Brevet FR2944098A1 — publié le 20101008

RFR0475 Echangeur de chaleur avec collecteur à fond plat et intercalaires ondulés L'invention se rapporte aux échangeurs de chaleur, notamment pour véhicules automobiles. Elle concerne plus particulièrement un échangeur de chaleur 10 comprenant un collecteur muni d'un fond plat dans lequel sont aménagées des ouvertures, un couvercle propre à fermer le collecteur pour délimiter une boîte collectrice, des tubes plats dont les extrémités sont reçues dans les ouvertures respectives de manière à déboucher dans la boîte 15 collectrice, lesdits tubes plats délimitant chacun au moins un canal de circulation d'un fluide, ainsi que des intercalaires ondulés disposés entre des grandes faces des tubes. 20 Un tel échangeur de chaleur, que l'on peut qualifier d'échangeur à collecteur plat, est connu en particulier d'après la publication WO 2005/066568 auquel correspond la publication EP 1 702 191. 25 Dans cet échangeur de chaleur connu, le fond plat du collecteur est muni d'ouvertures, encore appelées fentes, pour recevoir les extrémités respectives des tubes d'un faisceau. Les extrémités des tubes sont brasées dans les ouvertures respectives du collecteur. Pour faciliter le 30 brasage, ces ouvertures sont entourées de collets qui sont dirigés, par exemple, du côté de la boîte collectrice, donc à l'opposé du faisceau. Le collecteur est muni, à sa périphérie, de pattes de 35 sertissage qui viennent s'appuyer sur le bord périphérique d'un couvercle, par exemple en matière plastique, avec insertion d'un joint d'étanchéité pour assurer une 15 étanchéité entre le collecteur et le couvercle. Ces derniers forment conjointement une boîte collectrice qui est en communication fluidique avec les tubes pour la circulation d'un fluide. Dans un tel échangeur de chaleur, des intercalaires ondulés sont disposés entre les grandes faces des tubes et sont brasés à ces dernières pour constituer des ailettes d'échange de chaleur afin d'augmenter la surface d'échange de chaleur. Cet échangeur de chaleur connu peut servir notamment de radiateur de refroidissement à un moteur de véhicule, les tubes étant alors parcourus par un fluide servant au refroidissement du moteur, ce fluide étant généralement constitué d'eau et d'antigel. La réalisation de tels échangeurs de chaleur pose de nombreuses difficultés dans la pratique. En effet, il faut en même temps obtenir le meilleur échange thermique eu égard aux dimensions du faisceau, optimiser la tenue à la pression des tubes et aussi améliorer la durabilité à la pression. Compte tenu de la géométrie particulière du collecteur, qui présente un fond plat, il est théoriquement possible de faire en sorte que les intercalaires ondulés s'étendent sur toute la longueur des tubes et viennent donc au contact du fond plat du collecteur. Cette structure est également rendue possible par le fait que les collets entourant les ouvertures du collecteur s'étendent du côté de la boîte collectrice. Une telle situation est certes favorable à la tenue des tubes à la pression et aux performances d'échange thermique, mais elle s'avère extrêmement défavorable pour la tenue aux phénomènes de chocs thermiques. Partant de ces constatations, l'invention a notamment pour but de déterminer la distance qui doit séparer le fond plat du collecteur et les extrémités des intercalaires ondulés. Elle propose à cet effet un échangeur de chaleur du type défini en introduction, dans lequel les intercalaires ondulés s'arrêtent à une distance minimale choisie du fond plat du collecteur, qui est fonction d'une largeur de canal du tube, cette largeur étant définie comme la dimension d'un canal individuel dans la plus grande dimension de sa section transversale, avec deux épaisseurs de paroi comprises. La Demanderesse a constaté, en effet, que l'on pouvait choisir une distance minimale entre les intercalaires ondulés et le fond plat du collecteur pour maximiser à la fois la tenue à la pression des tubes et la tenue aux phénomènes des chocs thermiques. De façon surprenante, il s'avère que cette distance minimale peut être déterminée et qu'elle dépend de la largeur de canal du tube, comme défini précédemment. Il s'avère plus particulièrement que la distance précitée est une fonction décroissante de la largeur de canal. De façon également surprenante, cette largeur de canal s'applique aussi bien à un tube monocanal, c'est-à-dire comprenant un seul canal d'écoulement, qu'à des tubes multicanaux, c'est-à-dire comprenant plusieurs canaux d'écoulement. Egalement, ceci s'applique indépendamment du fait que l'échangeur de chaleur comporte une seule ou plusieurs rangées de tubes.35 Cette distance minimale est avantageusement comprise entre 3mm et 30mm pour une largeur de canal comprise entre 5mm et 42 mm. La Demanderesse a réparti la largeur de canal en plusieurs catégories ou classes, ici cinq classes répertoriées A, B, C, D et E. Cette distance minimale est comprise : - entre 3mm et 30mm pour une largeur de canal comprise entre 5mm et 12,5mm (classe A) ; - entre 3mm et 25mm pour une largeur de canal comprise 15 entre 12,5mm et 16mm (classe B) ; - entre 3 mm et 20mm pour une largeur de canal comprise entre 16mm et 21mm (classe C) ; 20 - entre 3mm et 15mm pour une largeur de canal comprise entre 21mm et 27mm (classe D) ; et - entre 3mm et 9mm pour une largeur de canal comprise entre 27mm et plus, notamment raisonnablement 42 mm. Dans les intervalles de valeur précédemment définis, on peut également définir des sous-intervalles plus restreints qui forment des gammes plus préférentielles. 30 Selon une autre caractéristique de l'invention, les ouvertures aménagées dans le fond du collecteur sont entourées par des collets respectifs qui s'étendent dans la boîte collectrice. 35 Le couvercle de l'échangeur de chaleur de l'invention est avantageusement formé d'une matière plastique. 25 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 partielle en perspective d'un 5 échangeur de chaleur selon l'invention montrant le collecteur et les tubes, sans le couvercle ; - la figure 2 est une vue en coupe transversale de l'échangeur de la figure 1, avec la boîte collectrice ; - la figure 3 est une vue en coupe transversale de l'échangeur de la figure 2, sans la boîte collectrice ; - les figures 4 est une vue en coupe transversale d'un tube 15 monocanal ; - la figure 4 bis est une vue en coupe transversale d'un tube du type de celui de la figure 4, équipé d'un intercalaire ou perturbateur interne le rendant 20 multicanaux ; - la figure 5 est une vue en coupe transversale d'un tube multicanaux, ici à trois canaux ; 25 - la figure 6 est une vue en coupe transversale d'un autre tube multicanaux, ici à deux canaux ; - la figure 7 est une vue en coupe transversale de deux tubes monocanal formant une nappe à deux rangées de tubes ; - la figure 8 est une vue en coupe transversale de deux tubes multicanaux formant une nappe à deux rangées de tubes ; 35 - les figures 9 à 13 sont des graphiques montrant la variation de la contrainte maximale dans les tubes en chocs thermiques (base 100) et la variation de la durabilité à la 10 30 pression cyclée (base 100), en fonction de la position de l'intercalaire par rapport au collecteur, cette position étant exprimée sous la forme d'une distance exprimée en mm, respectivement pour les canaux des classes A, B, C, D et E ; et - la figure 14 est un graphique récapitulatif formant la synthèse des résultats des graphiques des figures 9 à 13 et montrant la position minimale de l'intercalaire et la position maximale de l'intercalaire, exprimées en millimètres, respectivement pour les cinq classes de tubes. L'échangeur de chaleur 10 représenté partiellement sur la figure 1 est du type décrit dans la publication WO 2005/066568 précitée. Il comprend un collecteur 12 muni d'un fond plat 14 de forme générale rectangulaire. Ce fond plat est entouré d'un bord relevé 16 découpé en forme de créneau pour former des pattes de sertissage 18. Le fond plat 14 délimite des ouvertures 20, encore appelées fentes, qui sont ici bordées par des collets 22 dirigés vers l'intérieur de la boîte collectrice, c'est-à-dire du côté du bord relevé 16. L'échangeur de chaleur comprend une multiplicité de tubes 24 dont les extrémités 26 sont reçues dans les ouvertures 20 précitées. Les tubes 24 sont des tubes plats, c'est-à-dire qu'ils possèdent une section transversale de forme oblongue délimitée par deux faces planes 28 réunies par deux faces d'extrémité 30 de forme semi-circulaire. Les collets 22 ont une section homologue de celle des tubes. Le collecteur et les tubes sont avantageusement formés en un alliage métallique, par exemple à base d'aluminium, et les extrémités des tubes sont brasées à l'intérieur des collets 22 pour assurer une liaison mécanique étanche entre le collecteur et les tubes. Comme on peut le voir sur la figure 2, le collecteur est fermé par un couvercle 32 avantageusement réalisé en matière plastique qui comporte un rebord ou pied périphérique 34 sur lequel viennent appuyer les pattes de sertissage 18 en assurant la compression d'un joint d'étanchéité 36. On forme ainsi une boîte collectrice qui délimite une chambre interne en communication fluidique avec les tubes du faisceau. Comme le montre la figure 3, des intercalaires ondulés 38 sont en outre disposés entre les grandes faces respectives 28 des tubes plats 24. Ces intercalaires ondulés sont formés à partir d'un feuillard métallique, avantageusement en alliage d'aluminium, dont les ondulations respectives sont tour à tour brasées à des faces planes en vis-à-vis de deux tubes adjacents. Par ailleurs, l'échangeur de chaleur comporte au moins une joue d'extrémité 40 sur laquelle sont brasées les ondulations d'un intercalaire d'extrémité. Comme on le voit sur la figure 3, les intercalaires ondulés 38 s'arrêtent à une distance minimale choisie X du fond plat 14 du collecteur 12. Cette distance minimale choisie X est fonction d'une largeur de canal L du tube, qui est définie comme la dimension d'un canal individuel dans la plus grande dimension de sa section transversale, y compris les deux épaisseurs de paroi. Ainsi, si l'on se réfère à la figure 4 qui représente la section transversale d'un tube plat de type monocanal comprenant deux grandes faces planes 28 et deux petites faces arrondies 30, comme défini précédemment, la largeur de canal correspond à la plus grande dimension de la section transversale du tube, y compris les deux épaisseurs de paroi. Dans l'exemple, le tube monocanal de la figure 4 peut être formé par électro-soudage. Bien évidemment, d'autres techniques de fabrication (extrusion, etc.) sont envisageables. La figure 5 montre un tube multicanaux plié et électrosoudé qui comprend trois canaux 42. La largeur de canal L correspond ici également à la largeur d'un canal, à savoir d'un canal d'extrémité. La figure 6 montre un autre tube multicanaux, par exemple plié et electro-soudé, dans l'exemple comportant deux canaux. La largeur de canal est défini comme précédemment et correspond à la largeur d'un seul des deux canaux. Dans le cas des figures 4 à 6, l'échangeur de chaleur comporte une nappe à une seule rangée de tubes. Mais l'invention s'applique aussi à des échangeurs de chaleur dont la nappe porte plusieurs rangées de tubes, par exemple deux rangées. La figure 7 montre un exemple dans lequel la nappe comprend deux rangées de tubes, chaque tube étant par exemple 20 électro-soudé, ces tubes étant chacun du type monocanal. La figure 8 montre un autre exemple dans lequel la nappe comprend deux rangées de tubes, chaque tube étant par exemple plié et électro-soudé, tous les tubes étant de 25 types bicanaux. Dans le cas des figures 7 et 8, les tubes des deux rangées sont représentés non jointifs, mais ils pourraient aussi en variante être également jointifs. 30 Comme illustré à la figure 4 bis, l'invention trouve encore son application, entre autres, dans des échangeurs, notamment des échangeurs d'air de suralimentation, munis de tubes plats équipés d'intercalaires ou perturbateurs 35 internes 50, pliés en accordéon et partageant intérieurement les tubes en une pluralité de canaux 42, s'étendant dans la direction longitudinal desdits tubes. Les plis 52 des intercalaires ou perturbateurs internes présentent des sommets 54, 56 fixés alternativement, notamment par brasage, à l'un 58 et l'autre 60 des grands côtés du tube. Dans une telle application, la largeur du canal à prendre en compte pour l'invention est la distance L entre deux plis voisins, pris le long du même grand côté du tube. Ainsi, quelle que soit la constitution du faisceau, avec une ou plusieurs rangées de tubes, avec des tubes à un seul ou plusieurs canaux, la largeur de canal correspond toujours à la largeur d'un canal individuel. Les études menées par la Demanderesse ont montré que l'on 15 pouvait répartir les canaux en cinq classes A, B, C, D et E en fonction des valeurs de la largeur de canal L. Le graphique de la figure 9 montre deux courbes : une courbe C1 qui montre la variation de la contrainte maximale 20 dans les tubes en chocs thermiques (base 100) représentée en ordonnées sur la gauche en fonction de la position de l'intercalaire par rapport au collecteur exprimé en millimètres et représentée en abscisse. Le graphique fait apparaître une autre courbe Cz qui montre la variation de 25 la durabilité à la pression cyclée (base 100) représentée en ordonnées sur la droite du graphique. On s'aperçoit que la courbe C1 est une courbe décroissante en fonction de la valeur croissante de la position de l'intercalaire. La courbe Czest également une courbe décroissante en fonction 30 de la position de l'intercalaire. Elle comprend d'abord un palier puis une partie décroissante. Pour les canaux de la classe A qui ont une largeur de canal L comprise entre 5mm et 12,5mm, la comparaison des deux 35 courbes montre qu'il est avantageux de choisir une distance X comprise entre 3mm et 30mm. Néanmoins, l'augmentation de la distance C a pour inconvénient de diminuer sensiblement les performances thermiques de l'échangeur. En prenant en référence les performances thermiques de l'échangeur avec une distance X égale à 0 mm et en se limitant à une diminution de performances thermique de l'ordre de 2%, nous obtenons une distance X de 10 mm Ainsi, au sein de cet intervalle, un intervalle plus réduit 10 préférentiel est compris entre 3mm et 10 mm. La figure 10 montre un graphique analogue pour les canaux de la classe B, c'est-à-dire pour une largeur de canal comprise entre 12,5mm et 16mm. Les courbes C1 et C2 15 s'apparentent à celles de la figure 9. Il s'avère que la distance X est avantageusement comprise entre 3mm et 25mm et de préférence comprise entre 3mm et 10 mm. La figure 11 est un graphique analogue pour les canaux de 20 classe C, c'est-à-dire pour une largeur de canal L comprise entre 16mm et 21mm. Les courbes C1 et C2 s'apparentent à celles des figures 9 et 10. Le graphique montre qu'il est avantageux de choisir la distance X pour qu'elle soit comprise entre 3mm et 20mm et de préférence entre 3mm et 10 25 mm. La figure 12 est un graphique analogue pour les canaux de classe D, c'est-à-dire pour une largeur de canal L comprise entre 21 et 27mm. Les courbes C1 et C2 s'apparentent à 30 celles des figures 9 à 11. Il résulte des courbes que l'on a intérêt à choisir la distance X pour qu'elle soit comprise entre 3 et 15mm, et de préférence entre 3mm et 10 mm. 35 Enfin, le graphique de la figure 13 correspond aux canaux de classe E, c'est-à-dire à une largeur de canal L supérieure à 27mm. Les courbes C1 et C2 s'apparentent à celles des figures 9 à 12. Dans ce cas particulier, la distance X est avantageusement comprise entre 3mm et 9mm. La figure 14 est un graphique illustrant la synthèse des résultats des graphiques des figures 9 à 13. On voit que pour la classe A, la position de l'intercalaire va de 3 à 30mm, pour la classe B de 3 à 25mm, pour la classe C de 3 à 20mm, pour la classe D de 3 à 15mm et pour la classe E de 3 à 9mm en envisageant les seules aspects mécaniques. En prenant en compte les aspects thermiques, On voit que pour la classe A, la position de l'intercalaire va de 3 à 10mm, pour la classe B de 3 à 10mm, pour la classe C de 3 à 10mm, pour la classe D de 3 à 10mm et pour la classe E de 3 à 9mm. L'échangeur de chaleur représenté partiellement aux figures 1 à 3 comprendra généralement, à l'autre extrémité du faisceau de tubes, une autre boîte collectrice analogue à celle décrite précédemment et comportant aussi un fond plat. En ce cas, la distance séparant l'autre extrémité des intercalaires ondulés de ce fond plat sera déterminée de la manière décrite plus haut. L'invention s'applique tout particulièrement aux échangeurs 25 de chaleur pour véhicules automobiles, notamment aux radiateurs de refroidissement du moteur. Revendications1. Échangeur de chaleur comprenant un collecteur (12) muni d'un fond plat (14) dans lequel sont aménagées des ouvertures (20), un couvercle (32) propre à fermer le collecteur (12) pour délimiter une boîte collectrice, des tubes plats (24) dont les extrémités (26) sont reçues dans les ouvertures respectives de manière à déboucher dans la boîte collectrice, lesdits tubes plats {24) délimitant chacun au moins un canal (42) de circulation d'un fluide, ainsi que des intercalaires ondulés (38) disposés entre des grandes faces des tubes, caractérisé en ce que les intercalaires ondulés (38) s'arrêtent à une distance minimale choisie (X) du fond plat (14) du collecteur {12), qui est fonction d'une largeur de canal (L) du tube, cette largeur étant définie comme la dimension d'un canal individuel dans la plus grande dimension de sa section transversale, avec deux épaisseurs de paroi comprises, ce qui permet de maximiser à la fois la tenue à la pression des tubes et la tenue au phénomène des chocs thermiques. 2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, 25 caractérisé en ce que la distance (X) est une fonction décroissante de la largeur de canal (L). 3. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la distance (X) est comprise entre 30 3mm et 30mm pour une largeur de canal (L) comprise entre 5mm et 42 mm. 4. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la distance (X) est comprise entre 35 3mm et 30mm pour une largeur de canal (L) comprise entre 5mm et 12 , 5mm. 12 5. Échangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la distance (X) est comprise entre 3 mm et 10 mm 6. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la distance (X) est comprise entre 3mm et 25mm pour une largeur de canal (L) comprise entre 12 , 5mm et 16mm. 10 7. Échangeur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la distance (X) est comprise entre 3 mm et 10 mm. 15 8. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la distance (X) est comprise entre 3mm et 20mm pour une largeur de canal (L) comprise entre 16mm et 21mm. 20 9. Échangeur de chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la distance (X) est comprise entre 3 mm et 10 mm. 10. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 25 3, caractérisé en ce que la distance (X) est comprise entre 3mm et 15mm pour une largeur de canal (L) comprise entre 21m et 27mm. 11. Échangeur de chaleur selon la revendication 10, 30 caractérisé en ce que la distance (X) est comprise entre 3 mm et 10 mm. 12. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la distance (X) est comprise entre 35 3mm et 9mm pour une largeur de canal (L) comprise entre 27mm et 42 mm5 13. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que les ouvertures (20) aménagées dans le fond plat (14) du collecteur (12) sont entourées par des collets (22) respectifs qui s'étendent dans la boîte collectrice. 14. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le couvercle (32) est formé d'une 10 matière plastique.