Brevet FR2892802A1 — publié le 20070504

RFR0244 Echangeur de chaleur muni d'une boîte à fluide améliorée L'invention concerne les échangeurs de chaleur munis de boîtes à fluide, en particulier pour véhicules automobiles. Elle concerne tout particulièrement les échangeurs de chaleurs constitués d'un faisceau de tubes parallèles entre eux traversant des ailettes en forme de plaques rectangulaires. Le faisceau est monté entre deux boîtes à fluide, disposées de part et d'autre de l'échangeur. Chaque boîte à fluide présente une forme générale de demi cylindre délimité par une face ouverte entourée d'un rebord périphérique, couramment appelé "pied" ou "talon". Dans des réalisations connues, le talon de chaque boîte à fluide est raccordé à une plaque collectrice ou "collecteur", dans lequel sont aménagées une ou plusieurs rangées d'ouvertures. Ces ouvertures reçoivent les extrémités des tubes du faisceau, ce qui permet de faire déboucher le fluide qui traverse les tubes dans le volume interne défini par la boîte à fluide. De tels échangeurs de chaleur permettent un échange de chaleur entre un premier fluide circulant dans les tubes et un deuxième fluide traversant l'échangeur. Ils sont classiquement utilisés dans les véhicules automobiles pour assurer le refroidissement du moteur ou le chauffage de l'habi- tacle. La plaque collectrice doit être assemblée d'une part à la boîte à fluide et d'autre part aux tubes du faisceau, avec une étanchéité optimale. Dans des échangeurs de chaleur connus, la plaque collectrice présente une gorge périphérique tournée vers l'extérieur de la boîte à fluide. Le talon de la boîte à fluide35 vient s'engager dans cette gorge pour l'assemblage de la boîte à fluide et du collecteur. Un joint d'étanchéité est généralement prévu dans la gorge périphérique de la plaque collectrice afin de garantir l'étanchéité de l'assemblage. Le talon de la boîte à fluide est conformé pour venir comprimer le joint d'étanchéité, après l'assemblage. L'assemblage de la boîte à fluide et du collecteur peut être un assemblage mécanique, auquel cas la compression du joint d'étanchéité est obtenue par sertis-sage. Il est également connu d'assembler la boîte à fluide et le collecteur par brasage. Dans d'autres échangeurs classiques, le talon de la boîte à fluide est emboîté dans la gorge périphérique du collecteur, sans que celle-ci ne comporte de joint d'étanchéité. Un plaquage de brasure est prévu sur la paroi de la boîte à fluide pour permettre le brasage de celle-ci au collecteur. Dans de tels échangeurs, la boîte à fluide et le collecteur sont en aluminium pour assurer un assemblage par brasure étanche. Par ailleurs, l'assemblage de la plaque collectrice et du faisceau se fait généralement par l'introduction des extré- mités des tubes dans des collets entourant les ouvertures de la plaque collectrice. Les tubes peuvent être directe-ment brasés à cette dernière. Ils peuvent encore être évasés pour comprimer des manchons d'étanchéité, insérés sur les collets. Ainsi, l'assemblage du collecteur à la boîte à fluide et au faisceau implique des opérations complexes, notamment la mise en place d'un joint dans le collecteur, le raccorde-ment du collecteur équipé du joint sur le faisceau de tubes, l'évasement des tubes ou encore le sertissage des boîtes à fluide, selon le type d'assemblage considéré. Outre ces opérations complexes, les échangeurs de chaleur connus font intervenir des structures complexes, notamment la structure du collecteur qui doit être adaptée pour permettre son raccordement aux tubes et à la boîte à fluide, et plus généralement les structures d'assemblage entre la boîte à fluide et le collecteur qui doivent garan- tir l'étanchéité et le maintien mécanique de l'ensemble. L'invention vient améliorer la situation en proposant un échangeur de chaleur, comprenant un faisceau constitué de tubes et d'une pluralité d'ailettes en forme de plaques rectangulaires, traversées par lesdits tubes, et deux boîtes à fluide entre lesquelles est monté le faisceau. L'une au moins des boîtes à fluide a une forme générale de demi cylindre et présente une face ouverte entourée d'un rebord périphérique. Le rebord périphérique est conformé pour loger une partie d'extrémité du faisceau, et le faisceau est fixé à la boîte à fluide par collage de la partie d'extrémité du faisceau et du rebord périphérique. Des caractéristiques optionnelles de la pièce selon 20 l'invention, complémentaires ou de substitution, sont énoncées ci-après . - Le collage est effectué de manière à former des nappes de colle entre certaines au moins des ailettes de la partie 25 d'extrémité du faisceau. - La face interne du rebord périphérique présente des gorges sensiblement annulaires, tournées vers l'extérieur du rebord, les nappes de colle étant propres à s'étendre 30 dans lesdites gorges. - Les gorges ont une section d'axe perpendiculaire à l'axe des tubes. 35 - La face interne de la boîte à fluide présente un renfoncement, au niveau du rebord périphérique, et ledit renfoncement délimite un épaulement perpendiculaire au plan du faisceau, contre lequel vient s'appuyer la partie d'extrémité du faisceau. - La face interne du rebord périphérique présente au moins une gorge auxiliaire sensiblement annulaire et parallèle au plan des ailettes, tournée vers l'intérieur du rebord, à 5 l'angle formé entre l'épaulement et le rebord. - la gorge auxiliaire présente une section d'axe parallèle à l'axe des tubes. 10 - La partie d'extrémité du faisceau est fermée par une ailette de fermeture présentant une pluralité d'ouvertures, par lesquelles les extrémités des tubes du faisceau débouchent dans le volume délimité par la boîte à fluide. 15 - La boîte à fluide est en matière plastique. - La boîte à fluide est en métal. - Les deux dernières ailettes de la partie d'extrémité du 20 faisceau ont une forme telle que leur écartement est évasé au voisinage du talon. - Le rebord périphérique comporte au moins un orifice d'injection et le collage est réalisé en injectant la colle 25 à travers le ou lesdits orifice(s) d'injection. - Le ou les orifice(s) d'injection présentent une forme conique, dont la section diminue vers l'intérieur de la boîte à fluide. 30 L'invention propose en outre un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur avec orifice(s) d'injection, tel que défini ci-dessus, dans lequel on assemble la partie d'extrémité du faisceau et le rebord périphérique de la boîte à 35 fluide, puis on injecte de la colle à travers le ou les orifices d'injection. L'invention propose également un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur sans orifice(s) d'injection, tel que défini ci-dessus, dans lequel on réalise un encollage de la face interne du rebord périphérique et un encollage correspondant de la partie d'extrémité du faisceau, puis on assemble la partie d'extrémité du faisceau et le rebord périphérique de la boîte à fluide. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après et des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma général d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue partielle en perspective de 15 l'échangeur conforme à l'invention montrant le raccord entre la boîte à fluide et le faisceau ; - la figure 3 est une vue en perspective de la boîte à fluide ; - la figure 4 est un schéma en coupe transversale montrant le raccord entre la boîte à fluide et le faisceau ; - la figure 5 est une vue agrandie de la partie A de la 25 figure 4 ; et - la figure 6 est un schéma en coupe transversale, dans une forme de réalisation particulière de l'invention. 30 Il est tout d'abord fait référence à la figure 1 qui est un schéma général d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention. L'échangeur de chaleur est constitué d'un faisceau 2 de 35 tubes, notamment en aluminium, disposés parallèlement entre eux sur une ou deux rangées. Dans la suite de la de la description, le faisceau présentera deux rangées de tubes à titre d'exemple non limitatif. Les tubes 3 traversent une 20 pluralité d'ailettes 6 constituées par des plaques métalliques rectangulaires et parallèles entre elles. Les ailettes 6 présentent une ou plusieurs rangées d'ouver-5 tures à travers lesquelles passent les tubes du faisceau 2. Les tubes 3 peuvent être assemblés aux ailettes 6 par sertissage ou brasage sur celles-ci. 10 Le faisceau 2 est monté entre deux boîtes à fluide 4. Chaque boîte à fluide 4 définit un volume interne dans lequel débouche le fluide qui sort d'une extrémité du faisceau. 15 Des cloisons intermédiaires peuvent être prévues dans chaque boîte à fluide pour permettre une circulation du fluide en plusieurs passes. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le fluide arrive 20 dans l'échangeur 1 par une tubulure d'arrivée 7 aménagée sur l'une des boîtes à fluide. Le fluide sort de l'échangeur de chaleur par une tubulure de sortie 9 aménagée sur la même boîte à fluide. Le fluide subit un retournement au niveau de l'autre boîte à fluide. 25 Il est maintenant fait référence à la figure 2 qui est vue partielle de l'échangeur montrant en détail le raccord entre l'une des boîtes à fluide 4 et une partie d'extrémité du faisceau 200. 30 Le faisceau est constitué de deux rangées de tubes 3 dans lesquelles le fluide peut circuler dans des sens opposés ou identiques. Ici, les tubes ont une section circulaire. Toutefois l'invention s'applique généralement à tout type 35 de tubes. La boîte à fluide 4 présente un rebord périphérique 400, classiquement appelé "pied" ou "talon". Dans les réalisations connues, le talon de la boîte à fluide est raccordé à une plaque collectrice, elle-même raccordée au faisceau de tubes. Ici, le talon 400 de la boîte à fluide reçoit directement la partie d'extrémité du faisceau 2. En effet, la partie d'extrémité du faisceau 2 vient se loger dans le talon 400. La paroi interne du talon est en outre conformée pour retenir mécaniquement la partie d'extrémité 200 dans le talon. L'invention prévoit une liaison mécanique entre le talon 400 et le faisceau 2. Cette liaison mécanique est obtenue par un collage du talon 400 et de la partie d'extrémité du faisceau 2. L'assemblage par collage permet de se passer d'une plaque collectrice intermédiaire. Plus précisément, des nappes de colle 401 sont formées dans certains au moins des interstices séparant deux plaques d'ailettes 6 successives. Ces nappes de colle s'étendent également entre les ailettes 6 et la paroi interne du talon 400. Il est en outre intéressant de prévoir une boîte à fluide constituée en matière plastique pour favoriser la liaison par collage. En variante, la boîte à fluide peut également être constituée de métal. La liaison entre la boîte à fluide 4 et le faisceau 2 est réalisée de manière à garantir à la fois l'étanchéité et le maintien mécanique de l'ensemble. La boîte à fluide présente une forme adaptée à celle de la partie d'extrémité du faisceau 200, pour permettre sa retenue dans le talon 400 et son collage. La section du talon 400 est notamment choisie pour permettre la réception et la retenue de la partie d'extrémité du faisceau 200 dans le talon, ainsi que l'assemblage par collage de la partie d'extrémité et de la boîte à fluide. En particulier, la section interne du talon 400 est choisie en fonction des dimensions des ailettes 6 de manière à pouvoir chausser la partie d'extrémité 200 du faisceau dans le talon, tout en procurant une bonne retenue mécanique lors du collage. Il est maintenant fait référence à la figure 4 qui est un schéma en coupe transversale de l'échangeur montrant le raccord entre la boîte à fluide 4 et la partie d'extrémité du faisceau 2. L'expression "coupe transversale" fait référence à une coupe selon un plan perpendiculaire au plan du faisceau (plan représenté sur la figure 1) et à la direction AA d'empilement des tubes. Selon un aspect de l'invention, des gorges sensiblement annulaires 41 peuvent être aménagées dans la face interne du talon 400 pour améliorer la liaison par collage. Les figures montrent uniquement les côtés longitudinaux des 20 gorges 41. Ici, le terme "longitudinal" fait référence à la direction AA d'empilement des tubes. 25 Les gorges 41 sont parallèles au plan des ailettes 6 et tournées vers l'extérieur du talon 400. Elles peuvent présenter une section, notamment en forme de U, dont l'axe est perpendiculaire à l'axe BB des tubes. Comme montré sur la figure 2, les nappes de colle 401 peuvent ainsi venir 30 s'étendre au-delà des ailettes jusque dans le fond des gorges, ce qui renforce la liaison par collage. Les gorges 41 permettent d'augmenter la résistance du collage en favorisant la formation de multiples sections de colle sollicitées en cisaillement plutôt qu'au pelage. 35 La partie d'extrémité du faisceau 200 est fermée par la dernière ailette 60, désignée ci-après par "ailette de fermeture". L'ailette de fermeture 60 présente une ou plusieurs rangées d'ouvertures 605 adaptées pour recevoir les extrémités des tubes du faisceau 2. Les extrémités des tubes débouchent dans le volume interne défini par la boîte à fluide 4, ce qui permet d'y faire passer le fluide qui sort des tubes. La liaison entre les ailettes 6 et la boîte à fluide 4 est assurée par le collage. La face interne de la boîte à fluide présente un renfonce- 10 ment au niveau du talon 400. Les gorges 41 sont notamment aménagées dans ce renfoncement. Le renfoncement du talon délimite un épaulement 44 sensiblement annulaire, perpendiculaire au plan général du faisceau (représenté sur la figure 1). L'épaulement 44 forme une butée pour la partie 15 d'extrémité du faisceau 2. L'ailette de fermeture 60 de la partie d'extrémité du faisceau 2 vient s'appuyer contre cette butée après placement de la partie d'extrémité 200 dans le talon. L'épaulement 44 délimite ainsi le volume interne de la boîte à fluide. Il garantit en outre le 20 maintien mécanique de la partie d'extrémité du faisceau 2 dans le talon 400. La figure 5 est une vue agrandie de la partie A de la figure 4. Elle montre en détail le raccord entre un bord 25 longitudinal du talon 400 et la partie d'extrémité du faisceau 200. Comme on peut le voir sur cette figure, une gorge auxiliaire 42 sensiblement annulaire et parallèle au plan des ailettes 6 est prévue, à l'angle formé entre l'épaulement 44 et la paroi interne du talon 400. 30 La gorge 42 est tournée vers l'intérieur de la boîte à fluide. L'ailette de fermeture 60 vient recouvrir l'épaulement 44, en laissant la gorge auxiliaire 42 au moins partiellement dégagée. La gorge auxiliaire 42 permet 35 d'éviter l'interférence entre les parties vives de l'ailette de fermeture 60 et l'angle de la butée 44 de la boîte à fluide 4. Cette gorge auxiliaire 42 est en outre adaptée pour recevoir les excédents de colle. Les excédents5 de colle reçus dans la gorge 42 peuvent ainsi travailler en cisaillement pour limiter le déplacement du talon. La gorge annulaire 42 est parallèle au plan des ailettes et 5 peut présenter une section, notamment en forme de U, d'axe parallèle à l'axe des tubes. Il est maintenant fait référence à la figure 3 qui est une vue en perspective de la boîte à fluide 4, dans une forme 10 de réalisation particulière de l'invention. Dans cette forme de réalisation, le talon 400 de la boîte à fluide présente une pluralité d'orifices d'injection 5 à travers lequel est injectée la colle pour former les nappes 15 de colle. Il est intéressant de prévoir des orifices d'injection suffisamment grands pour pouvoir former des nappes de colle dans la majeure partie des interstices entre les ailettes. Il est également intéressant de prévoir des orifices d'injection à divers endroits du talon 400. 20 Le nombre d'orifice d'injection 5 et leurs placements dépendent du type de colle utilisée, de la viscosité de la colle, et du pas des tubes 3. Ils peuvent être positionnés en particulier de manière à faciliter l'écoulement de colle 25 autour des tubes et entre les ailettes. La colle est injectée dans le volume défini par le talon 400 à travers les orifices d'injection dans le sens des flèches FO et FI, comme indiqué sur la figure 4. 30 L'injection de colle en plusieurs points de la boîte à fluide 4 permet de réaliser un nappage optimal entre les ailettes 6, garantissant l'étanchéité entre le faisceau et la boîte à fluide et le maintien mécanique de l'ensemble. 35 La forme du talon 400 de la boîte à fluide 4 est adaptée à la forme du faisceau de tubes et permet d'optimiser la section des nappes de colle. Ainsi, les nappes de colle peuvent être sollicitées en cisaillement plutôt qu'en pelage, avec une surface de colle augmentée. Le talon 400 permet de masquer les bourrelets de colle, d'améliorer la tenue en rotation de la boîte à fluide 4 et de réduire les contraintes sur la colle de liaison. Comme représenté sur les figures 5 et 6, les orifices d'injection 5 peuvent avoir une forme sensiblement conique, avec une section qui diminue en direction de l'intérieur de la boîte à fluide 4. On obtient ainsi une forme d'entonnoir pour accueillir les buses d'injection de colle. Cette forme présente en outre l'avantage de favoriser le maintien du talon après polymérisation de la colle. En complément, les deux dernières ailettes 60 et 61 de la partie d'extrémité du faisceau peuvent présenter une forme telle que l'écartement entre ces deux ailettes soit évasé au voisinage du talon 400, comme représenté sur la figure 6. Pour cela, les bords longitudinaux des deux dernières ailettes 60 peuvent être rabattus dans des sens opposés de sorte que l'écartement entre les deux ailettes 60 et 61 présente une forme d'entonnoir 65 au voisinage du talon 400. Cette forme d'entonnoir permet de canaliser la colle et facilite le remplissage autour des tubes. Elle permet en outre d'augmenter la surface de collage avec le talon. Comme représenté dans l'exemple de la figure 6, il peut être intéressant de faire déboucher un orifice d'injection 5 de forme conique au niveau de l'écartement entre les deux dernières ailettes 60 et 61, pour optimiser la canalisation de colle et la surface de colle. Le procédé de fabrication de l'échangeur va maintenant être décrit. Dans la forme de réalisation avec orifices d'injection, la partie d'extrémité du faisceau 2 est positionnée dans la boîte à fluide de manière à amener l'ailette de fermeture 60 en butée contre l'épaulement 44. La colle est ensuite injectée par les orifices d'injection de manière à former les nappes de colle. Dans une autre forme de réalisation, on ne prévoit pas d'orifice d'injection à travers le talon 400. La face interne du talon 400 de la boîte à fluide 4 est au préalable encollée. On réalise par ailleurs un encollage de la partie d'extrémité du faisceau en correspondance avec celui effectué sur le talon de la boîte à fluide. La partie d'extrémité 200 est ensuite positionnée dans le talon 400 de manière à accrocher les ailettes. Dans cette forme de réalisation, il n'est pas prévu d'étape d'injection après positionnement. Dans les formes de réalisation précitées, le faisceau 2 est centré sur le talon 400. L'invention permet un assemblage simplifié, robuste et étanche, entre la boîte à fluide et le faisceau. Il n'est ainsi plus nécessaire de prévoir une plaque collectrice intermédiaire, et des opérations complexes d'assemblage. L'invention s'applique aussi bien à des faisceaux assemblés par une technologie mécanique que par une technologie de brasage. Dans les formes de réalisation décrites, l'échangeur présente deux rangées de tubes parallèles, à section circulaire, et une configuration particulière pour les canalisations d'arrivée 7 et de sortie de fluide, à titre d'exemple non limitatif. Toutefois, l'échangeur peut également comporter une seule rangée de tubes à section circulaire, ou plats, mais aussi une configuration générale différente pour la circulation du fluide. L'invention a été décrite en référence à des gorges 41, à une gorge auxiliaire 42, et à un épaulement 44 sensiblement annulaires. Toutefois, dans le cadre de l'invention, il peut être prévu que les gorges 41, 42, et l'épaulement 44 ne soient que partiellement annulaires, et en particulier limités à leurs bords longitudinaux. Revendications 1. Echangeur de chaleur, comprenant un faisceau (2) constitué de tubes (3) et d'une pluralité d'ailettes (6) en forme de plaques rectangulaires, traversées par lesdits tubes, et deux boîtes à fluide (4) entre lesquelles est monté le faisceau, l'une au moins des boîtes à fluide (4) ayant une forme générale de demi cylindre et présentant une face ouverte 10 entourée d'un rebord périphérique (400), caractérisé en ce que le rebord périphérique (400) est conformé pour loger une partie d'extrémité du faisceau (200), et en ce que le faisceau est fixé à la boîte à fluide par collage de la partie d'extrémité (200) du fais- 15 ceau et du rebord périphérique (400). 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le collage est effectué de manière à former des nappes de colle entre certaines au moins des ailettes 20 (6) de la partie d'extrémité du faisceau (200). 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la face interne du rebord périphérique (400) présente des gorges sensiblement annulaires (41), tournées 25 vers l'extérieur du rebord, les nappes de colle étant propres à s'étendre dans lesdites gorges. 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les gorges ont une section d'axe perpendicu-30 laire à l'axe des tubes. 5. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face interne de la boîte à fluide (4) présente un renfoncement, au niveau du 35 rebord périphérique, et en ce que ledit renfoncement délimite un épaulement sensiblement annulaire (44), perpendiculaire au plan du faisceau, contre lequel vient s'appuyer la partie d'extrémité du faisceau. 13 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la face interne du rebord périphérique (400) présente une gorge auxiliaire sensiblement annulaire (42) parallèle au plan des ailettes et tournée vers l'intérieur du rebord, à l'angle formé entre l'épaulement (44) et le rebord. 7. Echangeur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite gorge auxiliaire (42) présente une 10 section d'axe parallèle à l'axe des tubes. 8. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie d'extrémité du faisceau (200) est fermée par une ailette de fermeture (60) 15 présentant une pluralité d'ouvertures (605), par lesquelles les extrémités des tubes du faisceau débouchent dans le volume délimité par la boîte à fluide (4). 9. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 20 précédentes, caractérisé en ce que la boîte à fluide (4) est en matière plastique. 10. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la boîte à fluide (4) est en 25 métal. 11. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux dernières ailettes (60, 61) de la partie d'extrémité du faisceau ont 30 une forme telle que l'écartement entre elles est évasé au voisinage du talon (400). 12. Echangeur de chaleur selon la revendication 11, caractérisé en ce que les bords longitudinaux des deux dernières 35 ailettes (60, 61) sont rabattus dans des sens opposés de sorte que l'écartement entre les deux ailettes présente une forme d'entonnoir (65) au voisinage du talon (400). 13. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rebord périphérique (400) comporte au moins un orifice d'injection (5) et en ce que ledit collage est réalisé en injectant la colle à travers le ou lesdits orifice(s) d'injection. 14. Echangeur de chaleur selon la revendication 13, caractérisé en ce que le ou les orifice(s) d'injection (5) présentent une forme conique, dont la section diminue vers l'intérieur de la boîte à fluide. 15. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon l'une des revendications 13 et 14, caractérisé en ce qu'on assemble la partie d'extrémité du faisceau (200) et le rebord périphérique (400) de la boîte à fluide, et en ce qu'on injecte de la colle à travers le ou les orifices d'injection. 16. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'on réalise un encollage de la face interne du rebord périphérique (400) et un encollage correspondant de la partie d'extrémité du faisceau (200), et en ce qu'on assemble ensuite la partie d'extrémité du faisceau et le rebord périphérique de la boîte à fluide.