Brevet FR2887974A1 — publié le 20070105

Collecteur pour échangeur de chaleur, procédé pour sa fabrication et échangeur de chaleur ainsi obtenu L'invention se rapporte au domaine des échangeurs de chaleur, notamment pour les véhicules automobiles. Elle concerne plus particulièrement un collecteur pour échangeur de chaleur, du type comprenant une paroi tubulaire ayant au moins une extrémité fermée par un organe d'obturation. De tels collecteurs, appelés aussi "collecteurs tubulaires", sont utilisés pour réaliser différents types d'échangeurs de chaleur, notamment pour les véhicules automobiles. Généralement, un tel échangeur comprend deux collecteurs dont les axes sont parallèles et dans les parois tubulaires desquelles débouchent respectivement les extrémités des tubes d'un faisceau d'échange de chaleur. Pour cela, les parois tubulaires respectives des collecteurs comportent des ouvertures, encore appelées fentes, dans lesquelles débouchent des extrémités respectives des tubes du faisceau. Il est connu notamment de former dans chacune des parois tubulaires une série de fentes allongées et alignées dans lesquelles sont reçues les extrémités des tubes du faisceau. Il est connu aussi d'utiliser des tubes plats, c'est-à-dire présentant une section transversale généralement rectangulaire, et de torsader les deux extrémités de chaque tube de manière que ces derniers présentent une section courante généralement perpendiculaire à la direction des extrémités torsadées reçues dans les collecteurs. Dans le domaine des véhicules automobiles, de tels échangeurs de chaleur sont utilisés essentiellement pour la circulation d'un fluide réfrigérant. Lorsque le fluide réfrigérant subit un changement de phase, un tel échangeur de chaleur constitue un condenseur. Dans le cas où le fluide réfrigérant reste dans le même état, c'est-à-dire sans changement de phase, comme c'est le cas avec des fluides du type CO2, l'échangeur de chaleur est alors appelé "refroidisseur de gaz" (en anglais: gas cooler). La paroi tubulaire d'un tel collecteur peut être réalisée soit en une seule partie, soit encore en deux parties assemblées, la ou chaque partie étant le plus souvent obtenue par extrusion d'un alliage métallique, en particulier d'un alliage à base d'aluminium. Le plus souvent les composants de l'échangeur sont assemblés au préalable, puis brasés ensemble en une seule opération par passage dans un four de brasage. Dans tous les cas, il se pose le problème de réaliser la fermeture de la paroi tubulaire à chacune de ses extrémités au moyen d'un organe d'obturation. Différentes solutions ont été proposées jusqu'à présent. Une solution connue consiste à réaliser une cloison qui est introduite radialement dans une fente de la paroi tubulaire puis assemblée à cette dernière par brasage. Cette liaison par brasage est obtenue le plus souvent lors du brasage des différents composants de l'échangeur de chaleur. Une autre solution, proposée dans la publication de brevet US 2003/3155109 consiste à utiliser un bouchon d'obturation serti avec insertion d'un joint annulaire d'étanchéité. D'autres solutions connues (par exemple EP 0 825 404), qui s'apparentent à la première solution précitée, consistent à introduire transversalement une cloison dans une fente transversale de la paroi tubulaire, cette dernière étant réalisée le plus souvent d'une seule pièce. Une autre solution, connue d'après DE 43 39 952, qui s'applique principalement aux parois tubulaires en deux parties, consiste à disposer entre les deux parties, avant assemblage, une cloison transversale. Encore une autre solution, connue d'après EP 0 514 248, consiste à introduire une cloison dans la paroi tubulaire et à déformer cette paroi tubulaire pour réaliser un blocage mécanique de la cloison. Une autre solution, connue d'après EP 0 860 676, consiste à placer un bouchon d'extrémité sur le contour extérieur de la boîte collectrice. Toutes ces solutions connues nécessitent un grand nombre 30 d'opérations et sont donc délicates et coûteuses à réaliser. L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients précités. Elle propose en conséquence un collecteur pour échangeur de chaleur, du type défini en introduction, dans lequel la paroi tubulaire comporte une fente d'extrémité traversant la paroi tubulaire dans une direction sensiblement radiale et pouvant déboucher sur une face d'extrémité de la paroi tubulaire, tandis que l'organe d'obturation est réalisée sous la forme d'un disque engagé dans l'ouverture axiale de la paroi tubulaire et pourvu d'un prolongement sensiblement radial engagé dans la fente d'extrémité, une liaison par brasage étant réalisée entre l'organe d'obturation et la paroi tubulaire. Ainsi, la paroi tubulaire comporte une fente d'extrémité, que l'on peut qualifier de fente débouchante, qui reçoit un prolongement de l'organe d'obturation en forme de disque. Il en résulte que l'organe d'obturation peut être engagé axialement dans l'ouverture axiale de la paroi tubulaire. Lors de ce mouvement d'introduction, l'organe d'obturation proprement dit, que l'on peut qualifier de disque ou de pastille, vient obturer l'ouverture axiale de la paroi tubulaire, tandis que le prolongement vient se loger dans la fente d'extrémité. Il en résulte que l'organe d'obturation est convenablement mis en place, un maintien mécanique provisoire étant ainsi assuré, préalablement au brasage de l'organe d'obturation avec la paroi tubulaire. L'organe d'obturation est suffisamment épais et présente un diamètre externe suffisamment proche du diamètre interne de la paroi tubulaire pour ne pas s'arc-bouter dans la paroi tubulaire lors de sa mise en place. De préférence, le prolongement de l'organe d'obturation comporte une face externe affleurant sensiblement à l'extérieur de la paroi tubulaire. Il est avantageux que cette face externe comporte un poinçonnage favorisant ainsi un serrage du prolongement dans le fente d'extrémité. Ceci permet d'assurer un meilleur maintien provisoire dans la paroi tubulaire et de plaquer une tranche de l'organe d'obturation contre le diamètre interne de la paroi tubulaire pour favoriser le brasage et l'étanchéité. Dans une réalisation préférentielle, la fente d'extrémité fait partie d'une série de fentes allongées et alignées servant chacune à la réception d'une extrémité torsadée d'un tube d'échange de chaleur, cette fente d'extrémité résultant d'une découpe transversale de la paroi du collecteur dans la région d'une des fentes de la série. Autrement dit, il suffit de découper transversalement la paroi tubulaire, dans la région d'une des fentes de la série, pour former ainsi une fente débouchante constituant la fente d'extrémité. Cette caractéristique est particulièrement avantageuse car elle permet de réaliser des éléments tubulaires de grande longueur avec une série de fentes alignées et de découper ensuite des tronçons, la découpe s'effectuant à chaque fois au travers d'une fente de la série, pour former une paroi tubulaire selon l'invention. Les fentes de la série peuvent être formées directement dans la paroi du collecteur ou bien, en variante, elles peuvent être formées dans un insert allongé introduit entre deux lèvres parallèles de la paroi tubulaire, cette paroi tubulaire ayant ainsi une section en forme d'anneau ouvert. L'organe d'obturation peut être réalisé seul. Il peut être avantageux aussi de l'intégrer à une joue latérale. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, la paroi tubulaire du collecteur est réalisée d'une seule pièce par extrusion. Bien entendu, il est envisageable aussi de réaliser un 15 collecteur en deux parties assemblées l'une à l'autre. Dans l'invention, il est avantageux que l'organe d'obturation et la paroi tubulaire aient des épaisseurs sensiblement égales. Sous un autre aspect, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un collecteur tubulaire pour un échangeur de chaleur tel que défini précédemment, ce procédé comprenant les opérations suivantes. a) préparer un collecteur ayant une paroi tubulaire ayant au moins une extrémité délimitant une ouverture axiale, et munie d'une fente d'extrémité traversant la paroi tubulaire dans une direction sensiblement radiale et débouchant sur une face d'extrémité de la paroi; b) préparer un organe d'obturation réalisé sous la forme d'un disque de dimension adaptée à l'ouverture axiale de la paroi tubulaire et pourvu d'un prolongement sensiblement radial; c) engager l'organe d'obturation dans l'ouverture axiale de la paroi tubulaire de sorte que son prolongement soit engagé dans la fente d'extrémité pour assurer un maintien provisoire de l'organe d'obturation; et d) réaliser une liaison par brasage entre une tranche de l'organe d'obturation et la paroi tubulaire du collecteur. 10 Dans une forme de réalisation préférentielle du procédé, la paroi tubulaire du collecteur comprend une série de fentes allongées et alignées servant chacune à la réception d'une extrémité torsadée d'un tube d'échange de chaleur, et l'opération a) comprend la réalisation d'une découpe transversale de la paroi tubulaire du collecteur dans la région d'une des fentes de la série de manière à former la fente d'extrémité. Il est avantageux que l'opération c) comprenne une opération supplémentaire consistant à poinçonner une face externe du prolongement de manière à favoriser un serrage dudit prolongement dans la fente d'extrémité. Sous un autre aspect, l'invention concerne un échangeur de chaleur comprenant au moins deux collecteurs tels que définis précédemment ou pouvant être obtenus par le procédé ci-dessus, ainsi qu'un faisceau de tube d'échangeur de chaleur monté entre deux collecteurs. Les tubes d'échange de chaleur comportent avantageusement des extrémités torsadées reçues dans des fentes allongées des collecteurs. Dans une réalisation avantageuse, l'échangeur de chaleur comprend en outre au moins une joue latérale reliant des extrémités respectives des deux collecteurs et à laquelle sont intégrés deux organes d'obturation. Dans la description qui suit, faite à titre d'exemples, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue partielle de côté, avec arrachements partiels, d'un échangeur de chaleur selon l'invention; - la figure 2 est une vue d'extrémité, à échelle agrandie, 15 de l'un des collecteurs de l'échangeur de chaleur de la figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 2 - la figure 4 est une vue partielle de côté de l'extrémité d'un collecteur; la figure 5 est une vue analogue à la figure 1 dans une 25 variante de réalisation où les deux organes d'obturation sont intégrés à une joue d'extrémité ; - les figures 6 à 8 montrent différentes phases successives de mise en place d'un organe d'obturation dans le cas où la paroi tubulaire du collecteur comporte une série de fentes alignées; - les figures 9 et 10 illustrent deux phases successives de mise en place d'un organe d'obturation dans le cas où les fentes alignées sont réalisées dans un insert placé au préalable dans la paroi tubulaire, cette dernière ayant la forme d'une section ouverte; - la figure 11 montre une paroi tubulaire munie d'une série de fentes alignées, avant découpe de la paroi; et - la figure 12 est une vue analogue à la figure 11 après découpe de la paroi dans la région d'une des fentes pour former une fente d'extrémité. On se réfère d'abord à la figure 1 qui montre un échangeur de chaleur 10 formé de deux collecteurs 12 entre lesquelles est disposé un faisceau formé de tubes plats 14 et d'intercalaires ondulées 16 disposés entre les corps des tubes. Les collecteurs 12 sont généralement identiques et comprennent chacun une paroi tubulaire 18, ici une paroi cylindrique de section circulaire réalisée d'une seule pièce, avantageusement par extrusion. Cette paroi est avantageusement réalisée en aluminium ou en alliage d'aluminium. A chacune de ses extrémités, la paroi tubulaire 18 d'un collecteur 12 est fermée par un organe d'obturation 20 introduit dans la direction axiale dans une ouverture axiale 22 de la paroi tubulaire (figures 1 à 3). Dans l'exemple de réalisation, la paroi tubulaire 18 comporte une série de fentes allongées 24 qui sont avantageusement obtenues par crevage de la paroi tubulaire, une fois celle-ci réalisée par extrusion. Ces fentes allongées s'étendent dans la direction axiale de la paroi tubulaire, c'est-à-dire dans la direction des génératrices de cette dernière. Comme on peut le voir sur la figure 1, les tubes plats 14 ont des extrémités torsadées 26 qui sont obtenues par rotation d'environ 90 en sorte que les extrémités torsadées puissent être introduites dans les fentes 24 et que les corps des tubes opposent le moins de résistance possible au passage d'un flux de gaz, par exemple d'un flux d'air, balayant le faisceau formé par les tubes et les intercalaires ondulés. Comme on le voit sur les figures 1 à 4, la paroi tubulaire 18 de chaque collecteur comporte une fente d'extrémité 28 qui, dans l'exemple de réalisation, résulte de la découpe de la paroi tubulaire suivant un plan transversal P (figure 3) coupant l'une des fentes 24 de la série. La fente ainsi découpée peut être qualifiée de fente débouchante dans la mesure où elle traverse la paroi tubulaire de part en part, dans une direction radiale, et qu'elle débouche sur une face d'extrémité 30 coïncidant avec le plan P précité. L'organe d'obturation 20 est réalisé sous la forme d'un disque, encore appelé "pastille", de forme adaptée à celle de l'ouverture axiale 22 pour pouvoir y être logé axialement comme montré par les figures 1 à 3. La tranche du disque vient alors en contact avec la face interne de la paroi tubulaire 18 pour fermer l'ouverture axiale 22. L'organe d'obturation est muni d'un prolongement 32 sensiblement radial propre à être engagé dans la fente d'extrémité 28 pour assurer un maintien provisoire de l'organe d'obturation dans la paroi tubulaire avant leur liaison définitive par brasage. Une fois cette introduction effectuée, il est avantageux, comme montré à la figure 4, de réaliser un poinçonnage 34, au moyen d'un poinçon ou d'un pointeau (non représenté), pour faire fluer la matière du prolongement et provoquer une action de serrage. Ce poinçonnage 34 est réalisé sur une face externe 36 du prolongement qui affleure sensiblement à l'extérieur de la paroi tubulaire comme on le voit plus particulièrement sur les figures 3 et 4. Dans la forme de réalisation des figures 1 à 4, chacun des organes d'obturation 20 est réalisé de façon indépendante. Cela signifie que l'on met en place un organe d'obturation à l'une au moins des extrémités, de préférence aux deux extrémités, de chacun des collecteurs 12. Dans une variante de réalisation, comme représenté à la figure 5, les deux organes d'obturation 20 des collecteurs 12 sont intégrés à une joue latérale 38, c'est-à-dire à un élément formant traverse reliant les deux collecteurs. On comprendra que, dans ces conditions, aussi bien dans la forme de réalisation des figures 1 à 4, que dans celle de la figure 5, les différents composants de l'échangeur de chaleur peuvent être assemblés mécaniquement puis assemblés définitivement par brasage, et cela au cours d'une même opération. Comme on le voit sur la figure 3, l'organe d'obturation 20 présente une épaisseur El qui est sensiblement égale à l'épaisseur E2 de la paroi tubulaire. Cela permet au collecteur ainsi obtenu de résister à des pressions données d'un fluide traversant l'échangeur de chaleur. Comme déjà indiqué, ce fluide peut être un fluide réfrigérant à changement de phase, dans le cas où l'échangeur de chaleur est un condenseur. Il peut aussi s'agir d'un fluide dit "super-critique" qui reste principalement en phase gazeuse, par exemple d'un fluide du type CO2. Dans ce dernier cas, le fluide circule à des pressions particulièrement élevées et les parois du collecteur doivent pouvoir résister à ces pressions élevées. En particulier, les épaisseurs El et E2 peuvent être comprises entre 1 et 4 mm. L'échangeur de chaleur au lieu de s'appeler condenseur, s'appelle alors refroidisseur de gaz. Comme on peut le voir sur la figure 5, dans cette application particulière, la joue latérale 38 possède une 20 épaisseur E3 plus faible, par exemple de 1 mm. On se réfère maintenant aux figures 6 à 8 qui montrent schématiquement trois opérations successives de mise en place d'un organe d'obturation. Dans le cas des figures 6 à 8, les fentes allongées 24 sont réalisées directement dans la paroi tubulaire. La fente d'extrémité 28 résulte de la découpe de la paroi tubulaire dans la région de l'une des fentes. La figure 6 montre la paroi tubulaire du collecteur et l'organe d'obturation avant assemblage. La figure 7 montre l'ensemble après assemblage. On voit que l'organe d'obturation est logé dans l'ouverture axiale de la paroi tubulaire et que son prolongement est introduit dans la fente d'extrémité. Dans une opération ultérieure, comme montré à la figure 8, un poinçonnage est réalisé sur la face externe 36 du prolongement au moyen d'un outil de poinçonnage 40 tel qu'un poinçon ou un pointeau pour faire fluer la matière du prolongement et réaliser un serrage provisoire, avant assemblage définitif par brasage. Les figures 9 et 10 montrent des opérations analogues dans le cas où les fentes allongées 24, au lieu d'être formées directement dans la paroi tubulaire, sont formées dans un insert 42 en forme de bande, qui est logé entre deux lèvres parallèles 44 de la paroi tubulaire, cette dernière ayant une coupe en forme d'anneau ouvert. La figure 11 montre une paroi tubulaire dans laquelle ont été formées, par exemple par crevage, poinçonnage ou usinage, une série de fentes allongée 24 de forme générale rectangulaire. Un tel élément tubulaire peut être réalisé en grande longueur par extrusion, les fentes étant ensuite réalisées avantageusement par crevage, poinçonnage ou usinage. Il suffit ensuite de découper cet élément tubulaire en tronçon pour former des parois tubulaires. On s'arrange à chaque fois pour découper l'élément tubulaire au moyen d'une scie 46 dans une région de l'une des fentes 24 de la série. Ainsi, après découpe, on produit une fente d'extrémité 28 comme le montre la figure 12. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment à titre d'exemple. Ainsi, la fente d'extrémité n'est pas obligatoirement obtenue par découpe d'une fente faisant partie d'une série de fentes allongées. Elle peut être réalisée de manière séparée. Egalement, bien que la paroi tubulaire puisse être réalisée en une seule partie, elle pourrait aussi en variante être obtenue par l'assemblage de deux éléments formant des demi-coquilles. Dans le cas où l'échangeur de chaleur est utilisé pour constituer un condenseur ou un refroidisseur de gaz, les tubes du faisceau sont de préférence réalisés avec plusieurs canaux, par exemple par extrusion. Revendications 1. Collecteur pour échangeur de chaleur, comprenant une paroi tubulaire (18) ayant au moins une extrémité délimitant une ouverture axiale (22), fermée par un organe d'obturation (20), caractérisé en ce que la paroi tubulaire (18) du collecteur (12) comporte une fente d'extrémité (28) traversant la paroi tubulaire dans une direction sensiblement radiale et en ce que l'organe d'obturation (20) est réalisé sous la forme d'un disque engagé dans l'ouverture axiale (22) de la paroi tubulaire et pourvu d'un prolongement (32) sensiblement radial engagé dans la fente d'extrémité (28), une liaison par brasage étant réalisée entre l'organe d'obturation et la paroi tubulaire. 2. Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le prolongement (32) de l'organe d'obturation (20) comporte une face externe (36) affleurant sensiblement à l'extérieur de la paroi tubulaire (18). 3. Collecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la face externe (36) du prolongement (32) comporte un poinçonnage (34) favorisant un serrage dudit prolongement dans la fente d'extrémité (28). 4. Collecteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la fente d'extrémité (28) fait partie d'une série de fentes allongées et alignées (24) servant chacune à la réception d'une extrémité torsadée (26) d'un tube d'échange de chaleur (14) et résulte d'une découpe transversale de la paroi tubulaire dans la région d'une des fentes de la série. 2887974 16 5. Collecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les fentes (24) de la série de fentes sont formées directement dans la paroi tubulaire (18) du collecteur. 6. Collecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les fentes (24) de la série de fentes sont formées dans un insert allongé (42) introduit entre deux lèvres parallèles (44) de la paroi tubulaire. 7. Collecteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'organe d'obturation (20) est intégré à une joue latérale (38). 8. Collecteur selon l'une des revendications 1 à 7, 15 caractérisé en ce que la paroi tubulaire (18) du collecteur est réalisé d'une seule pièce par extrusion. 9. Collecteur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'organe d'obturation (20) et la paroi tubulaire (18) ont des épaisseurs sensiblement égales. 10. Procédé de fabrication d'un collecteur tubulaire pour échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 9, 25 caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: a) préparer un collecteur (12) ayant une paroi tubulaire (18) ayant au moins une extrémité délimitant une ouverture axiale (22) et munie d'une fente d'extrémité (28) traversant la paroi tubulaire dans une direction sensiblement radiale et débouchant sur une face d'extrémité (30) de la paroi tubulaire; 2887974 17 b) préparer un organe d'obturation (20) réalisé sous la forme d'un disque de dimension adaptée à l'ouverture axiale (22) de la paroi tubulaire et pourvu d'un prolongement (32) sensiblement radiale; c) engager l'organe d'obturation (20) dans l'ouverture axiale (22) de la paroi tubulaire de sorte que son prolongement (32) soit engagé dans la fente d'extrémité (28) pour assurer un maintien provisoire de l'organe d'obturation; et d) réaliser une liaison par brasage entre une tranche de l'organe d'obturation et la paroi tubulaire du collecteur. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la paroi tubulaire (18) comprend une série de fentes allongées et alignées (24) servant chacune à la réception d'une extrémité torsadée (26) d'un tube d'échange de chaleur (14), et en ce que l'opération a) comprend la réalisation d'une découpe transversale de la paroi tubulaire dans la région d'une des fentes de manière à former la fente d'extrémité (28). 12. Procédé selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que l'opération c) comprend une opération supplémentaire consistant à poinçonner une face externe (36) du prolongement (32) de manière à favoriser un serrage dudit prolongement dans la fente d'extrémité (28). 13. Echangeur de chaleur comprenant au moins deux collecteurs (12) selon l'une des revendications 1 à 9 ou pouvant être obtenus par le procédé de l'une des 2887974 18 revendications 10 à 12, et un faisceau de tubes d'échange de chaleur (14) montés entre deux collecteurs. 14. Echangeur de chaleur selon la revendication 13, caractérisé en ce que les tubes d'échange de chaleur (14) ont des extrémités torsadées (26) reçues dans des fentes allongées et alignées (24) des collecteurs. 15. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 13 et 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins une joue latérale (38) reliant les extrémités respectives des deux collecteurs et à laquelle sont intégrés deux organes d'obturation (20). 20 25