Brevet FR2905452A1 — publié le 20080307

La présente invention concerne un boîtier de distribution d'un fluide caloporteur pour un échangeur de chaleur. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des systèmes d'échange de chaleur dans les véhicules automobiles, 5 notamment les radiateurs de refroidissement des moteurs. On connaît aujourd'hui des échangeurs de chaleur pour véhicules automobiles constitués par un faisceau de tubes disposés parallèlement sur une ou plusieurs rangées, ces tubes étant destinés à la circulation à travers l'échangeur d'un fluide caloporteur, tel que de l'eau additionnée de glycol dans io le cas des radiateurs de refroidissement de moteurs. L'eau en refroidissant les organes du moteur s'échauffe et doit à son tour être refroidie. C'est le rôle du radiateur d'assurer cette fonction. A cet effet, l'eau à refroidir est mise en circulation dans les tubes du radiateur et se refroidit par échange thermique avec de l'air, l'échange thermique étant réalisé par l'intermédiaire d'éléments 15 d'échange de chaleur disposés dans le faisceau de tubes. Selon la technologie d'assemblage de l'échangeur de chaleur, on distingue différents types d'éléments d'échange de chaleur. Lorsque l'assemblage est mécanique, les éléments d'échange de chaleur sont des ailettes parallèles traversées par les tubes de circulation 20 dans des trous pratiqués dans les ailettes. Le maintien de l'ensemble est réalisé mécaniquement au moyen d'un outil introduit à l'intérieur des tubes de manière à déformer les parois des tubes et les appliquer à force contre les trous pratiqués dans les ailettes. Une autre technologie d'assemblage est le brasage des tubes sur des 25 éléments d'échange de chaleur constitués par des intercalaires placés entre les tubes. En général, ces intercalaires sont réalisés sous forme de surface ondulée, les tubes étant brasés sur les intercalaires au niveau des sommets des ondulations. L'invention s'applique aux échangeurs à assemblage mécanique. 30 Le fluide caloporteur est introduit dans les tubes de circulation par l'intermédiaire d'un boîtier de distribution disposé à l'entrée des tubes et muni d'une tubulure d'arrivée du fluide. Un boîtier du même type, que l'on désignera également sous le terme de boîtier de distribution, est installé à la sortie de 2905452 2 l'échangeur pour recueillir le fluide après traversée de tubes et l'évacuer à l'extérieur à travers une tubulure de sortie. De manière habituelle, le boîtier de distribution de fluide est constitué de deux parties, à savoir une boîte collectrice de fluide, souvent appelée boîte à eau dans le cas des radiateurs, et un élément collecteur. L'élément collecteur est une pièce en contact avec le faisceau de tubes et porte des orifices destinés à recevoir l'extrémité des tubes débouchant dans le boîtier de distribution. La boîte collectrice forme un couvercle pour l'élément collecteur et définit un volume de fluide en circulation à l'entrée comme à la sortie de to l'échangeur. C'est dans la boîte collectrice que débouche la tubulure d'arrivée ou de sortie de fluide. On connaît des échangeurs de chaleur où les boîtes collectrices de fluide en matière plastique sont de forme ouverte en U, l'élément collecteur venant fermer le U soit par sertissage, soit par soudage dans le cas où le 15 collecteur est également en plastique. Cependant, les boîtiers de distribution réalisés par soudage d'une boîte collectrice et d'un élément collecteur en matière plastique présentent certains inconvénients. En plus du fait de la mise en oeuvre d'un moule différent pour chaque pièce, cette technique nécessite des reprises au niveau de la soudure, 20 et l'étanchéité du boîtier de distribution est liée à la qualité de la soudure réalisée. C'est pour remédier à ces inconvénients que l'invention propose un boîtier de distribution d'un fluide caloporteur pour un échangeur de chaleur comprenant une pluralité de tubes de circulation du fluide dans l'échangeur, 25 ledit boîtier de distribution comprenant une boîte collectrice de fluide présentant des orifices destinés à recevoir les tubes de circulation. La boîte collectrice de fluide est constituée d'une pièce unique en un matériau plastique. Ainsi, la réalisation du boîtier de distribution selon l'invention n'utilise 30 qu'un seul moule au lieu de deux dans la technologie antérieure. De plus, l'étanchéité du boîtier est garantie du fait du caractère monobloc de sa conception, et aucune reprise de quelque ordre que se soit n'est nécessaire. 2905452 3 Avec les boîtiers connus se pose aussi le problème de la résistance à la rotation des boîtes collectrices de fluide par rapport aux tubes du faisceau, notamment dans le cas où le faisceau est mono-rang, c'est-à-dire qu'il ne comporte qu'une seul rangée de tubes par opposition au faisceau bi-rang où 5 les tubes sont alignés sur deux rangées parallèles. En effet, lors d'une rotation de la boîte collectrice, le couple qui en résulte s'applique sur le tube sur une hauteur équivalente à celle du joint d'étanchéité entre l'élément collecteur et le tube. Cette hauteur étant faible, l'effort exercé sur le tube est relativement important. io D'autre part, ce couple résultant d'une rotation de la boîte collectrice s'applique sur le tube sur une distance égale au diamètre du tube au niveau du joint d'étanchéité, ce qui explique que l'effort exercé sur les tubes soit plus grand dans le cas d'un faisceau mono-rang que dans le cas d'un faisceau birang. 15 C'est pour limiter ces effets que l'invention prévoit un mode de réalisation dans lequel la boite collectrice comporte des lèvres latérales destinées à enserrer des éléments d'échange de chaleur assujettis auxdits tubes. Comme on l'a vu plus haut, lesdits éléments d'échange de chaleur sont 20 des ailettes parallèles traversées par lesdits tubes, dans le mode d'assemblage mécanique, tandis que lesdits éléments d'échange de chaleur sont des intercalaires de forme ondulée disposés entre lesdits tubes, dans le mode d'assemblage par brasage. Selon l'invention, l'étanchéité entre la boite collectrice et les tubes est 25 réalisée du fait que la boite collectrice comprend au moins un joint destiné à être introduits dans au moins un orifice. On comprend que, si la hauteur des lèvres latérales est supérieure à la hauteur des joints, par exemple une hauteur équivalente à quelques ailettes ou ondulations, typiquement 4 à 5, une rotation de la boîte collectrice exercera 30 un couple qui sera réparti sur une surface plus grande qu'avec les boîtiers connus, d'où une diminution de l'effort appliqué sur les tubes. Par ailleurs, dans l'invention, le couple résultant d'une rotation de la boîte collectrice s'applique sur le tube sur une distance égale à la largeur des 2905452 4 ailettes par exemple, donc supérieure au diamètre des tubes, avec l'avantage de diminuer l'effort exercé sur les tubes. Cet avantage peut encore être augmenté si, comme le prévoit l'invention, lesdits orifices sont ovales pour recevoir des tubes de circulation 5 ovales. Dans ce cas en effet, la distance sur laquelle s'exerce l'effort de rotation est la largeur des ailettes, laquelle est plus grande que dans l'art antérieur, le grand axe d'un tube ovale étant supérieur au diamètre d'un tube circulaire de section équivalente. Cette disposition présente également l'avantage de pouvoir réaliser des io faisceaux comportant un nombre plus grand de tubes sur la longueur des ailettes. La présence de lèvres latérales offre bien d'autres avantages encore. Le guidage du faisceau lors de l'assemblage de l'échangeur est facilité par engagement des ailettes entre les lèvres. De plus, ces lèvres permettent de 15 protéger la liaison entre le faisceau de tubes et la boîte collectrice contre les agressions extérieures. En outre, sur le plan esthétique, la zone d'accostage entre les ailettes et le joint est masquée par les lèvres latérales. Enfin, la solution proposée permet d'envisager une liaison entre le faisceau et le boîtier réalisée par collage, les lèvres définissant un volume de confinement du 20 produit de collage. Lorsque la boîte collectrice a une forme de manchon tubulaire en matière plastique, il est nécessaire de placer des bouchons aux extrémités afin de fermer le volume de la boîte, car la fabrication par moulage de ce type de boîte collectrice implique l'utilisation d'un noyau introduit et retiré par une 25 ou les deux extrémités de la forme de manchon tubulaire. Les techniques d'obturation par bouchons couramment utilisées pour les boîtes collectrices en plastique sont le vissage et le soudage. Le vissage implique la réalisation de pas de vis dans des pièces en plastique, assez difficile et coûteuse en terme d'outillage ainsi qu'à 30 l'assemblage. De plus, le vissage suppose de pouvoir disposer d'une épaisseur de matière suffisante pour implanter le filetage. 2905452 5 Les pièces rapportées par soudage plastique comportent souvent des bourrelets de surplus de matière assurant la garantie d'une bonne fusion des pièces, mais offrant un aspect peu esthétique. Pour résoudre ces difficultés, l'invention propose que ladite boîte 5 collectrice de fluide comprend un manchon tubulaire fermé à au moins une extrémité par un bouchon fixé audit manchon par soudure confinée. Selon un autre mode de réalisation, ladite boîte collectrice de fluide comprend un manchon tubulaire fermé à au moins une extrémité par un bouchon fixé audit manchon par clippage. io L'invention concerne également un échangeur de chaleur, remarquable en ce qu'il comprend au moins un boîtier de distribution de fluide caloporteur selon l'invention. D'une manière générale, sur les assemblages précontraints, les échangeurs de chaleur avec boîtes collectrices tubulaires doivent être équipés 15 de traverses ou de joues latérales qui ont pour fonction de relier entre elles les deux boîtes collectrices d'arrivée et sortie de fluide, afin de supprimer tout risque de déchaussage des tubes avec les joints lors de la mise en pression du faisceau de tubes. Les traverses ou joues latérales assurent le maintien longitudinal des boîtes par rapport aux tubes du faisceau. 20 Selon un mode de réalisation visant à simplifier l'assemblage des échangeurs de chaleur conformes à l'invention, les tubes de circulation sont évasés à leur extrémité située à l'intérieur dudit boîtier de distribution. Ainsi, l'évasement des extrémités dépassantes des tubes dans la boîte collectrice, après assemblage des tubes dans les joints, permet de bloquer le 25 déplacement longitudinal des tubes et d'assurer une retenue du faisceau et des boîtes collectrices sans avoir recours à des traverses ou à des joues latérales. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste 30 l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un boîtier de distribution de fluide selon l'invention. La figure 2 est une vue en coupe du boîtier de la figure 1. 2905452 6 La figure 3 est une vue de côté en coupe du boîtier de la figure 2 selon l'axe III-III. La figure 4 est une vue partielle de côté en coupe d'un premier mode de réalisation d'un bouchon d'extrémité de boîte collectrice. 5 La figure 5a est une vue partielle de côté en coupe d'un second mode de réalisation d'un bouchon d'extrémité de boîte collectrice. La figure 5b est une variante du mode de réalisation de la figure 5a. Sur la figure 1 est représenté un boîtier 10 de distribution d'un fluide caloporteur dans un échangeur de chaleur, tel qu'un radiateur. io Ledit échangeur de chaleur comprend une pluralité de tubes, comme le tube 51 amorcé sur la figure 1, placés parallèlement les uns aux autres selon une rangée. Ces tubes sont prévus pour faire circuler le fluide caloporteur, de l'eau glycolée par exemple, à travers l'échangeur de chaleur. Bien entendu, un échangeur peut comporter une autre rangée de tubes disposée à côté de la 15 première rangée de manière à former un faisceau bi-rang. La suite de la description est donnée en référence à un faisceau mono-rang, mais elle s'applique de la même manière à un faisceau bi-rang. Le boîtier 10 de distribution de la figure 1 comporte une boîte 11 collectrice de fluide de forme tubulaire dont les extrémités sont fermées par au 20 moins un bouchon, non représenté sur la figure 1, mais qui sera décrit plus loin en regard des figures 4, 5a et 5b. La boite collectrice comporte une partie 12 dite partie collecteur . Cette partie comporte deux faces : une située à l'intérieur du volume de la boite collectrice 11 et une autre située à l'extérieur de ce volume. La partie collecteur 12 est de forme sensiblement plane au 25 moins sur sa face extérieure, c'est-à-dire la face en contact avec une nappe de joint 41 qui sera décrite plus loin. Cette partie 12 présente une pluralité d'orifices 31 destinés à recevoir les tubes 51 de circulation. Avantageusement, les tubes 51 et les orifices 31 correspondant sont de forme ovales, ce qui permet de pouvoir disposer un nombre de tubes par 30 rangée plus grand qu'avec des tubes de forme ronde. Comme l'indique la figure 1, le boîtier 10 de distribution forme une pièce monobloc unique réalisée par injection de matière plastique dans un seul moule. La boîte collectrice 11 de fluide présente la forme d'un manchon 2905452 7 tubulaire obtenu par démoulage d'un ou plusieurs noyaux suivant l'axe longitudinal. La section de manchon tubulaire est ici circulaire, mais il pourrait être également ovoïde ou même rectangulaire. L'étanchéité entre la boite collectrice 11 et les tubes 51 est réalisée au 5 moyen d'une nappe 40 de joints individuels 41 s'insérant dans les orifices correspondants 31 de la boite collectrice. Plus précisément, l'insertion se fait au niveau de la partie collecteur 12. On peut observer sur la figure 1 la présence de lèvres latérales 21, 22 moulées en même temps que la boîte collectrice 11. Les fonctions de ces io lèvres latérales apparaissent plus clairement sur la figure 2. Conformément à la figure 2, les lèvres latérales 21, 22 sont destinés à enserrer un certain nombre d'ailettes 60 placées parallèlement entre elles et perpendiculairement aux tubes 51. A cet effet, les ailettes 60 sont percées de trous pour le passage des tubes 51, le nombre de trous étant égal au nombre 15 de tubes d'une rangée. Ces ailettes constituent des éléments d'échange de chaleur entre les tubes 51 et de l'air circulant entre les ailettes dans le sens indiqué par la flèche F. Ce type d'éléments d'échange de chaleur convient bien aux échangeurs assemblés mécaniquement. Cependant, d'autres éléments d'échange de chaleur peuvent être envisagés, comme les 20 intercalaires à ondulations utilisés pour les échangeurs brasés. On comprend sur la figure 2 que si les lèvres latérales 21, 22 ont une hauteur H dépassant celle des joints 41, par exemple 4 à 5 ailettes, l'effort exercé sur le faisceau de tubes par la rotation de la boîte 11 est plus faible que si cet effort s'exerçait sur la hauteur du joint, comme pour les boîtiers 25 connus de l'art antérieur. De même, on peut voir sur la figure 2 que le couple de rotation s'applique sur une distance L égale à la largeur des ailettes 60, cette distance étant d'autant plus grande que des tubes ovales 51, et non ronds, sont utilisés. 30 Un autre intérêt des lèvres latérales 21, 22 est de faciliter l'assemblage du faisceau de tubes et du boîtier 10 par effet de centrage sur la largeur des ailettes. 2905452 8 La figure 3 illustre une réalisation particulière d'un échangeur de chaleur comportant un boîtier 10 de distribution tel que précédemment décrit, dans lequel les extrémités des tubes 51 débouchant dans la boîte collectrice 11 sont évasés, de sorte à bloquer le déplacement longitudinal des tubes par 5 rapport au boîtier. Appliquant la même disposition pour l'autre boîtier de l'échangeur, on évite l'utilisation de traverses ou joues latérales pour relier les deux boîtiers entre eux. La figure 4 montre une solution proposée pour obturer les extrémités du manchon tubulaire constituant la boite collectrice 11. Cette solution consiste à to souder sans bourrelet apparent un bouchon 13 de matière plastique par vibrations, ultra-sons ou même par friction lorsque le bouchon est cylindrique. Les bouchons soudés permettent de réaliser l'étanchéité sans avoir recours à aucun joint de caoutchouc, avec des temps de cycle inférieurs à la seconde. 15 Le cordon 70 de soudure est invisible car confiné dans la boîte collectrice grâce aux formes du bouchon 13 qui empêchent au surplus de matière de déborder à l'extérieur. II n'est d'ailleurs pas nécessaire d'avoir un surplus de matière pour assurer la soudure car celle-ci est effectuée dans le sens longitudinal de la boîte. 20 Les figures 5a et 5b présentent deux modes de fermeture de la boîte collectrice 11 par clippage d'un bouchon 13', 13" Ce type de montage non soudé nécessite l'utilisation d'un joint torique 80, le bouchon est alors clippé sur des profils adaptés des extrémités de la boîte 11. La fermeture du volume de la boîte collectrice est très rapide, le 25 clippage prend quelques secondes. Les bouchons clippés permettent de réaliser économiquement l'opération de fermeture des boîtes avec un investissement limité en moyens d'assemblage. 15 REVENDICATIONS 1. Boîtier (10) de distribution d'un fluide caloporteur pour un échangeur de chaleur comprenant une pluralité de tubes (51) de circulation du fluide dans l'échangeur, ledit boîtier de distribution comprenant une boîte collectrice (Il) de fluide présentant des orifices (31) destinés à recevoir les tubes de circulation, ladite boîte collectrice (11) de fluide étant constituée d'une pièce unique en un matériau plastique. 2. Boîtier selon la revendication 1, dans lequel ladite boite collectrice (11) comporte des lèvres latérales (21, 22) destinées à enserrer des éléments (60) d'échange de chaleur assujettis auxdits tubes (51). 3 Boîtier selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la boite collectrice (11) comprend au moins un joint (41) destiné à être introduit dans au moins un orifice (31). 20 4. Boîtier selon la revendication 3, dans lequel la hauteur des lèvres latérales (21, 22) est supérieure à la hauteur des joints (41). 5. Boitier selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la boite collectrice (11) comporte une partie collecteur (12), l'une au moins des faces 25 de ladite partie collecteur (12) étant sensiblement plane. 6. Boîtier selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ladite boîte collectrice (11) de fluide est constituée d'un manchon tubulaire fermé à au moins une extrémité par un bouchon (13) fixé audit manchon par soudure 30 confinée. 5 2905452 io 7. Boîtier selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ladite boîte collectrice (11) de fluide est constitué d'un manchon tubulaire fermé à au moins une extrémité par un bouchon (13', 13") fixé audit manchon par clippage. 8. Echangeur de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un boîtier (10) de distribution de fluide caloporteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. to 9. Echangeur de chaleur selon la revendication 8, dans lequel lesdits éléments d'échange de chaleur sont des ailettes (60) parallèles traversées par lesdits tubes. 10. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, dans lequel 15 les tubes (51) de circulation sont évasés à leur extrémité située à l'intérieur dudit boîtier (10) de distribution. 20