Brevet FR2892803A1 — publié le 20070504

RFR0242 Boîte collectrice pour échangeur de chaleur, notamment pour évaporateur de climatisation, échangeur comportant une 5 telle boîte L'invention se rapporte au domaine des échangeurs de chaleur et notamment aux échangeurs destinés à être parcourus par un fluide sous haute pression. 10 A cet égard, l'invention se rapporte plus particulièrement aux évaporateurs de climatisation susceptibles d'être parcourus par un fluide réfrigérant à l'état supercritique, comme c'est le cas de gaz tels que, par exemple, le dioxyde 15 de carbone ou CO2. De tels échangeurs trouvent une application particulière dans les véhicules automobiles. On rappellera que, dans un circuit de climatisation parcouru par un fluide réfrigérant à l'état supercritique, 20 ce fluide reste essentiellement à l'état gazeux et sous une pression très élevée qui est actuellement comprise entre 100 et 150 bars. Il en résulte que de tels échangeurs de chaleur, et notamment leurs boîtes collectrices, doivent pouvoir résister à de telles pressions élevées, les 25 pressions d'éclatement préconisées étant généralement de trois fois la valeur de la pression nominale de fonctionnement. Ces exigences sont également étendues aux tubulures de raccordement d'entrée et de sortie du fluide réfrigérant. 30 On connaît déjà des boîtes collectrices, généralement obtenues par brasage, qui sont conçues pour résister à de telles pressions élevées. 1 Dans une première solution, connue par US 2004/211,551, les tubulures d'entrée et de sortie sont directement insérées dans la boîte collectrice par des ouvertures réalisées dans celle-ci. Cette solution présente des problèmes importants de fuites. Dans une seconde solution, connue par WO 02/066918, un bloc de connexion est usiné et est brasé sur la boîte collectrice par une plaque intermédiaire. Ce bloc est propre à recevoir les tubulures d'entrée et de sortie de fluide réfrigérant. Cette solution présente l'inconvénient d'utiliser un bloc de poids élevé qui peut induire des problèmes de brasage. D'autres solutions existent pour relier des tubulures d'entrée et de sortie de fluide réfrigérant à la boîte collectrice par une pièce intermédiaire, connues par exemple par WO 01/88445, mais ces solutions ne sont pas adaptées pour supporter de très fortes pression telles que celles rencontrées dans les évaporateurs précités. L'invention vise à améliorer la situation. A cet effet, l'invention propose une boîte collectrice d'échangeur de chaleur, comprenant une plaque collectrice et un couvercle. La plaque collectrice est munie d'ouvertures de réception pour l'insertion de tubes d'échange de chaleur et d'au moins une ouverture d'entrée/sortie de fluide. La boite collectrice comporte en outre au moins un manchon comportant un moyen de retenue, lequel manchon est disposé dans une des ouvertures d'entrée/sortie. Le moyen de retenue coopère avec la plaque collectrice pour le maintien du manchon, le manchon étant propre à recevoir une tubulure d'entrée/sortie de fluide. Une telle boîte collectrice est particulièrement avantageuse en ce que le manchon peut être brasé avec une surface de brasage optimale sur la plaque collectrice par son collet. Cela permet notamment d'éviter la présence de placage sur le manchon et limite les problèmes d'assemblage. D'autre part, la disposition du manchon permet de réaliser la connexion aux tubulures d'entrée/sortie de fluide dans l'encombrement de la boîte collectrice, dans une direction sensiblement parallèle aux tubes d'échange de chaleur. Un mode de réalisation prévoit que le moyen de retenue est un collet. Dans un autre mode de réalisation, la plaque collectrice 20 est emboutie au niveau de l'ouverture d'entrée/sortie de fluide pour former un logement de forme homologue de celle du collet, et le collet du manchon est logé dans ce logement. Avantageusement, le logement a une profondeur sensiblement 25 égale à l'épaisseur du collet. Ce mode de réalisation permet d'optimiser l'espace occupé par la boîte collectrice et de ne pas modifier l'agencement intérieur de celle-ci. 30 La boîte collectrice peut comporter une plaque de distribution accolée à la plaque collectrice, entre celle-ci et le15 couvercle, et le manchon peut être logé entre la plaque collectrice et la plaque de distribution. La manchon peut être brasé avec la plaque collectrice au 5 niveau de son collet et de l'ouverture entrée/sortie de fluide. Ces modes de réalisation sont particulièrement adaptés aux échangeurs de chaleur et plus particulièrement aux 10 évaporateurs parcourus par des fluides réfrigérants à l'état supercritique. Enfin, le manchon peut être réalisé par emboutissage et la boîte collectrice peut comporter deux ouvertures 15 d'entrée/sortie. L'invention concerne également un échangeur de chaleur comprenant un faisceau de tubes et au moins une boîte collectrice telle que décrite précédemment. Dans un mode de réalisation, cet échangeur est réalisé sous la forme d'un évaporateur pour un circuit de climatisation parcouru par un fluide réfrigérant à haute pression, en particulier un fluide fonctionnant à l'état supercritique. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description, à titre d'exemples et non de limitation, tirés des dessins sur lesquels : - la figure 1 montre une vue en perspective d'un échangeur de chaleur selon l'invention ; 20 25 30 - la figure 2 montre une vue partielle en perspective éclatée d'une boîte collectrice de l'échangeur de la figure 1 ; - la figure 3 montre la boîte collectrice de la figure 2 une fois montée ; et - la figure 4 montre une vue en coupe schématique de la boîte collectrice de la figure 3. On se réfère d'abord à la figure 1 qui montre un échangeur de chaleur 10 comportant un faisceau 12 monté entre une boîte collectrice supérieure 14 et une boîte collectrice inférieure 16, l'échangeur de chaleur 10 étant considéré en position verticale. Le faisceau 12 est composé de deux rangées de tubes 18 (dont une seule est visible sur la figure 1) et d'intercalaires ondulés communs aux deux rangées de tube (non représentés sur la figure 1). La boîte collectrice 14 est munie de deux tubulures 22 et 24 servant respectivement à l'admission et à l'évacuation du fluide parcourant les tubes du faisceau 12. Dans l'exemple, l'échangeur de chaleur 10 est réalisé sous la forme d'un évaporateur propre à être parcouru par un fluide réfrigérant fonctionnant à l'état supercritique, en particulier du CO2, dont la pression peut atteindre des valeurs de l'ordre de 100 à 150 bars. Ce fluide échange de la chaleur avec un flux d'air qui balaie le faisceau de tubes pour produire un flux d'air climatisé, en particulier dans un véhicule automobile. 6 On se réfère maintenant à la figure 2 qui représente une vue éclatée d'une partie de l'échangeur de la figure 1. On voit que la boîte collectrice 14 comporte une plaque collectrice 26 munie d'ouvertures 28 de réception des tubes du faisceau 12. Les ouvertures 28 sont de forme allongée et disposées suivant deux rangées en correspondance des deux rangées de tubes 18. La plaque collectrice 26 est de forme générale rectangulaire et elle comporte, le long de ses deux grands côtés, des bords 30 dont le rôle sera précisé ci-après. Elle comporte un prolongement 32 dans lequel sont aménagés des orifices 34 et 36 pour le montage respectif des tubulures 22 et 24. Les orifices 34 et 36 sont chacun bordés d'un emboutissage 38 qui est réalisé vers le côté de la plaque collectrice 26 qui reçoit le faisceau 12. Au-dessus de la plaque collectrice 26, sont placés deux manchons 40 comportant chacun un moyen de retenue (42), le moyen de retenue étant ici un collet 42. Les manchons et leurs collets 42 sont réalisés par emboutissage ou par usinage. Les manchons 40 sont de forme sensiblement cylindrique et présentent un diamètre externe sensiblement égal à celui des orifices 34 et 36. Leur diamètre interne est sensiblement égal au diamètre externe des tubulures 22 et 24. Le collet 42 a des dimensions et une forme homologues de celles de l'emboutissage 38, c'est-à-dire que l'emboutissage 38 a une profondeur sensiblement égale à l'épaisseur du collet 42. Ainsi, l'emboutissage 38 constitue un logement pour le collet 42 lorsque le manchon 40 est reçu dans un des orifices 34 ou 36. D'autre part, les dimensions respectives du logement 38 et du collet 42 font que la face de la plaque collectrice 26 qui reçoit les manchons apparaît plane. Au-dessus des manchons 40, est placée une plaque de distribution 44 comportant deux rangées de fentes 46 communiquant chacune avec un tube 18. Ces fentes 40 contribuent à définir des chambres qui permettent la distribution du fluide et sa circulation dans les tubes du faisceau selon un parcours défini. La plaque de distribution 44 comporte en outre un prolongement 48 et deux orifices 50 et 52 correspondant aux orifices 34 et 36 de la plaque collectrice 26. Ainsi, les collets 42 sont pris en sandwich entre ladite plaque collectrice 26 et ladite plaque de distribution (44). Le collet 42 est lié par brasage à la fois avec la plaque collectrice (26) et avec la plaque de distribution 44. Au-dessus de la plaque de distribution 44 est placé un couvercle 52 destiné à être maintenu contre la plaque collectrice, ce qui permet d'emprisonner la plaque de distribution 44 notamment grâce au brasage des bords 30 sur des bords latéraux du couvercle 52. Le couvercle 52 est réalisé sous la forme d'une plaque (extrudée ou emboutie) comportant un bord périphérique 54 brasé avec le bord 30. Ce couvercle comporte, en outre, une série de bossages 56, au nombre de six, dans l'exemple représenté, suivant la largeur, délimitant respectivement des chambres 58 communiquant avec les chambres de la plaque de distribution 44. Ces bossages sont convenablement disposés pour permettre au fluide réfrigérant de pénétrer à l'intérieur de la boîte collectrice 14 via la tubulure 22, de circuler ensuite dans30 8 les tubes 18 du faisceau 12 entre la boîte collectrice 14 et la boîte collectrice 16 puis de quitter l'échangeur 10 par la tubulure de sortie 24. La manière dont la circulation du fluide s'effectue dans le faisceau ne sera pas décrite en détail, s'agissant d'une disposition en elle-même connue de l'homme du métier. La boîte collectrice 16 est similaire à la boîte collectrice 14 à cela près qu'elle ne comporte pas de 10 prolongements 32 et 48. Dans l'exemple ici décrit, la plaque collectrice 26 comporte un bord de brasage sur le bord périphérique du couvercle et de la plaque intermédiaire. Cependant, tout 15 autre dispositif de liaison de ces éléments est envisageable par l'homme du métier. Les composants de boîtes collectrices sont réalisés à partir d'une plaque métallique, de préférence en alliage 20 d'aluminium, avec une épaisseur suffisante pour résister aux pressions importantes du fluide réfrigérant. Les bossages 56 permettent de former les chambres 58 de volume restreint limitant l'effet de la pression du fluide 25 sur les composants de la plaque collectrice 16. Ces composants sont destinés à être assemblés par brasage une fois un assemblage provisoire réalisé. 1l est donc nécessaire de prévoir un placage de brasure. Cet assemblage provisoire est montré plus avant sur la figure 3. Comme on peut le voir sur cette figure, les manchons 40 sont reçus dans les orifices 34 et 36 et sont 30 9 recouverts de la plaque de distribution 44 qui est elle-même recouverte du couvercle 52. La réalisation du logement 38 de forme et de dimension homologues de celles du collet 42 des manchons 40 permet d'obtenir un serrage et une étanchéité optimale de la plaque de distribution 44 sur la plaque collectrice 26. De même, les bords 30 sont de dimension prévue pour couvrir l'intégralité des bords 54 du couvercle 52. La figure 4 est une vue en coupe partielle de la figure 3 permettant de montrer la répartition des placages de brasure nécessaires à la bonne tenue de l'échangeur 10. La tubulure 22 a été représentée sur cette figure pour mieux préciser cette répartition. D'une manière générale, l'ensemble de la face de la plaque collectrice 26 qui reçoit les manchons et est recouverte par la plaque de distribution 44 et le couvercle 52 reçoit un placage de brasure 60. On qualifiera cette face de face intérieure. Ce placage permet de lier le bord 30 au bord 54 ainsi qu'au bord de la plaque de distribution 44. En outre, le logement 38 permet d'offrir une plus grande surface de brasage au manchon 40 par le brasage non seulement le long de la périphérie du manchon 40 dans les orifices 32 et 34, mais également sur la surface de contact du collet 42 et de ces derniers. Les manchons 40 sont ainsi maintenus en place de manière 30 très forte et propre à résister aux pressions du fluide réfrigérant. On remarquera que la tubulure 22 est disposée dans le manchon 40 sans brasage et que le manchon 40 d'une manière générale n'est pas recouvert de placage de brasure. En effet, le placage de brasure induit des effets néfastes pour l'assemblage avec les tubulures. Après brasage de l'échangeur 10, les tubulures 22 et 24 peuvent être reliées au manchon 40 par un dispositif mécanique ou encore par brasage. Un autre mode de réalisation, où la plaque de distribution est omise, propose que une boite collectrice dans laquelle le collet est pris en sandwich entre une plaque collectrice et un couvercle. Dans cette variante, le collet sera lié par brasage avec la plaque collectrice et ledit couvercle. La boîte collectrice de l'invention est susceptible de nombreuses autres variantes de réalisation. Il est notamment envisageable de répartir les manchons et orifices de réception des tubulures d'entrée/sortie sur les deux boîtes collectrices. Elle trouve une application principale aux échangeurs de chaleur parcourus par un fluide réfrigérant sous haute pression, en particulier aux évaporateurs de climatisation parcourus par un fluide à l'état supercritique comme le CO2, tels que ceux destinés aux véhicules automobiles. Revendications 1. Boîte collectrice d'échangeur de chaleur, comprenant une plaque collectrice (26) et un couvercle (52), ladite plaque collectrice (26) étant munie d'ouvertures de réception (28) pour l'insertion de tubes (18) d'échange de chaleur et d'au moins une ouverture d'entrée/sortie de fluide (34, 36), caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins un manchon (40) comportant un moyen de retenue (42), lequel manchon (40) est disposé dans une desdites ouvertures d'entrée/sortie (34, 36), et ledit moyen de retenue (42) coopérant avec la plaque collectrice (26) pour le maintien dudit manchon (40), le manchon (40) étant propre à recevoir une tubulure d'entrée/sortie de fluide (22, 24). 2. Boite collectrice selon la revendication 1 dans laquelle ledit moyen de retenue (42) est pris en sandwich entre ladite plaque collectrice (26) et ledit couvercle (52). 3. Boite collectrice selon la revendication précédente dans laquelle ledit moyen de retenue (42) est lié par brasage avec ladite plaque collectrice (26) et ledit couvercle (52). 4. Boîte collectrice d'échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ledit moyen de retenue est un collet (42). 5. Boîte collectrice selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la plaque collectrice (26) est emboutie au niveau de l'ouverture d'entrée/sortie de fluide 1130(34, 36) pour former un logement (38) de forme homologue de celle du moyen de retenue (42), et en ce que le moyen de retenue (42) du manchon (40) est logé dans ledit logement (38). 6. Boîte collectrice selon la revendication précédente, dans laquelle le logement (38) a une profondeur sensiblement égale à l'épaisseur du collet (42). 10 7. Boîte collectrice selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite boite collectrice comporte en outre une plaque de distribution (44) accolée à la plaque collectrice (26), entre celle-ci et le couvercle (52). 15 8. Boite collectrice selon la revendication précédente, dans laquelle ledit collet (42) est pris en sandwich entre ladite plaque collectrice (26) et ladite plaque de distribution (44). 9. Boite collectrice selon l'une des revendications précédentes dans laquelle ledit collet (42) est lié par brasage avec ladite plaque collectrice (26) et ladite plaque de distribution (44). 10. Boîte collectrice selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le manchon (40) est brasé avec la plaque collectrice (26) au niveau de son collet (42) et de l'ouverture d'entrée/sortie de fluide (34, 36). 11. Boîte collectrice selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le manchon (40) est réalisé par emboutissage. 20 25 30 12. Boîte collectrice selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite boite collectrice comporte deux ouvertures d'entrée/sortie (34, 36). 13. Echangeur de chaleur comprenant un faisceau (12) de tubes et au moins une boîte collectrice (14) selon l'une des revendications 1 à 12. 10 14. Echangeur de chaleur selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous la forme d'un évaporateur pour un circuit de climatisation parcouru par un fluide réfrigérant à haute pression, en particulier un fluide fonctionnant à l'état supercritique.5