférence. Cette surface 38 se rattache par une partie plus étroite 40 au bord d'assemblage 20 qui présente une surface coplanaire avec celle du bord d'assemblage 22, ces deux surfaces s'étendant dans un plan passant par le centre de la paroi tubulaire, c'est-à-dire selon un plan diamétral. La forme d'assemblage femelle 36 (figure 5) présente un profil complémentaire. Ainsi, l'assemblage des demi-tubes 12 et 14 s'effectue par un emboîtement en force, analogue à un clipage ou encliquetage, par coopération de deux couples de formes mâles et femelles. 10 Les demitubes 12 et 14 sont réalisés, dans cet exemple, à partir d'un même profilé de base qui peut être obtenu par extrusion et est avantageusement réalisé en alliage à base d'aluminium. Ce profilé d'extrusion est produit en grande 15 longueur et est ensuite tronçonné en demi-tubes de longueur choisie. Certains de ces demi-tubes seront ensuite percés, par usinage, pour définir des ouvertures d'insertion 32. Comme on le voit sur les figures 1 et 2, les ouvertures 32 comportent, sur toute leur périphérie, un chanfrein 20 d'entrée 42 facilitant l'insertion et le centrage des tubes d'échange de chaleur. On se réfère maintenant à la figure 6 qui montre une autre boîte collectrice 10 analogue, dans laquelle le demi-tube 25 12 comporte des ouvertures 44, également de forme oblongue, mais dont la grande longueur s'étend transversalement à la direction axiale de la boîte collectrice. La figure 7 montre que le demi-tube 12 présente un profil 30 généralement identique à celui de la figure 2, et comporte des formes d'assemblage mâle 34 et femelle 36. Le demi-tube 12 de la figure 7 peut donc s'assembler avec un demi-tube 14 analogue à celui de la figure 3.5 La figure 8 montre une variante qui s'apparente à celle de la figure 2. La différence réside ici dans le fait que les bords d'assemblage 20 et 22 sont munis chacun d'une forme d'assemblage mâle 34. De façon correspondante, le demi-tube 14 représenté sur la figure 9 présente des formes d'assemblage femelle 36 sur ses deux bords d'assemblage 24 et 26. Il en résulte, dans ce cas, que les demi-tubes 12 et 14 ne sont pas réalisés à partir du même profilé de base. Bien entendu, le demi-tube 12 qui comporte ici des ouvertures 32 pourrait comporter aussi des ouvertures analogues aux ouvertures 44 de la figure 6, c'est-à-dire orientées de façon différente. Egalement, dans une variante de réalisation, le demi-tube 12 pourrait être muni de deux formes d'assemblage femelle 36 et le demi-tube 14 pourrait être muni de deux formes d'assemblage mâle 34. On se réfère maintenant à la figure 10 qui montre un échangeur de chaleur 50 comprenant un faisceau composé de tubes parallèles 52 entre lesquels sont prévus des intercalaires 54 de forme ondulée. Ce faisceau s'étend entre deux boîtes collectrices 10 selon l'invention. Dans l'exemple représenté, le demi-tube 12 de chaque boîte collectrice comporte des ouvertures 32 dirigées dans la direction axiale. Il en résulte que les extrémités respectives 56 des tubes doivent être torsadées, c'est-à- dire tournées de 90 . Dans la forme de réalisation de la figure 11, les demi-tubes 12 des deux boîtes collectrices 10 ont des ouvertures 44 s'étendant dans la direction transversale. Il en résulte que les extrémités 56 des tubes 52 n'ont pas besoin d'être torsadées comme dans la forme de réalisation précédente. Un tel échangeur de chaleur peut être réalisé avantageusement sous la forme d'un refroidisseur de gaz pour un circuit de climatisation parcouru par un fluide réfrigérant à haute pression fonctionnant à l'état supercritique, comme c'est le cas du dioxyde de carbone (CO2). Dans un tel refroidisseur de gaz, le fluide réfrigérant provenant d'un compresseur est refroidi par échange thermique avec un autre fluide qui balaye le faisceau de tubes. Cet autre fluide est habituellement de l'air. Le refroidisseur de gaz remplace le condenseur traditionnel utilisé dans des circuits de climatisation classique où le fluide réfrigérant fonctionne sous deux phases différentes. La fabrication d'une boîte collectrice selon l'invention 20 comprend essentiellement les trois opérations suivantes : a) préparer les deux demi-tubes 12 et 14 de profil généralement identique présentant des bords d'assemblage munis de forme d'assemblage complémentaire du type 25 mâle/femelle ; b) réaliser des ouvertures d'insertion 32 ou 44 dans l'un des deux demi-tubes, ici le demi-tube 12 ; et 30 c) assembler les deux demi-tubes 12 et 14 par coopération de leurs formes d'assemblage pour former ainsi une boîte collectrice à paroi tubulaire. Dans la forme de réalisation préférée de l'invention, l'opération a) comprend la préparation d'un profilé de base obtenu par extrusion, ayant une forme d'assemblage mâle et une forme d'assemblage femelle, convenant à la préparation de chacun des demi-tubes. La boîte collectrice est ensuite assemblée de façon définitive par brasage. Dans le cas d'un échangeur de chaleur tel que représenté sur la figure 10 ou la figure 11, il est avantageux d'assembler tous les composant en une seule opération par passage dans un four de brasage. La boîte collectrice selon l'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation, en particulier en ce qui concerne sa forme et ses dimensions. On comprendra que dans le cas où la boîte collectrice doit recevoir un fluide réfrigérant sous très haute pression, l'épaisseur de la paroi sera choisie pour présenter une résistance suffisante. Revendications 1. Boîte collectrice d'échangeur de chaleur, comprenant une paroi tubulaire dans laquelle sont aménagées des ouvertures (32 ; 44) pour l'insertion de tubes (52) d'échange de chaleur, caractérisée en ce qu'elle comprend deux demi-tubes (12, 14) de profils généralement identiques présentant une paroi (16, 18) comportant des bords d'assemblage (20, 22 ; 24, 26) munis de formes d'assemblage complémentaires (34, 36), l'un des demi-tubes étant muni desdites ouvertures (32 ; 44). 2. Boîte collectrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux demi-tubes (12, 14) présentent chacun une forme d'assemblage mâle (34) et une forme d'assemblage femelle (36). 3. Boîte collectrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'un des deux demi-tubes (12 , 14) présente deux formes d'assemblage mâle (34), tandis que l'autre des demi-tubes présente deux formes d'assemblage femelle (36). 4. Boîte collectrice selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les formes d'assemblage (34, 36) sont agencées pour coopérer par un emboîtement en force du type clip. 5. Boîte collectrice selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'une des formes d'assemblage est une forme d'assemblage mâle (34) qui présente un profil semi-circulaire rattaché au bord d'assemblage par une partie plus étroite (40) et que l'autre des formes d'assemblage 13est une forme d'assemblage femelle (36) qui présente un profil complémentaire. 6. Boîte collectrice selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les bords d'assemblage (20, 22 ; 24, 26) de chaque demi-tube (12, 14) ont des surfaces coplanaires à partir desquelles sont réalisées les formes d'assemblage (34, 36). 7. Boîte collectrice selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les deux demi-tubes (12, 14) sont obtenus chacun par extrusion d'une matière métallique. 8. Boîte collectrice selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les ouvertures d'insertion (32) sont de forme oblongue et ont leur plus grande longueur dirigée dans la direction axiale de la boîte collectrice (10). 9. Boîte collectrice selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les ouvertures d'insertion (44) sont de forme oblongue et ont leur plus grande longueur dirigée dans la direction transversale de la boîte collectrice (Io). 10. Boîte collectrice selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les ouvertures d'insertion (32 ; 44) sont réalisées par usinage. 11. Procédé de fabrication d'une boîte collectrice pour échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes : a) préparer deux demi-tubes (12, 14) de profils généralement identiques présentant des bords d'assemblage(20, 22 ; 24, 26) munis de formes d'assemblage complémentaires (34, 36) ; b) réaliser des ouvertures d'insertion (32 ; 44) dans l'un 5 des demi-tubes ; et c) assembler les deux demi-tubes (12, 14) par coopération de leurs formes d'assemblage pour former ainsi une boîte collectrice (10) à paroi tubulaire. 10 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'opération a) comprend la préparation d'un profilé de base obtenu par extrusion, ayant une forme d'assemblage mâle (34) et une forme d'assemblage femelle (36), convenant 15 à la préparation de chacun des demi-tubes. 13. Echangeur de chaleur comprenant un faisceau de tubes (52) et au moins une boîte collectrice (10) selon l'une des revendications 1 à 10 ou pouvant être obtenue par un 20 procédé selon l'une des revendications 11 et 12. 14. Echangeur de chaleur selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous la forme d'un refroidisseur de gaz pour un circuit de climatisation 25 parcouru par un fluide réfrigérant à haute pression fonctionnant à l'état supercritique.