Brevet FR2923592A1 — publié le 20090515

Joint pour échangeur de chaleur, échangeur de chaleur, notamment pour un circuit de refroidissement de véhicule automobile et procédé d'assemblage d'un tel échangeur de chaleur L'invention concerne un joint pour échangeur de chaleur. Elle concerne plus particulièrement un joint présentant un corps comportant une partie centrale et une partie périphé- rique et où la partie centrale comporte au moins une série d'ouvertures aptes à recevoir des extrémités dites homologues des tubes de l'échangeur de chaleur Un tel joint peut notamment être utilisé dans un échangeur de chaleur, utilisable notamment dans un véhicule automobile en tant que radiateur du circuit de refroidissement moteur, ou dans une installation de chauffage de l'habitacle de ce véhicule. Un tel échangeur comprend, de façon usuelle, un faisceau de tubes disposés en une ou plusieurs rangées, avec des paquets d'ailettes permettant d'augmenter la surface d'échange thermique. Un liquide caloporteur, généralement de l'eau glycolée, circule dans l'échangeur pour permettre un échange thermique avec le flux d'air environnant passant entre les tubes. Les tubes sont habituellement solidarisés entre eux à chacune de leurs extrémités par une plaque commune dite "pla- que collectrice" ou "plaque à trous", pourvue d'orifices recevant les tubes. Les tubes sont ensuite solidarisés à la plaque de manière étanche, par formage mécanique ou bien par brasure. La plaque collectrice est coiffée par une "boîte à fluide" dite également "boîte à eau", solidarisée de manière étanche à la plaque. Les boîtes à fluide sont également raccor- dées aux tubulures d'entrée et de sortie du fluide caloporteur. L'ensemble forme une boîte de distribution assurant la répartition et la collecte du fluide caloporteur dans les différents tubes selon un schéma de circulation prédéterminé. La boîte à fluide et la plaque collectrice peuvent être solidarisées par brasure, si les deux éléments sont en métal. La tendance récente est toutefois d'utiliser des boîtes à fluide (et même des plaques collectrices) en matière plastique, compte tenu de leur faible coût de fabrication et de la possibilité de leur donner aisément des formes très variées. Dans un tel cas, la brasure n'est plus possible. La technique la plus couramment utilisée pour assembler la boîte à fluide sur la plaque collectrice consiste alors à sertir cette dernière sur un rebord périphérique de la boîte à fluide. L'étanchéité avec l'extérieur est assurée par un joint disposé dans une gorge de la plaque collectrice, ce joint étant comprimé par le sertissage de la plaque sur la boite à fluide. Une telle structure étanche sertie est par exemple décrite 30 dans le FR-A-2 700 610 (Valeo Thermique Moteur). Pour obtenir une étanchéité sans faille, il est indispensable de contrôler parfaitement l'étape de sertissage. En particulier, le respect des cotes de sertissage conditionne le taux de compression du joint, et donc l'étanchéité finale de l'ensemble. Or ces cotes de sertissage sont difficiles à maîtriser, notamment en raison des tolérances dimensionnelles de la boîte à fluide et de la plaque collectrice. En pratique, on constate un taux de compression du joint pouvant typique-ment varier d'une pièce à l'autre entre 30 et 60%. On a ob- servé également des cas de mauvais positionnement du joint dans la gorge de la plaque collectrice avant montage de la boîte à fluide. Dans tous les cas, le sertissage étant une opération irré-15 versible, la détection d'un défaut d'étanchéité implique la mise au rebut de l'ensemble de l'échangeur. L'un des buts de l'invention est de proposer un nouveau joint permettant de simplifier les opérations d'assemblage, 20 et conduisant ainsi à un abaissement substantiel du prix de revient final de l'échangeur muni d'un tel joint. Un autre but de l'invention est de proposer un nouveau joint procurant une étanchéité accrue entre les tubes et la 25 boîte à fluide, cette étanchéité étant garantie par les cotes propres des différentes pièces, et non par des cotes dépendantes d'une machine ou d'un opérateur, à la différence des boîtes à eau traditionnelles dont l'étanchéité est liée au respect strict des cotes de sertissage. 30 De façon caractéristique de l'invention, la partie périphérique du corps du joint comporte une gorge, et la gorge est apte à coopérer avec une collerette d'une boite de distribut:ion de l'échangeur de chaleur. Selon diverses caractéristiques subsidiaires avantageuses : - le joint comporte une première face destinée à être si-tuée en vis-à-vis d'un faisceau de tubes de l'échangeur de chaleur et la première face comporte une surface périphérique libre, s'étendant transversalement, pour l'appui d'un outil de montage du joint sur la boîte de distribution. - le joint comporte au moins une deuxième face destinée à être située en vis-à-vis de la boite de distribution de l'échangeur de chaleur, et la deuxième face est munie d'excroissances entourant chaque ouverture de la série d'ouverture, chaque excroissance étant destinée à être introduite dans des orifices homologues de la boîte de dis- tribution au niveau d'une paroi de réception des tubes pour établir une étanchéité entre les tubes et la boite de distribution au niveau de chaque ouverture. - le joint est un matériau élastiquement déformable, de préférence un élastomère EPDM. L'invention concerne aussi un échangeur de chaleur du type comportant un faisceau de tubes disposés en au moins une rangée, une boîte de distribution, les tubes étant intro- du__ts dans des orifices homologues de la boîte de distribu- tion au niveau d'une paroi de réception des tubes. L'échangeur selon l'invention comporte en outre un joint tel que décrit précédemment. Ainsi, dans cet échangeur, la paroi de réception des tubes est entourée au moins en par- tie par la collerette périphérique qui fait saillie de la 5 paroi de réception, la collerette étant introduite dans la gorge du corps du joint pour assurer l'étanchéité entre les tubes et la boite de distribution pour l'ensemble dudit faisceau de tubes. - le joint couvre l'étendue de ladite paroi de réception des tubes jusqu'au-delà de la collerette. - la boîte de distribution comprend une face de contact homologue à la deuxième face dudit joint, ladite face de contact s'étendant dans la région comprise autour des orifices. en direction transversale, l'épaisseur de la collerette est: choisie, par rapport à la largeur correspondante de la gorge, de manière à obtenir un ajustement étanche avec serrage entre boîte de distribution et joint. - la boîte de distribution est une boîte assemblée comprenant une plaque collectrice, formant la paroi de réception des tubes, et une coiffe rapportée sur cette plaque collectrice. - la boîte de distribution est une boîte monobloc de type tunnel, incorporant sur l'une de ses faces ladite paroi de réception des tubes. - le matériau de la boîte de distribution est une matière plastique. - les tubes comporte une section droite et la section droite des tubes est une section parmi : section circulaire, section elliptique, section oblongue, section lenti- culaire biconvexe, section à profil concave-convexe et section aplatie. - dans leur région de pied insérée dans les orifices de la boîte de distribution, les tubes présentent une section droite différente de la section courante sur le reste de leur étendue. L'invention porte également sur un procédé d'assemblage d'un échangeur de chaleur tel que ci-dessus, comprenant les étapes consistant à : a) obtenir des tubes et configurer ceux-ci parallèlement en faisceau suivant au moins une rangée, b) obtenir une boîte de distribution comprenant une paroi de réception des tubes comportant des orifices et cir- conscrite par une collerette périphérique faisant saillie perpendiculairement à la paroi et entourant collectivement les orifices, c) emboîter sur la rangée de tubes un joint en matériau élastiquement déformable comportant en partie centrale une série d'ouvertures recevant les extrémités homologues des tubes, et en périphérie une gorge entourant ces ouvertures, d) emboîter sur la boîte de distribution, essentiellement sans sertissage, l'ensemble formé par la rangée de tu- bes et le joint, de manière à obtenir un ajustement avec serrage étanche entre boîte de distribution et joint, et e) réitérer les étapes b) à d) pour l'autre extrémité des tubes, avec une seconde boîte de distribution.25 On va maintenant décrire un exemple de mise en oeuvre de l'invention, en référence aux dessins annexés où les mêmes références numériques désignent d'une figure à l'autre des éléments identiques ou fonctionnellement semblables, et sur lesquels : û la figure 1 illustre la configuration générale d'un échangeur de chaleur utilisable comme radiateur de refroidissement d'un moteur automobile ; û La figure 2 est une coupe transversale illustrant la technique traditionnelle consistant à sertir une plaque collectrice sur une boîte à fluide ; û La figure 3 est homologue de la figure 2, pour l'échangeur de chaleur selon l'invention ; et û Les figures 4 et 5 sont des vues perspectives partielles de l'échangeur de chaleur selon l'invention, respective- ment de trois-quarts avant et de trois-quarts arrière, montrant la boîte de distribution et les tubes réunis par le joint d'assemblage, avant emboîtement de ces deux 20 éléments. Sur la figure 1, on a représenté en 10 un échangeur de chaleur utilisable par exemple comme radiateur d'un circuit de refroidissement d'un moteur à combustion interne. 25 Cet échangeur 10 comprend un faisceau de tubes parallèles 12 disposés en une ou plusieurs rangées et réunis à chacune de leurs extrémités par une boîte à fluide 14 pour la col- lecte et la distribution du fluide caloporteur dans les 30 différents tubes selon un schéma de circulation prédétermi- né. Les boîtes à fluide 14 comportent également des en- trées/sorties de fluide 16 destinées à être reliées aux tu- bulures du circuit de refroidissement moteur. Il est égale- ment prévu un paquet d'ailettes 18 permettant d'augmenter la surface d'échange thermique avec le flux d'air environnant circulant entre les tubes. La figure 2 illustre la structure conventionnelle, la plus courante, des boîtes de distribution 14 disposées aux extrémités du faisceau de tubes 12 (faisceau constitué d'une unique rangée, dans l'exemple illustré). Les tubes 12 sont assemblés de manière étanche, notamment par brasage ou par formage mécanique (dilatation de la région d'extrémité), à une plaque collectrice commune 20 coiffée par la boîte à fluide 22. La plaque 20 et la boîte à fluide 22 définissent un volume intérieur 24 à partir du- quel sera assurée la distribution et la collecte du fluide dans les différents tubes 12 reliés à la plaque collectrice 20. L'étanchéité entre la plaque collectrice 20 et la boîte à fluide 22 est obtenue par un joint périphérique 26 en matériau élastomère, disposé dans une gorge homologue de la boîte collectrice 20. Le rebord 28 de la boîte collectrice 20 est ensuite déformé par sertissage contre un rebord correspondant 30 de la boîte à fluide 22. Le taux de compression du joint 26, et par voie de conséquence le respect de l'étanchéité entre plaque collectrice 20 et boîte à fluide 22, est strictement conditionné par le respect de la cote de sertissage 32 (l'effort de compres- sion du joint est schématisé par la flèche 34). On conçoit aisément que cette cote de sertissage est difficile à maîtriser à cause des tolérances dimensionnelles de la plaque 20 et de la boîte à fluide 22, ce qui conduit à de très grandes variations du taux de compression du joint 26 d'une pièce à l'autre, avec donc une incertitude importante sur la qualité réelle de l'étanchéité de l'échangeur thermique obtenu au final. D'autre part, une bonne maîtrise de l'opération de sertis-sage implique un réglage rigoureux des machines et un contrôle de qualité systématique, qui ont nécessairement une incidence sur le prix de revient de l'échangeur. L'invention propose d'assurer l'étanchéité entre les tubes et la boîte à fluide par un joint présentant une configuration particulière, que l'on va décrire en référence aux fi- Bures 3 à 5. L'assemblage boîte à fluide/plaque collectrice de la figure 2 est remplacée par une boîte de distribution formée d'une seule pièce, avantageusement un pièce en matière plastique de forme générale tubulaire fermée à ses deux extrémités par un couvercle 38. La boîte de distribution 36 comporte, du côté tourné vers les tubes, une paroi 40 pourvue d'orifices 42 présentant une section homologue des extrémités de tubes reçus dans ces orifices. Autrement dit, les tubes sont introduits dans les orifices 42 homologues de la boîte de distribution 36 au niveau 30 d'une paroi 40 de réception des tubes. La paroi de réception des tubes 40 est entourée au moins en partie par une collerette périphérique 44, dans cet exemple continue, entourant collectivement les orifices 42. Dans cet exemple, la collerette 44 se présente sous la forme d'un rebord de hauteur et épaisseur constantes, faisant saillie, ici, perpendiculairement à la paroi 40 de réception des tubes. L'étanchéité entre la boîte de distribution 36 et les tubes 12 est assurée par un joint 46. Le joint 46 présente un corps comportant une partie centrale et une partie périphérique. La partie centrale comporte au moins une série d'ouvertures 48 aptes à recevoir des extrémités dites homologues des tubes 12 de l'échangeur de chaleur. 20 La partie périphérique du joint comporte une gorge 50 qui est apte à coopérer avec la collerette 44 de la boite de distribution 36 de l'échangeur de chaleur pour assurer l'étanchéité entre les tubes et la boite de distribution pour l'ensemble du faisceau de tubes. Ici, la gorge 50 en- 25 toure la série d'ouvertures 48. En outre, le joint comporte une première face destinée à être située en vis-à-vis du faisceau de tubes 12 de l'échangeur de chaleur et une deuxième face destinée à être 30 située en vis-à-vis de la boite de distribution 36 de l'échangeur de chaleur.15 La première face comporte une surface périphérique libre 56, s'étendant transversalement, pour l'appui d'un outil de montage du joint sur la boîte de distribution. La deuxième face destinée à être située en vis-à-vis de la boite de distribution 36 de l'échangeur de chaleur est la face du corps du joint opposée à la première face et est munie de la gorge 50. Ainsi, le joint 46 est monté sur le faisceau de tubes 12 et vient assurer un contact périphérique sur la collerette 44 de la boîte de distribution 36. Autrement dit, la collerette 44 est introduite dans la gorge 50 du corps du joint 46 pour assurer l'étanchéité entre les tubes et la boite de distribution pour l'ensemble du faisceau de tubes. Autrement dit, le joint 46 est muni d'ouvertures 48 recevant de manière étanche les tubes 12, et d'une gorge périphérique 50 homologue de la collerette 44 de la boîte 36. Selon un mode de réalisation non représenté, la deuxième face peut être munie d'excroissances entourant chaque ouverture 48 de la série d'ouverture. Dans un tel cas, chaque excroissance est destinée à être introduite dans les orifi- ces 42 homologues de la boîte de distribution 36 au niveau de la paroi 40 de réception des tubes pour établir une étanchéité entre les tubes et ladite boite de distribution au niveau de chaque ouverture. Dans cet exemple, la profondeur de cette gorge est cons-tante, et elle peut comporter sur sa paroi des reliefs ou bourrelets permettant d'augmenter la déformabilité du joint, et par voie de conséquence l'étanchéité finale après mise en place du joint 46 sur la collerette 44. Le joint 46 est avantageusement réalisé en un matériau 5 élastomère tel qu'un EPDM (Éthylène-Propylène-Diène Mono-mère). Dans ce mode de réalisation, dans la région intérieure dé-limitée par la gorge 50, le joint 46 comprend, autour des 10 ouvertures pour le passage des tubes, une surface de contact plane 52 destinée à venir s'appliquer contre une face homologue de contact 54 de la boîte de distribution 36, située sur la paroi 40 de réception des tubes. 15 Un autre mode de réalisation propose que la surface de contact 52 peut présenter des bourrelets ou des lèvres pour notamment augmenter l'étanchéité. L'assemblage de l'échangeur se fait très simplement par 20 mise en place du joint 46 sur l'ensemble des tubes du faisceau, de manière à obtenir la configuration illustrée figure 5. L'ensemble tubes 12/joint 46 est alors emboîté sur la boîte 25 de distribution 36, simplement par capuchonnage du joint 46 sur la collerette 44 de la boîte de distribution 36. Cette étape peut être réalisée très simplement en exerçant un effort sur une surface d'appui périphérique plane 56 du 30 joint, située sur la face libre de celui-ci opposé à la gorge 50. Cette étape d'emboîtement par capuchonnage est très rapide et ne nécessite pas de machine complexe ni de réglage délicat. Elle est donc bien plus efficace, sur le plan de la productivité, que l'assemblage par sertissage d'une plaque collectrice employée jusqu'à présent. De plus, le montage du joint sur les tubes 12 peut être réalisé très en amont du processus de production, bien avant la pose des boîtes de distribution, ce qui a pour avantage de protéger les tubes du faisceau, qui peuvent être transportés et manipulés sans risque pour les extrémités des tubes. La configuration finale, assemblée, est celle illustrée figure 3. On soulignera que l'étanchéité entre la boîte de distribution 36 et le joint. 46 est assurée à deux niveaux : l'étanchéité principale résulte de l'assemblage radial du joint suivant la cote 58, et l'étanchéité secondaire est obtenue par l'ajustement , suivant la cote 60, de l'épaisseur de la collerette 44 par rapport à la gorge 50. En variante, il est possible d'avoir une boîte de distribution en deux pièces, comprenant d'une part un élément formant la paroi de réception des tubes 40 avec les orifices 42 et la collerette 44, et d'autre part un élément rapporté (par exemple collé) constituant le reste de la boîte de distribution. On notera par ailleurs que le mode d'assemblage de l'échan- geur thermique de l'invention permet d'utiliser des tubes présentant une très grande variété de sections. Celle-ci peut être une section circulaire ou sensiblement circu- laire, mais d'autres formes peuvent être aisément prévues, par exemple une section elliptique, oblongue, lenticulaire biconvexe, une section en "haricot", c'est-à-dire à profil concave/convexe, ou même une section aplatie avec deux fa-ces planes parallèles. Il est en effet aisé d'adapter la forme des ouvertures 48 du joint à la section particulière utilisée pour le tube. On notera également qu'il est possible de donner à la région de pied 62 du tube, c'est-à-dire l'extrémité pénétrant dans les ouvertures 48 du joint 46 et dans les orifices 42 de la paroi 40 de réception des tubes de la boîte de dis- tribution 36, une section différente de la section courante 64 du tube, par exemple une forme sensiblement circulaire. Revendications 1. Joint pour échangeur de chaleur présentant un corps comportant une partie centrale et une partie périphérique, ladite partie centrale comportant au moins une série d'ouvertures (48) aptes à recevoir des extrémités dites homologues des tubes (12) dudit échangeur de chaleur caractérisé en ce que ladite partie périphérique dudit corps comporte une gorge (50), et en ce que ladite gorge (50) est apte à coopérer avec une collerette (44) d'une boite de distribution (36) dudit échangeur de chaleur. 2. Joint pour échangeur de chaleur selon la revendication 1, dans lequel ledit joint comporte une première face destinée à être située en vis-à-vis d'un faisceau de tubes (12) dudit échangeur de chaleur, et dans lequel la première face comporte une surface périphérique libre (56), s'étendant transversalement, pour l'appui d'un outil de montage du joint sur la boîte de distribution. 3. Joint selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel ledit joint comporte au moins une deuxième face destinée à être située en vis-à-vis de ladite boite de distribution (36) dudit échangeur de chaleur, et dans lequel ladite deuxième face est munie d'excroissances entourant chaque ouverture (48) de ladite série d'ouverture (48), chaque excroissance étant destinée à être introduite dans des orifices (42) homologues de ladite boîte de distribution {36) au niveau d'une paroi (40) de réception des tubes pour établir une étanchéité entre les tubes et ladite boite de distribution au niveau de chaque ouverture. 15 4. Joint selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le joint (46) est un matériau élastiquement déformable, de préférence un élastomère EPDM. 5. Echangeur de chaleur (10), du type comportant un faisceau de tubes (12) disposés en au moins une rangée, une boîte de distribution {36), lesdits tubes étant introduits dans des orifices (42) homologues de ladite boîte de distribution {36) au niveau d'une paroi (40) de réception des tubes, ledit échangeur comportant en outre un joint (46) selon l'une des revendications 1 à 4, échangeur dans lequel la paroi de réception des tubes (40) est entourée au moins en partie par la collerette périphérique (44), ladite collerette faisant saillie de la paroi de réception des tubes (40) et la collerette (44) étant introduite dans la gorge (50) dudit corps dudit joint (46) pour assurer l'étanchéité entre les tubes et ladite boite de distribution pour l'ensemble dudit faisceau de tubes. 6. Echangeur selon la revendication précédente, dans lequel le joint (46) couvre l'étendue de ladite paroi (40) de réception des tubes jusqu'au-delà de la collerette (44). 7. Echangeur selon l'une des revendications 5 ou 6, dans lequel la boîte de distribution (36) comprend une face de contact (54) homologue à la deuxième face dudit joint, ladite face de contact (54) s'étendant dans la région comprise autour des orifices (42). 8. Echangeur selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que, en direction transversale, l'épaisseur de la collerette (44) est choisie, par rapport àla largeur correspondante de la gorge (50), de manière à obtenir un ajustement étanche avec serrage entre boîte de distribution et joint. 9. Echangeur selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que la boîte de distribution est une boîte assemblée comprenant une plaque collectrice, formant ladite paroi de réception des tubes, et une coiffe rapportée sur cette plaque collectrice. 10. Echangeur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la boîte de distribution (36) est une boîte monobloc de type tunnel, incorporant sur l'une de ses faces ladite paroi (40) de réception des tubes. 11. Echangeur selon l'une des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que le matériau de la boîte de distribution est une matière plastique. 12. Echangeur selon l'une des revendications 5 à 11, caractérisé en ce que les tubes {12) comporte une section droite et en ce que la section droite des tubes (12) est une section parmi section circulaire, section elliptique, section oblongue, section lenticulaire biconvexe, section à profil concave-convexe et section aplatie. 13. Echangeur selon l'une des revendications 5 à 12, caractérisé en ce que, dans leur région de pied (62) insérée dans les orifices de la boîte de distribution, les tubes présentent une section droite différente de la section courante sur le reste (64) de leur étendue. 14. Procédé d'assemblage d'un échangeur de chaleur selon l'une des revendications 5 à 13, comprenant les étapes consistant à : a) obtenir des tubes (12) et configurer ceux-ci parallèlement en faisceau suivant au moins une rangée, b) obtenir une boîte de distribution (36) comprenant une paroi {40) de réception des tubes comportant des orifices (42) et entourée par une collerette périphérique {44) faisant saillie de la paroi et entourant au moins en partie les orifices, c) emboîter sur la rangée de tubes un joint (46) comportant une série d'ouvertures (48) apte à recevoir les extrémités homologues des tubes et une gorge (50) entourant ces ouvertures, d) emboîter sur la boîte de distribution {36), essentiellement sans sertissage, l'ensemble formé par la rangée de tubes (12) et le joint (46), de manière à obtenir un ajustement avec serrage étanche entre boîte de distribution et joint, et e) réitérer les étapes b) à d) pour l'autre extrémité des tubes, avec une seconde boîte de distribution.