Brevet FR2927415A1 — publié le 20090814

Moyens anti-vortex pour plaque collectrice d'échangeur de chaleur L'invention se rapporte au domaine des échangeurs de chaleur, en particulier pour véhicules automobiles. L'invention concerne plus spécifiquement une boîte collectrice montée sur un échangeur de chaleur brasé, c'est-à-dire dont les différents éléments sont fixés définitivement les uns aux autres par une opération de brasage (disposition d'une couche de brasage et passage dans un four de brasage dédié). Les échangeurs de chaleur pour véhicules automobiles, tels que les radiateurs et échangeurs de suralimentation, utilisent boîtes collectrices, formant une chambre d'admission ou d'évacuation, en une ou plusieurs pièces. Classiquement, ces boîtes collectrices disposent d'au moins deux pièces, l'une de ces deux pièces formant la plaque collectrice et l'autre formant le couvercle destiné à venir se fixer sur la plaque collectrice pour fermer au moins partiellement la boîte collectrice. Les boîtes collectrices sont généralement de deux types, à savoir du type � tout métallique � ou du type doté d'un couvercle en plastique. Le type de boîte collectrice � tout métallique � présente un certain nombre d'avantages par rapport au type de boîte collectrice à couvercle en plastique lequel nécessite la fixation d'un moyen d'étanchéité, classiquement un joint d'étanchéité élastique, pour assurer une liaison parfaitement étanche entre le couvercle et la plaque collectrice. Pour des raisons de facilité de fabrication, les extrémités de tubes, fixées à la plaque collectrice, dépassent sensiblement de cette dernière. Il en résulte des zones dites � mortes � situées entre les extrémités de tubes, ainsi que contiguës aux tubes situés en périphérie, (comme illustré sur la figure 1) et qui, du fait de la sortie ou de l'entrée de fluide par les tubes, créent des vortex ou des zones de turbulences importantes. Ces vortex ou turbulences dues à ces zones � mortes � entraînent une chute souvent importante de pression interne ; cette chute de pression étant préjudiciable pour le rendement ou taux d'écoulement de la boucle d'échange de chaleur, et contribue ainsi à réduire les capacités thermiques de l'échangeur de chaleur. Pour palier ce problème, on connaît à l'heure actuelle, notamment par le document EP 0990868, une solution qui consiste en des collets inversés, les extrémités de tube ne dépassant alors pas ou peu de la surface interne de la plaque collectrice. Cette solution permet de résoudre le problème technique énoncé ci-dessus mais présente des difficultés particulièrement importantes de faisabilité, conduisant à une perte considérable de boîtes collectrices et d'échangeurs de chaleur. Une autre solution, divulguée par les documents FR 2783903 et EP 1384968, consiste à fournir une pièce additionnelle à disposer et fixer entre les extrémités de tubes protubérantes par rapport à la plaque collectrice. Cette solution permet également de résoudre le problème technique susvisé mais elle nécessite une pièce additionnelle à assembler dans la boîte collectrice. Ceci conduit à des coûts additionnels conséquents et une perte de temps lors de la fabrication ou le montage de la boîte collectrice. La présente invention vise à remédier aux inconvénients des 5 plaques collectrices de l'art antérieur en proposant une solution pour éviter toutes turbulences ou vortex dues aux extrémités protubérantes de tubes, tout en évitant les difficultés de fabrication/montage ainsi que l'utilisation d'une pièce additionnelle. 10 Ainsi, l'invention consiste en un échangeur de chaleur, en particulier pour véhicules automobiles, comportant un faisceau d'échange de chaleur constitué par une pluralité de tubes ou analogues dont les extrémités sont 15 respectivement brasées à deux boîtes collectrices, lesdites deux boîtes collectrices comportant : -au moins une partie dite � plaque collectrice � destinée à la fixation d'une pluralité de tubes ou analogues dans lesquels circule au moins un fluide, et 20 - au moins une partie dite � couvercle � destinée à fermer au moins en partie ladite boîte collectrice, lors de sa fixation avec ladite plaque collectrice, ainsi qu' - un moyen d'étanchéité situé entre la plaque collectrice et le couvercle, 25 caractérisée en ce qu'au moins une desdites boîtes collectrices comprend un moyen d'arrêt des turbulences/vortex dues aux extrémités protubérantes de tubes 30 Selon une première possibilité offerte par l'invention, l'intérêt de l'invention réside dans l'utilisation d'un élément par ailleurs nécessaire, à savoir, le joint d'étanchéité, pour palier aux inconvénients inhérents au montage et à la fixation des tubes dans la plaque 35 collectrice, tout en améliorant significativement l'écoulement du fluide (diminution de la perte de charge). 4 Selon une seconde possibilité offerte par l'invention, le moyen d'arrêt des perturbations/vortex consiste en un travail des extrémités de tubes, avec ou sans enlèvement de matière. D'autres aspects avantageux de l'invention sont présentés ci-après . -ledit moyen d'arrêt est le moyen d'étanchéité et consiste en un joint � nappé � de sorte que l'espace entre les extrémités de tubes protubérants et la plaque collectrice est au moins en partie occupé par ledit joint. -le joint � nappé � occupe au moins 50% de l'espace entre les extrémités de tubes protubérants et la plaque 15 collectrice. - le joint � nappé � occupe entre 75% et 100% de l'espace entre les extrémités de tubes protubérants et la plaque collectrice. - le joint � nappé � est bi-matière, une matière unique 20 étant utilisé pour l'espace central. - la section des extrémités des tubes est élargie/évasée de manière à constituer un moyen de retenue dudit joint. - la plaque collectrice s'étend suivant une surface sensiblement plane de sorte que le moyen d'étanchéité, ou 25 joint � nappé �, n'est pas disposé dans un renforcement ou gorge dédiée. - le pas de tube (p) est compris entre 5 et 8 millimètres (mm). - le moyen d'étanchéité comprend des moyens d'écoulement du 30 fluide destinés à faciliter/améliorer l'écoulement d'un fluide. - les moyens d'écoulement du fluide consistent en des profils s'étendant sensiblement parallèles aux entrées/sorties du fluide dans les tubes. 35 - ledit moyen d'arrêt pourra consister en une découpe centrale des extrémités des tubes. - selon un mode d'exécution, ladite découpe s'inscrit dans un arc de cercle. - ledit moyen d'arrêt pourra consister en un évasage central des extrémités des tubes. Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe d'une plaque collectrice 10 à gorge de l'art antérieur dans lequel on a matérialisé les vortex et turbulences d'écoulement de fluide dus aux extrémités de tubes protubérantes par rapport à la plaque collectrice ; 15 - la figure 2 est une vue en coupe d'une plaque collectrice sans gorge sur laquelle un joint d'étanchéité selon l'invention a été monté ; - la figure 3 est une vue en coupe d'une plaque collectrice 20 avec gorge ou rainure sur laquelle un joint d'étanchéité a été monté ; - la figure 4 est une vue en coupe d'une plaque collectrice sans gorge sur laquelle un joint d'étanchéité disposant de 25 moyens pour améliorer l'écoulement laminaire du fluide sortant/entrant dans les tubes ; - La figure 5 montre une boîte collectrice en coupe avec une extrémité de tube fixée à la plaque collectrice 30 plane selon un autre mode d'exécution des moyens d'arrêt des perturbations/vortex ;5 - Les figures 6a et 6b sont des figures représentant respectivement la coupe verticale, au niveau des collets et des extrémités des tubes, suivant AA et suivant BB de la figure 5 ; - La figure 7 montre une boîte collectrice en coupe avec une extrémité de tube fixée à la plaque collectrice plane selon un troisième mode d'exécution des moyens d'arrêt des perturbations/vortex ; - Les figures 8a et 8b sont des figures représentant respectivement la coupe verticale, au niveau des collets et des extrémités des tubes, suivant AA et suivant BB de la figure 7 ; - La figure 9 montre une boîte collectrice en coupe avec une extrémité de tube fixée à la plaque collectrice plane selon un quatrième mode d'exécution des moyens d'arrêt des perturbations/vortex ; - La figure 10 est une figure représentant la coupe verticale, au niveau des collets et des extrémités des tubes, suivant AA de la figure 9. 25 La figure 1 illustre le phénomène de création de vortex ou turbulence 1 du flux d'écoulement de fluide entre les extrémités protubérantes de tubes 2, ainsi que contigu aux deux extrémités de tubes situées en périphérie. 30 Dans cet exemple choisi pour illustrer l'art antérieur, la plaque collectrice possède une gorge ou rainure 4 destinée à loger un joint d'étanchéité 5. Les extrémités de tubes 2 sont par ailleurs évasées 6, ce qui facilite 10 15 20 l'entrée/sortie du fluide mais dégrade ou accentue le phénomène de turbulences 1 dans les zones contiguës aux tubes 2. Pour l'exemple de l'art antérieur ainsi que pour les exemples de réalisations de l'invention, on a choisi de représenter schématiquement quatre tubes 2, ou extrémités de tubes, mais bien entendu, dans la réalité, il sera prévu classiquement un plus grand nombre de tubes 2 suivant la coupe axiale des figures annexées. Sur la figure 2, la plaque collectrice 7 est différente de celle 3 de l'art antérieur en ce qu'elle ne comporte aucune gorge, rainure ou analogue 4 pour loger le moyen d'étanchéité 5. Par ailleurs, l'objet de l'invention n'étant pas relatif aux tubes, sauf en ce qu'il se rapporte à une fonction dédiée à la présente invention (tenue et contact avec le moyen d'étanchéité 5), les tubes 2 ne sont pas différents ici de ceux 2 de l'art antérieur. Le joint d'étanchéité 8, vu en coupe dans les figures annexées, s'étend ici suivant un plan et occupe la quasi-totalité de l'espace 10 situé à proximité des tubes 2 et au plus jusqu'au niveau ou la hauteur X'X des extrémités de tubes 2. Ainsi, dans cette réalisation l'espace situé en dessous du niveau de la hauteur X'X des extrémités de tubes 2 (matérialisé par la ligne X'X) est occupé par le moyen d'étanchéité 8 à plus de 50%, plus précisément ici à plus de 80%. Il n'est pas nécessaire que l'ensemble de l'espace 10 soit occupé par le joint d'étanchéité 8. C'est pourquoi, relativement à la zone 10 inférieure au plan X'X, c'est-à- dire la zone située entre le bord supérieure des tubes 2 et la surface intérieure de la plaque collectrice 7, il est seulement nécessaire d'occuper environ 50% de cette zone 10 pour éviter les phénomènes de vortex et de turbulences 1 du flux de fluide. Par ailleurs, le joint d'étanchéité 8 est formé essentiellement de deux parties, une première partie 14 classique suivant le pourtour ou les bords de la plaque collectrice 7 et une deuxième partie 13 entièrement propre à l'invention et située entre les extrémités de tubes 2. Ces première 14 et deuxième 13 parties du moyen d'étanchéité 8 pourront éventuellement être réalisée en deux matières distinctes, avantageusement ces deux parties pourront se fixer, par collage ou par compatibilité de liaisons chimiques, de manière à éventuellement choisir des matières présentant des propriétés élastiques, plastiques voire d'adhésion désirées. Ainsi, on pourra envisager de réaliser la deuxième partie 13 en matériaux caoutchouc, par exemple en latex. On comprend l'expression de joint d'étanchéité � nappé � utilisé pour décrire le moyen d'étanchéité 8 selon l'invention car ledit moyen 8 constitue une nappe venant occuper l'espace 10 entre les extrémités protubérantes des tubes 2. On notera également que sur toutes les figures 2 à 4 illustrant l'invention, les tubes 2 ont leurs extrémités évasées 6 de sorte que les extrémités de tubes 2 sont susceptibles de prendre appui sur le moyen d'étanchéité 8 et former avec celui-ci 8 un lien étroit. Ainsi, il n'y aura pas ou quasiment pas d'espace entre les parois des tubes 2 et le joint d'étanchéité 8, d'où aucune possibilité de formation de vortex/turbulences 1. Néanmoins, il n'est pas expressément prévu ici que le joint ait une fonction d'étanchéité autour du tube, contrairement aux radiateurs de type � mécanique � (aucune étape de brasage des éléments constituant le radiateur) dans lesquelles l'étanchéité entre les tubes et le collecteur est faite par le joint nappé. Cette fonction n'est pas nécessaire du fait de la liaison brasée du tube avec le collecteur (radiateur de type brasé). La réalisation d'un trou de dimension supérieure permet d'utiliser des tolérances dimensionnelles plus larges, et donc de réduire le coût du joint. De plus, le jeu situé entre l'extrémité d'un tube et le trou dans le joint, destiné à passer autour du tube, facilite l'insertion du joint autour des extrémités de tubes. Ceci permet de ne pas réduire la cadence de pose du joint par rapport au cas d'un joint ayant pour unique fonction l'étanchéité entre le collecteur et la boîte. Dans l'exemple de la figure 3, la plaque collectrice 3 comporte une gorge ou rainure 4 destinée à loger le moyen d'étanchéité 15. Ainsi, le pourtour du moyen d'étanchéité 15 étant logé dans la gorge 4, la partie centrale 15' du moyen d'étanchéité 15 doit être élevée au niveau des extrémités de tubes 2. Le moyen d'étanchéité 15 ne s'étend ici pas suivant un plan unique mais plutôt suivant deux plans, normalement parallèles, l'un au niveau de la gorge ou rainure 4, et l'autre au niveau de la partie centrale de la plaque collectrice 3 (partie hors gorge 4 ou partie située entre la ou les gorges périphériques 4). De la même manière que dans la réalisation de la figure 2, l'espace entre les tubes et contigu à ces derniers est occupé principalement par le joint d'étanchéité 15, au moins à hauteur d'environ 50% mais ce pourcentage pouvant aller jusqu'à 80-90%, voire plus. Dans la réalisation illustrée sur la figure 4, la plaque collectrice 7 ainsi que le moyen d'étanchéité 16 sont identiques à ceux représentés sur la figure 2 mais la réalisation diffère en ce que le moyen d'étanchéité 16 comprend des moyens de guidage 17 ou des moyens facilitant l'écoulement laminaire du fluide entrant ou sortant des tubes 2. Ces moyens 17 sont situés dans la partie supérieure à la hauteur des tubes 2, à savoir la partie du moyen d'étanchéité 16 supérieure au plan X'X, et consistent ici en des formes adaptés au profil d'entrée/sortie des tubes 2. En effet, les tubes 2 étant évasés, les moyens d'écoulement 17 sont idéalement des portions en forme de cône ayant une oblicité, ou pente, sensiblement équivalente et parallèle à l'évasage (pente ou inclinaison de l'évasage) des extrémités de tubes 2. De la sorte, l'écoulement du fluide suit des courbes laminaires, réduisant les pertes de charge en dirigeant l'écoulement de fluide vers les extrémités de tubes 2. La fixation du couvercle, non représenté sur les figures annexées, à la plaque collectrice est réalisée de manière parfaitement connue et maîtrisée par l'homme du métier, par exemple à l'aide de dents prévues à cet effet sur la plaque collectrice pour être serties sur les bords du couvercle. Sur les figures 5 à 10, illustrant des nouveaux modes de réalisation de l'invention, les plaques collectrices pourront être de n'importe quel type, à savoir des plaques collectrices avec gorge ou rainure comme illustré sur les figures 1 et 3 ou des plaques collectrices planes comme illustrées sur les figures 2 et 4. Egalement sur ces figures a été représenté le couvercle de la boîte collectrice, comportant son pied de couvercle, qui est fixé de manière classique à la plaque collectrice grâce aux dents de sertissage de la plaque collectrice qui sont serties sur le pied de couvercle. Dans les modes d'exécution illustrés sur ces figures 5 à 10, aucun élément supplémentaire n'est nécessaire, hormis les éléments habituels (couvercle, plaque collectrice, joint d'étanchéité et tubes). En effet, les moyens d'arrêt des perturbations/vortex produits à l'intérieur de la boîte collectrice, essentiellement dus aux extrémités protubérantes des tubes 2, sont formés par un travail réalisé sur les extrémités protubérantes des tubes 2, avec ou sans enlèvement de matière des extrémités de tubes. La demanderesse, après tests et analyses, a noté que les perturbations/vortex 1 sont particulièrement présents dans la zone centrale 19 des extrémités de tubes 2. Ainsi, les modes d'exécution représentés sur les figures 5 à 10 consistent à supprimer au moins partiellement la zone centrale 19 des extrémités protubérantes de tubes 2. La figure 5 représente une vue en coupe d'une boîte collectrice complète ainsi qu'au moins une extrémité de tube qui est engagée et fixée dans un collet 20 (désigné collet inversé � du fait qu'il est orienté vers l'intérieur de la boîte collectrice). Par ailleurs, comme énoncé précédemment, cette boîte collectrice comprend tous les éléments classiques et rien ne la distingue d'une boîte collectrice de l'art antérieur. Ici, le moyen d'arrêt des perturbations/vortex 1 consiste en une découpe au niveau de la partie ou portion centrale 19 de l'extrémité de tube 2, sous la forme d'un cône renversé comme représenté sur la figure 5 ou s'inscrivant dans un arc de cercle comme représenté sur la figure 7. On note que, comme cela est visible sur les figures 6a-6b et 8a-8b, les portions extrémales latérales des extrémités de tubes 2 restent intactes, c'est-à-dire qu'elles sont protubérantes à la hauteur d'enfoncement/engagement de chacun des tubes 2. Sur la figure 9 il n'y a aucun enlèvement de matière et la partie centrale 19 de l'extrémité de tube 2 a été aplatie de manière à évaser fortement ladite extrémité afin que, à l'identique des réalisations des figures 5 à 8, la partie centrale 19 des extrémités de tubes 2 soit au ras des collets 20, c'est-à-dire pratiquement sans aucun dépassement, voire sans le moindre dépassement/protubérance. L'évasage de la partie centrale 19 des extrémités de tubes 2 est réalisé par exemple par poinçonnage des extrémités. Revendications 1. Echangeur de chaleur, en particulier pour véhicules automobiles, comportant un faisceau d'échange de chaleur constitué par une pluralité de tubes ou analogues dont les extrémités sont respectivement brasées à deux boîtes collectrices, lesdites deux boîtes collectrices comportant : - au moins une partie dite � plaque collectrice � (4, 7) destinée à la fixation d'une pluralité de tubes (2) ou analogues dans lesquels circule au moins un fluide, et - au moins une partie dite � couvercle � destinée à fermer au moins en partie ladite boîte collectrice, lors de sa fixation avec ladite plaque collectrice (4, 7), ainsi qu' 15 - un moyen d'étanchéité (8, 15, 16) situé entre la plaque collectrice (4, 7) et le couvercle, caractérisée en ce qu'au moins une desdites boîtes collectrices comprend un moyen d'arrêt des turbulences/vortex dues aux extrémités protubérantes de 20 tubes. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen d'arrêt est le moyen d'étanchéité (8, 15, 16) et consiste en un joint � nappé � 25 de sorte que l'espace (10) entre les extrémités de tubes protubérants et la plaque collectrice (4, 7) est au moins en partie occupé par ledit joint. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, 30 caractérisée en ce que le joint � nappé � (8, 15, 16) occupe au moins 50% de l'espace (10) entre les extrémités de tubes protubérants et la plaque collectrice (4, 7). 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 2 ou 3, 35 caractérisée en ce que le joint � nappé � (8, 15, 16) occupe entre 75% et 100% de l'espace (10) entre les 13extrémités de tubes protubérants et la plaque collectrice (4, 7). 5. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que le joint � nappé � (8, 15, 16) est bi-matière, une matière unique étant utilisé pour l'espace central (13). 6. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que la section des extrémités des tubes est élargie/évasée de manière à constituer un moyen de retenue dudit joint (8, 15, 16). 7. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la plaque collectrice (7) s'étend suivant une surface sensiblement plane de sorte que le moyen d'étanchéité (4, 7), ou joint � nappé �, n'est pas disposé dans un renforcement ou gorge dédiée. 8. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que le pas de tube (p) est compris entre 5 et 8 millimètres (mm). 9. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisée en ce que le moyen d'étanchéité (16) comprend des moyens d'écoulement (17) du fluide destinés à faciliter/améliorer l'écoulement d'un fluide. 10. Echangeur de chaleur selon la revendication 9, caractérisée en ce que les moyens d'écoulement (17) du fluide consistent en des profils s'étendant sensiblement parallèles aux entrées/sorties du fluide dans les tubes (2). 11. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen d'arrêt consiste en une découpe centrale des extrémités des tubes (2). 12. Echangeur de chaleur selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite découpe s'inscrit dans un arc de cercle. 13. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, 10 caractérisé en ce que ledit moyen d'arrêt consiste en un évasage central des extrémités des tubes (2).