Brevet FR2909754A1 — publié le 20080613

Echangeur de chaleur amélioré L'invention concerne un échangeur de chaleur, en particulier pour refroidir un fluide réfrigérant gazeux sous haute pression. Elle concerne en particulier une boîte collectrice de cet échangeur, comportant un couvercle et une plaque collectrice. De tels échangeurs sont généralement utilisés dans le cadre du refroidissement de fluides réfrigérant gazeux sous haute pression d'un véhicule automobile. Plus particulièrement, ils trouvent leur application dans le refroidissement de gaz de dioxyde de carbone dont la pression lors du fonctionnement de l'échangeur est généralement de l'ordre de 150 bars. De tels échangeurs présentent des spécifications techniques très strictes afin de résister à la pression des fluides les traversant. Pour cette raison, les boîtes collectrices de ces échangeurs présentent des diamètres internes réduits et des épaisseurs de parois élevées. Du fait de la taille réduite des boîtes collectrices, les tubes des faisceaux ne peuvent plus être introduits radialement comme dans les collecteurs classiques. Au lieu de cela, on torsade légèrement leurs extrémités afin de les introduire dans la boîte collectrice dans une direction qui s'exprime sensiblement selon un axe longitudinal de celui-ci. Cela pose de nombreux problèmes, tant au niveau du dimensionnement des éléments de la boîte collectrice qu'au niveau du refroidissement en lui-même, puisqu'il est en général nécessaire de faire deux passes de refroidissement pour refroidir le fluide correctement. Les besoins dimensionnels imposés au niveau du grand axe des tubes est ainsi particulièrement contraignant. L'invention vient améliorer la situation. 1 2909754 2 A cet effet, l'invention propose un échangeur de chaleur pour véhicule automobile, comprenant une boîte collectrice et un faisceau de tubes reçus à leur extrémité dans la boîte collectrice, la boîte collectrice comprenant un couvercle et une plaque collectrice. La plaque collectrice est réalisée en un 5 peigne muni de dents définissant entre elles des ouvertures propres à recevoir les tubes, et le couvercle comporte une paroi de liaison reliée à une paroi de couvercle d'un côté et à une paroi de réception de l'autre coté, de sorte que le couvercle est propre à recevoir la plaque collectrice entre la paroi de réception et la paroi de couvercle. 10 De manière optionnelle et dans des modes de réalisation particuliers, l'échangeur de chaleur décrit ci-dessus peut présenter les caractéristiques suivantes : 15 - la paroi de réception comporte des ouvertures propres à recevoir les tubes, agencées pour être sensiblement en regard des ouvertures de la plaque collectrice lorsque celle-ci est disposée contre la paroi de liaison entre la paroi de réception et la paroi de couvercle ; 20 - la paroi de couvercle a une section transversale en forme générale d'oméga dont le creux définit un canal longitudinal d'écoulement de fluide ; - la plaque collectrice présente un chanfrein sur les côtés opposés de chaque ouverture, qui définissent un guide d'introduction pour un tube ; - la paroi de réception présente un chanfrein sur les côtés opposés de chaque ouverture, qui définissent un guide d'introduction pour un tube ; - la paroi de liaison, la paroi de couvercle et la paroi de réception sont réalisées 30 sous forme d'un profilé ; - le profilé est obtenu par extrusion ; 25 2909754 3 - le profilé est obtenu par pliage d'une tôle ; - le couvercle reçoit à chaque extrémité longitudinale une cloison pour le fermer ; et - les extrémités des tubes peuvent être reçues le cas échéant à travers les ouvertures de la paroi de réception et de la plaque collectrice. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront mieux à la lecture de la 10 description qui suit, donnée à titre illustratif et non limitatif, d'exemples tirés des dessins sur lesquels : - la figure 1 montre une vue partielle en perspective d'un échangeur de chaleur selon l'invention ; la figure 2 montre une vue en perspective éclatée de la figure 1 ; - la figure 3 montre une vue en coupe de la figure 1, le long d'un grand axe d'un tube ; - la figure 4 montre une vue en coupe selon l'axe IV-IV de la figure 3 ; et - la figure 5 montre une vue en perspective d'un deuxième mode de réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention. Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition le cas échéant. La figure 1 montre une vue partielle en perspective d'un échangeur de chaleur 2 selon l'invention. Sur cette figure, l'échangeur de chaleur 2 s'étendant 5 15 20 25 30 2909754 4 depuis une extrémité située à droite de la figure, jusqu'à une portion qui a été coupée transversalement à la direction longitudinale de l'échangeur, située à gauche de la figure, et au milieu d'une dent qui sera précisée plus bas. 5 L'échangeur de chaleur 2 comporte une boîte collectrice 4 dans laquelle vient pénétrer un faisceau de tubes 6 entre lesquels sont disposées des ailettes repliées en aluminium ou intercalaires 8. A l'extrémité de l'échangeur 2, une plaque 9 est disposée contre l'ailette d'extrémité de l'échangeur 2 et vient protéger celle-ci. La plaque 9 est, dans l'exemple décrit ici, réalisée en 10 aluminium. Elle pourrait également être réalisée avec un alliage à base d'aluminium, ou dans une autre matière avantageuse. Les tubes 6 sont parcourus par un fluide réfrigérant gazeux sous haute pression, par exemple du dioxyde de carbone dont la pression lors du 15 fonctionnement de l'échangeur est de l'ordre de 150 bars. Les ailettes 8 permettent d'améliorer le refroidissement du fluide réfrigérant. La boîte collectrice 4 est composée d'un couvercle 10 et d'une plaque collectrice 12 qui seront décrites plus avant avec la figure 2. 20 Le couvercle 10 est dans l'exemple décrit réalisé sous la forme d'un profilé généralement en forme de U. Dans le mode de réalisation décrit ici, le profilé 14 est réalisé au moyen d'une tôle pliée. Le profilé 14 est, dans l'exemple décrit ici, réalisé en aluminium. Il pourrait également être réalisé avec un alliage à base 25 d'aluminium, ou dans une autre matière avantageuse. Le profilé 14 en forme générale de U a une base 16 que l'on appellera par la suite paroi de liaison et deux branches 18 et 20 que l'on appellera respectivement par la suite, paroi de couvercle et paroi de réception. Au niveau de l'extrémité de l'échangeur 2, la paroi de liaison 16 comporte un évidement 21 dont le rôle sera précisé plus bas. La paroi de couvercle 18 a une 30 2909754 5 section générale en forme de oméga dont la partie arrondie forme un canal 22 pour la circulation du fluide réfrigérant. La paroi de réception 20 comporte des ouvertures transversales 24 qui 5 apparaissent plus clairement sur la figure 4. Les ouvertures transversales 24 ont une longueur légèrement supérieure à celle des tubes 6, de sorte qu'une partie 25 la paroi de réception 20 dépasse les tubes 6 lorsque ceux-ci sont reçus dans les ouvertures 24. La partie 25 de la paroi de réception 20 présente des chanfreins 26 qui bordent chaque extrémité des ouvertures 24 pour guider 10 l'insertion des tubes 6. La plaque collectrice 12 est une plaque généralement rectangulaire formant un peigne 27 muni de dents 28. Chaque paire de dents 28 définit entre elles une ouverture 30 dans laquelle sont reçus les tubes 6. Ainsi, à l'exception d'une 15 dent d'extrémité 28a de la plaque collectrice 12, chaque dent 28 borde deux ouvertures 30 successives. Afin de faciliter l'introduction des tubes 6 dans les ouvertures 30, chaque dent 28 présente un chanfrein 32 au niveau de chaque ouverture 30 qu'elle 20 borde. Chaque paire de chanfreins 32 forme un entonnoir ou guide qui facilite ainsi l'introduction des tubes 6. Les ouvertures 30 ont une longueur sensiblement égale à celle des tubes 6, de sorte que l'extrémité des dents 28 est située au niveau de celui des tubes 6 25 lorsque ceux-ci y sont reçus. De chaque côté, chaque ouverture 30 comporte deux indentations 34 qui forment un bourrelet de matière qui s'exprime dans l'épaisseur de l'ouverture 30, depuis la partie supérieure de la plaque collectrice 12, et à l'intérieur de 30 l'ouverture 30. Le rôle de ces indentations sera décrit plus bas. 2909754 6 Comme on le voit sur la figure 1, lorsque l'échangeur de chaleur 2 est monté, la plaque collectrice 12 est reçue dans le couvercle 10 entre la paroi de couvercle 18 et la paroi de réception 20 et contre la paroi de liaison 16. 5 De fait, lorsque l'échangeur 2 est assemblé, il subsiste un espace 33 entre l'extrémité des tubes 6 et des dents 28 et la paroi de liaison 16. L'espace 33 permet en premier lieu de prévenir un excès de matière au niveau des liaisons entre la paroi de liaison 16 et la paroi de couvercle 18 d'une part, et entre la paroi de liaison 16 et la paroi de réception 20 d'autre part. En effet, des 10 bourrelets de matière peuvent subsister à ces liaisons lors de la réalisation du profilé 14. En deuxième lieu, l'espace 33 permet d'offrir un canal 29 auxiliaire pour la circulation du fluide réfrigérant, en plus du canal 22. Comme on l'a mentionné plus haut, la dent d'extrémité 28a est plus longue que 15 les autres dents 28. Lorsque l'échangeur 2 est monté, la dent 28a vient se loger dans l'évidement 21 de la paroi de liaison 16, afin de permettre la fermeture du canal 29. En outre, l'échangeur 2 comporte de chaque côté une cloison 36 qui vient se 20 loger dans un évidement 38 de la paroi de réception 20, et qui vient fermer le canal 22 à l'extrémité de la boîte collectrice 4. Comme on peut le voir sur la figure 4, et de manière similaire à la plaque collectrice 12. Ainsi, l'échangeur de chaleur est monté comme suit : - les tubes 6 et les ailettes 8 sont montés ensemble, et la plaque 9 est rapportée de chaque côté sur l'ailette d'extrémité ; - les extrémités des tubes 6 sont introduites horizontalement dans les 30 ouvertures 30 de la plaque collectrice 12, sous les indentations 34, puis les tubes 6 sont amenés au contact des indentations 34 par pression verticale sur la plaque collectrice 12 ; 25 2909754 7 - la cloison 36 est disposée dans l'évidement 38 à chaque extrémité du profilé 14 du couvercle 10, pour fermer le canal 22 et former un couvercle fermé ; et 5 - le couvercle fermé est emboîté avec l'ensemble tubes û ailettes û plaque collectrice, en recevant la plaque collectrice entre la paroi de couvercle et la paroi de réception, les chanfreins 38 permettant une insertion aisée des tubes 6 dans les ouvertures 24. 10 On notera que les indentations 34 permettent d'arrêter les tubes 6 en hauteur, ce qui permet à l'ensemble du fluide réfrigérant traversant ceux-ci de gagner les canaux 22 et 29, comme cela apparaît mieux sur la figure 3. D'autres réalisations seraient possibles afin d'assurer que les tubes 6 n'affleurent pas l'extrémité supérieure de la plaque collectrice 12. 15 Dans ce mode de réalisation, les tubes 6 sont reçus en butée contre l'extrémité des ouvertures 30 de la plaque collectrice 12 d'une part, et contre l'extrémité des ouvertures 24 de la paroi de réception 20 d'autre part. Lors du montage de l'échangeur 2, ce sont donc les tubes 6 qui "calibrent" les positions respectives 20 des éléments de l'échangeur de chaleur 2. La figure 5 montre un mode de réalisation en variante de l'échangeur de chaleur 2. Dans ce mode de réalisation, le profilé 14 est réalisé par extrusion, de sorte que les angles de liaison entre la paroi de liaison 16, la paroi de 25 couvercle 18 et la paroi de réception 20 sont sensiblement droits et sans bourrelets de matière. La paroi de réception 20 est alors réalisée de sorte que les ouvertures 24 ont une longueur sensiblement égale à celle des tubes 6, de sorte que ceux-ci 30 viennent en butée avec les dents 28 contre la paroi de liaison 16 qui forme ici une paroi d'appui. Cela apparaît clairement au niveau de la dent qui a été coupée en son milieu. 2909754 8 D'une manière générale, seule une boîte collectrice de l'échangeur selon l'invention a été représentée. L'homme du métier comprendra que l'échangeur de chaleur peut comporter une autre boîte collectrice recevant l'autre extrémité 5 des tubes, et que cette boîte collectrice peut être réalisée avec un nombre quelconque des caractéristiques décrites dans les modes de réalisation plus haut. L'échangeur peut également ne comporter qu'une seule boîte collectrice, conforme à ce qui précède. 10 L'échangeur décrit ici peut être adapté réaliser plusieurs passes d'échanges de chaleur. Cela peut notamment être fait en introduisant des cloisons dans les boîtes collectrices, qui créent des passes de circulation pour le fluide dans l'échangeur. 15 Les cloisons utilisées à ces fins peuvent être semblables à celles de l'échangeur décrit plus haut, et être logées dans les boîtes collectrices de manière similaire, ou elles peuvent également être réalisées d'une autre manière, comme cela est déjà bien connu dans l'art antérieur. 20 L'homme du métier saura en outre envisager de nombreuses variantes à partir de la description qui précède, notamment pour combiner ensemble des caractéristiques tirées de modes de réalisation différents. Revendications 1. Echangeur de chaleur pour véhicule automobile, comprenant une boîte collectrice (4) et un faisceau de tubes (6) reçus à leur extrémité dans la boîte collectrice (4), la boîte collectrice (4) comprenant un couvercle (10) et une plaque collectrice (12), caractérisé en ce que la plaque collectrice (12) est réalisée en un peigne (27) muni de dents (28) définissant entre elles des ouvertures (30) propres à recevoir les tubes (6), et en ce que le couvercle (10) comporte une paroi de liaison (16) reliée à une paroi de couvercle (18) d'un côté et à une paroi de réception (20) de l'autre coté, de sorte que le couvercle (10) est propre à recevoir la plaque collectrice (12) entre la paroi de réception (20) et la paroi de couvercle (18). 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi de réception (20) comporte des ouvertures (24) propres à recevoir les tubes (6), agencées pour être sensiblement en regard des ouvertures (30) de la plaque collectrice (12) lorsque celle-ci est reçue entre la paroi de réception (20) et la paroi de couvercle (18). 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les tubes (6) sont reçus à travers les ouvertures (24) de la paroi de réception (20) et les ouvertures (30) de la plaque collectrice (12). 4. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi de couvercle (18) a une section transversale en forme générale d'oméga dont le creux définit un canal longitudinal (22) d'écoulement de fluide. 5. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque collectrice (12) présente un chanfrein (32) sur les côtés opposés de chaque ouverture (30), chaque 9 2909754 10 paire de chanfrein (32) définissant un guide d'introduction pour un tube (6). 6. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé 5 en ce que la paroi de réception (20) présente un chanfrein (26) sur les côtés opposés de chaque ouverture (24), chaque paire de chanfrein (26) définissant un guide d'introduction pour un tube (6). 7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, 10 caractérisé en ce que la paroi de liaison (16), la paroi de couvercle (18) et la paroi de réception (20) sont réalisées sous forme d'un profilé (14). 8. Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le profilé (14) est obtenu par extrusion. 9. Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le profilé (14) est obtenu par pliage d'une tôle. 10. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce que le couvercle (10) reçoit à chaque extrémité longitudinale une cloison (36) pour le fermer. 11. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque dent (28) de la plaque collectrice (12) 25 présente au moins une indentation (34) au niveau de la ou les ouvertures (30) que la dent (28) contribue à définir, et en ce chaque tube (6) reçu dans une telle ouverture (30) vient en butée contre ladite indentation (34). 15