Brevet FR2947332A1 — publié le 20101231

RFR0496 Boîte collectrice pour échangeur de chaleur ayant une aptitude au brasage améliorée L'invention se rapporte aux échangeurs de chaleur, notamment pour véhicules automobiles. Elle concerne plus particulièrement une boîte collectrice 10 pour échangeur de chaleur, comprenant une plaque collectrice munie de perçages pour recevoir des extrémités de tubes d'un faisceau, un couvercle constitué d'un profilé ayant une section transversale avec au moins deux arches pour définir deux appuis longitudinaux extérieurs et au 15 moins un appui longitudinal intermédiaire et délimiter au moins deux chambres à fluide longitudinales, ainsi qu'une plaque intermédiaire disposée entre la plaque collectrice et le couvercle et comportant des passages disposés en regard des perçages de la plaque collectrice, dans laquelle 20 la plaque collectrice, le couvercle et la plaque intermédiaire sont conçus pour être au moins partiellement brasés ensemble. La publication FR-A-2 911 394 au nom de la Demanderesse 25 divulgue une boîte collectrice de ce type dont le couvercle présente une section transversale ayant la forme de deux arches et définit ainsi deux appuis longitudinaux extérieurs et un seul appui longitudinal intermédiaire, sur lesquels appuis est brasée la plaque intermédiaire. Deux 30 chambres à fluide sont ainsi délimitées entre le couvercle et la plaque intermédiaire et elles communiquent avec les tubes du faisceau via les passages de la plaque intermédiaire et les perçages de la plaque collectrice. Pour cela les passages de la plaque intermédiaire sont 35 réalisés avec des dimensions supérieures à celles des perçages de la plaque collectrice. 15 Cette boîte collectrice connue convient particulièrement à la fabrication d'échangeurs de chaleur fonctionnant avec un fluide à haute pression comme par exemple un fluide fonctionnant en mode supercritique, tel que le dioxyde de carbone ou CO,. En particulier, une telle boîte collectrice peut faire partie d'un refroidisseur de gaz fonctionnant au CO, pour des installations de climatisation de véhicules automobiles. La technologie brasée de la boîte collectrice permet à celle-ci de résister à des pressions d'éclatement élevées, généralement de l'ordre de 300 bars. Dans la boîte collectrice connue par la publication précitée, le contact entre l'appui longitudinal intermédiaire du couvercle et la plaque intermédiaire n'est pas continu, puisqu'il est interrompu à chaque fois par les passages ménagés au travers de la plaque intermédiaire. C'est la raison pour laquelle il convient de réaliser un contact étroit entre cet appui longitudinal et la plaque intermédiaire lors de l'opération de brasage. En effet, s'il s'avère que des zones de contact ne sont pas 25 correctement brasées, cela peut affecter la résistance à la pression de la boîte collectrice ainsi obtenue. L'invention a notamment pour but d'améliorer encore la résistance à la pression d'une boîte collectrice du type 30 défini en introduction. Elle propose à cet effet une boîte collectrice de ce type, laquelle comprend en outre un élément additionnel disposé entre la plaque intermédiaire et le couvercle et muni d'un 35 jeu d'ouvertures en regard de chacun des passages de la plaque intermédiaire, chaque jeu comprenant un nombre d'ouvertures au moins égal au nombre d'arches et qui débouchent dans les chambres à fluide délimitées entre le couvercle et l'élément additionnel, ce qui permet de créer un pont continu de matière le long de chaque appui longitudinal intermédiaire pour améliorer la continuité du brasage de la plaque intermédiaire sur le couvercle. Cet élément additionnel permet ainsi de créer un pont continu de matière le long de chaque appui longitudinal, si bien que ce dernier est en contact sur toute sa longueur avec cette plaque intermédiaire, ce qui permet de créer une zone continue de brasage et donc d'améliorer la résistance à la pression. La communication du fluide entre la boîte collectrice et les tubes se fait via les jeux d'ouvertures de l'élément additionnel, les passages de la plaque intermédiaire et les perçages de la plaque collectrice. Dans une première forme de réalisation de l'invention, l'élément additionnel est réalisé sous la forme d'une plaque additionnelle propre à être intercalée entre la plaque intermédiaire et le couvercle et au travers de laquelle sont ménagées les ouvertures. Dans une deuxième forme de réalisation de l'invention, l'élément additionnel est intégré à la plaque intermédiaire pour former une plaque intégrée dans laquelle sont ménagés d'une part les jeux d'ouvertures qui débouchent sur une première face et d'autre part les passages qui débouchent sur une seconde face opposée. Les ouvertures sont réalisées dans une partie de l'épaisseur de la plaque intégrée et les passages sont réalisés dans une autre partie de l'épaisseur de la plaque intégrée, en sorte que chaque jeu d'ouvertures débouche à chaque fois dans un seul passage. Dans une troisième forme de réalisation de l'invention, l'élément additionnel est intégré au couvercle pour former un couvercle intégré présentant une paroi externe qui ferme les chambres à fluide et au travers de laquelle sont ménagés les jeux d'ouvertures, en sorte que les ouvertures d'un jeu d'ouvertures débouchent respectivement dans les chambres à fluide. Dans cette dernière forme de réalisation, le couvercle intégré, y compris la paroi externe, est avantageusement réalisé sous la forme d'un profilé extrudé dans lequel les jeux d'ouvertures sont réalisés ultérieurement dans la paroi externe du profilé. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, on prévoit que chaque appui longitudinal intermédiaire du couvercle comprend une face d'appui ayant une épaisseur de matière s'étendant sur toute la longueur et propre à absorber d'éventuels défauts géométriques du couvercle lors de l'assemblage sous l'effet d'une compression. L'épaisseur de matière est destinée à être écrasée lors de l'assemblage. Elle a avantageusement la forme d'une nervure de faible épaisseur. Il est à noter qu'un tel mode de réalisation trouve également un intérêt dans les modes de réalisation où la boîte collectrice est en trois parties, comme dans le document FR 2 911 394 évoqué plus haut. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, la section transversale du couvercle comprend deux arches pour définir deux appuis longitudinaux extérieurs et un appui longitudinal intermédiaire et délimiter deux chambres à fluide longitudinales, l'élément additionnel étant muni de deux ouvertures en regard de chacun des passages de la plaque intermédiaire. Cette boîte collectrice, avec un couvercle en deux arches, reprend donc la structure générale décrite dans la publication FR-A-2 911 394 en y ajoutant l'élément intermédiaire précité. Sous un autre aspect, l'invention concerne un échangeur de chaleur comprenant au moins une boîte collectrice telle que définie précédemment. Cet échangeur de chaleur peut être réalisé notamment sous la forme d'un refroidisseur de gaz propre à être parcouru par un fluide fonctionnant dans un mode supercritique, tel que le COQ . 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 coupe transversale d'une boîte collectrice selon une première forme de réalisation de l'invention, dans laquelle l'élément additionnel est une plaque additionnelle, le plan de coupe passant au niveau du passage d'un tube ; - la figure 2 est une vue partielle en coupe analogue à la 20 figure 1, dans laquelle le plan de coupe passe en dehors du passage d'un tube ; - la figure 3 est une vue partielle en coupe longitudinale selon la ligne III-III de la figure 1 ; - la figure 4 est une vue partielle de dessus de la plaque additionnelle de la boîte collectrice des figures 1 à 3 ; - la figure 5 est une vue partielle de dessus de la plaque 30 intermédiaire de la boîte collectrice des figures 1 à 3 ; - la figure 6 est une vue partielle en coupe transversale d'une boîte collectrice selon une deuxième forme de réalisation de l'invention, dans laquelle l'élément 35 additionnel et la plaque intermédiaire sont combinés pour former une plaque intégrée, le plan de coupe passant au niveau du passage d'un tube; 25 - la figure 7 est une vue partielle en coupe analogue à la figure 6, dans laquelle le plan de coupe passe en dehors du passage d'un tube ; - la figure 8 est une vue de dessus de la plaque intégrée des figures 6 et 7; - la figure 9 est une vue de dessous de la plaque intégrée 10 des figures 6 à 8 ; - la figure 10 est une vue partielle en coupe transversale d'une boîte collectrice dans une troisième forme de réalisation de l'invention, dans laquelle l'élément 15 additionnel est combiné au couvercle pour former un couvercle intégré, le plan de coupe passant au niveau d'un passage de tube ; - la figure 11 est une vue analogue à la figure 10, le plan 20 de coupe passant en dehors d'un passage de tube ; - la figure 12 est une vue de dessous de la paroi externe du couvercle intégré ; 25 - la figure 13 est une vue en coupe transversale d'un couvercle dont l'appui longitudinal intermédiaire présente une surépaisseur de matière continue ; - la figure 14 montre schématiquement l'assemblage du 30 couvercle de la figure 13 avec une plaque collectrice et une plaque intermédiaire ; - les figures 15 à 17 sont des variantes de réalisation avec des surepaisseurs de matière de structures 35 différentes. Il est fait tout d'abord référence à la figure 1 qui montre une boîte collectrice 10 pour échangeur de chaleur comprenant une plaque collectrice 12 présentant un fond plat 14 au travers duquel est aménagée une série de perçages 16, encore appelés trous, chaque perçage étant bordé par un collet 18 dirigé vers l'intérieur de la boîte collectrice. Les perçages et les collets ont une forme oblongue adaptée à recevoir l'extrémité 20 d'un tube 22 faisant partie d'un faisceau d'un échangeur de chaleur (non représenté). Le fond 14 de la plaque collectrice se raccorde perpendiculairement à deux ailes latérales 24 qui se terminent par des bords repliables 26 pour former des pinces de sertissage. La boîte collectrice 10 comprend en outre un couvercle 28 réalisé sous la forme d'un profilé extrudé présentant, en section transversale, deux arches 30 délimitant respectivement deux chambres à fluide longitudinales 32. Le couvercle 28 possède deux appuis longitudinaux extérieurs 34 et un appui longitudinal intérieur 36, ces trois appuis étant coplanaires et offrant trois surfaces de brasage sous la forme de bandes parallèles entre elles. A l'opposé des appuis longitudinaux extérieurs 34, le couvercle 28 comporte deux bords de sertissage 37 contre lesquels viennent appuyer les bords repliables 26 de la plaque collectrice 12. La boîte collectrice 10 comprend en outre une plaque intermédiaire 38 qui vient s'appliquer sur la plaque collectrice 12 et qui ménage des passages 40 (voir la figure 5) disposés en regard des perçages 16 de la plaque collectrice. Ces passages 40 sont des ouvertures ou fentes de forme oblongue disposées transversalement, à égale distance les unes des autres, avec un pas correspondant au pas des perçages 16 et au pas des tubes 22 dans le faisceau. Ces passages 40 ont une dimension supérieure à celles des perçages 16 pour recevoir leurs collets respectifs 18 (figures 1 et 3). La structure générale de la boîte collectrice, telle que décrite jusqu'à présent, est connue de façon générale par la publication FR-A-2 911 394, déjà citée. 10 Conformément à l'invention, on prévoit en plus un élément additionnel réalisé ici sous la forme d'une plaque additionnelle 42 qui est disposée entre la plaque intermédiaire 38 et le couvercle 28, c'est-à-dire plus précisément entre les appuis 34 et 36 du couvercle. Cette 15 plaque additionnelle 42 comprend des jeux d'ouvertures 44 (voir la figure 4), chaque jeu comprenant un nombre d'ouvertures au moins égal au nombre d'arches. Ici, chaque jeu comprend deux ouvertures 44 pour former un couple d'ouvertures, chaque couple d'ouvertures débouchant d'une 20 part dans les chambres à fluide respectives 32 et, d'autre part, dans un passage 40 de la plaque intermédiaire 38. Comme on le voit sur la figure 4, la plaque additionnelle 42 présente une bande de matière continue 46 qui s'étend 25 longitudinalement et entre les ouvertures de chaque paire. Cette bande de matière est destinée à venir en contact étroit avec l'appui longitudinal intermédiaire 36 du couvercle, ce qui permet de créer un pont continu de matière le long de cet appui longitudinal intermédiaire. 30 Il en résulte que cette plaque additionnelle 42 vient en contact sur toute la longueur de l'appui longitudinal intermédiaire 36, à savoir non seulement dans la région en dehors des tubes (figure 2), mais aussi dans la région du 35 passage des tubes (figure 1). Ainsi, cette plaque additionnelle peut être brasée sur la totalité du ou des appuis longitudinaux intermédiaires et également aussi sur5 la totalité des appuis longitudinaux extérieurs, ce qui permet d'améliorer l'étanchéité et la résistance à la pression du fluide. Ceci est particulièrement important dans le cas où la boîte collectrice est parcourue par un fluide à très haute pression, comme le CO2. La plaque additionnelle 42 comprend une première face 48 (face supérieure) propre à venir en contact avec le couvercle et une seconde face 50 (face inférieure) propre à venir en contact avec la plaque intermédiaire. De façon avantageuse, un plaquage de brasure est appliqué au moins sur la première face 48. Ceci permet lors du brasage, une bonne répartition du plaquage de brasure sur toute la surface de contact entre la plaque additionnelle et le couvercle. Il est fait maintenant référence aux figures 6 à 9 qui concernent une deuxième forme de réalisation de l'invention. Les éléments communs avec ceux des figures 1 à 5 sont désignés par les mêmes références numériques. La principale différence par rapport à la forme de réalisation précédente est que l'élément additionnel 42 est intégré à la plaque intermédiaire pour former une plaque intégrée 52 qui, extérieurement, présente exactement les mêmes formes et dimensions que la plaque additionnelle 42 et la plaque intermédiaire 38 combinées entre elles. Dans cette plaque intégrée sont ménagés d'une part, les jeux d'ouvertures 44 qui débouchent sur une première face 54 dite face supérieure et, d'autre part, les passages 40 qui débouchent sur une seconde face 56 opposée à la première face 54. Les ouvertures•44 et les passages 40 sont réalisées chacune dans une partie de l'épaisseur de la plaque intégrée, comme on le voit le mieux sur la coupe de la figure 6. Cela résulte aussi de l'examen des figures 8 et 9 qui montrent respectivement en vue de dessus et en vue de dessous la plaque intégrée 52. Cette plaque intégrée sera brasée avec les appuis du couvercle, un plaquage de brasure étant avantageusement disposé sur la première face (face supérieure) 44 de cette plaque intégrée. Il est fait maintenant référence aux figures 10 à 12. Cette variante de réalisation diffère des réalisations précédentes par le fait que l'élément additionnel est intégré au couvercle pour former un couvercle intégré 60 présentant une paroi externe 62 qui ferme les chambres à fluide 32 et au travers de laquelle sont ménagés les jeux d'ouvertures 44. Le couvercle intégré 60, y compris sa paroi externe 62, est réalisé sous la forme d'un profilé extrudé qui présente le profil que l'on voit sur la figure 10. Celui-ci, de même que tous les autres éléments composant la boîte collectrice, est réalisé en aluminium ou alliage à base d'aluminium. Dans une première étape du procédé, le couvercle intégré, y 25 compris la paroi externe 32, est réalisé par extrusion. Dans une deuxième étape, des jeux d'ouvertures 44 sont réalisés dans la paroi externe 62 du profilé à partir de l'extérieur. Ces jeux d'ouvertures 44, que l'on voit mieux 30 sur la figure 12, permettent de faire communiquer les chambres à fluide 32 avec les passages 40 dans lesquels débouchent les extrémités des tubes, comme on le voit sur la figure 10. 35 Dans cette forme de réalisation, on réalise un brasage entre le couvercle intégré 60 et la plaque intermédiaire 38. Cette plaque intermédiaire est réalisée de façon analogue à celle des figures 1 à 5 et ne sera donc pas décrite en détail ici. Il est fait maintenance à la figure 13 qui montre un 5 couvercle 28 analogue à celui des figures 1 et 6. L'appui longitudinal intermédiaire 36 comprend une face d'appui 64 surmontée d'une surépaisseur de matière 66 qui s'étend sur toute la longueur et qui est propre à absorber 10 d'éventuels défauts géométriques du couvercle et du composant sur lequel il est assemblé, lors de leur assemblage sous l'effet d'une compression. Dans l'exemple, cette surépaisseur 66 a la forme d'une 15 nervure longitudinale à profil arrondi dont l'épaisseur est typiquement d'environ 0,2 mm. Cette surépaisseur forme ainsi une bosse continue. La figure 14 montre l'assemblage du couvercle 28 avec un 20 composant qui peut être soit une plaque additionnelle 42 (mode de réalisation des figures 1 à 5), soit une plaque intégrée 52 (forme de réalisation des figures 6 à 9), soit une plaque intermédiaire 38 (forme de réalisation des figures 10 à 12) ou encore une plaque intermédiaire 25 conforme à celle 3 du document FR 2 911 394. Dans l'exemple la figure 14 montre l'assemblage du couvercle 28 avec une plaque intégrée 52. Cette nervure 66 permet d'assurer le rôle de fusible par sa 30 déformation lors de l'assemblage des composants entre eux par pression du couvercle sur le composant qui le reçoit, dans l'exemple la plaque intégrée 52. La plaque collectrice 12 est reçue dans un support 68 et deux organes de pression 70 agissent sur les bords de sertissage 37 du couvercle 35 comme montré par les flèches F1. La pression ainsi exercée est suffisante pour déformer la nervure de quelques centièmes à quelques dizaines de millimètre. Cette déformation permet d'absorber les éventuels défauts géométriques des deux composants et donc d'assurer leur contact, à condition bien sûr que le jeu préliminaire soit inférieur à la hauteur de la nervure. La pression exercée permet d'effectuer un double mouvement de rotation comme montré par les flèches FZ sur la figure 14. La nervure permet de créer un décalage sensible (environ 0,2 mm) entre l'appui longitudinal intérieur 36 et les appuis longitudinaux extérieurs 34. Ce décalage permet, en jouant sur l'élasticité du matériau, de garder sous contrainte l'assemblage et de le maintenir grâce au sertissage du collecteur. Tout en maintenant une pression grâce aux organes 70, les extrémités des ailes 24 de la plaque collectrice sont ensuite repliées comme montré sur la figure 1 pour permettre un brasage. La nervure 66 peut être réalisée sous d'autres formes. La figure 15 montre une autre forme de réalisation dans laquelle la nervure 66 une section triangulaire avec une forme plus vive facilitant l'écrasement. La figure 16 montre une surépaisseur 72 avec une forme plus 25 allongée permettant d'améliorer la qualité du joint brasé par un effet capillaire. La figure 17 montre une autre variante dans laquelle la surépaisseur 74est continue, ce qui permet d'obtenir un 30 décalage d entre l'appui longitudinal intérieur 36 et les deux appuis longitudinaux extérieur 34. L'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation. 35 10 En particulier, bien qu'elle ait été décrite en référence à un couvercle à deux arches, elle peut s'appliquer à des couvercles ayant plus de deux arches. Egalement, l'invention ne se limite pas à un refroidisseur de gaz fonctionnant avec un fluide supercritique. Elle peut servir aussi à la réalisation d'autres échangeurs de chaleur, en particulier des évaporateurs. L'invention trouve une application particulière aux échangeurs de chaleur pour véhicules automobiles. Revendications1. Boîte collectrice pour échangeur de chaleur, comprenant une plaque collectrice (12) munie de perçages (16) pour recevoir des extrémités (20) de tubes (22) d'un faisceau, un couvercle (28 ; 60) constitué d'un profilé ayant une section transversale avec au moins deux arches (30) pour définir deux appuis longitudinaux extérieurs (34) et au moins un appui longitudinal intermédiaire (36) et délimiter au moins deux chambres à fluide (32) longitudinales, ainsi qu'une plaque intermédiaire (38) disposée entre la plaque collectrice (12) et le couvercle (28 ; 60) et comportant des passages (40) disposés en regard des perçages (16) de la plaque collectrice (12), dans laquelle la plaque collectrice (12), le couvercle (28 ; 60) et la plaque intermédiaire (38) sont conçus pour être au moins partiellement brasés ensemble, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un élément additionnel (42 ; 52 ; 60) disposé entre la plaque intermédiaire (38) et le couvercle (28 ; 60) et muni d'un jeu d'ouvertures (44) en regard de chacun des passages (40) de la plaque intermédiaire (38), chaque jeu comprenant un nombre d'ouvertures (44) au moins égal au nombre d'arches (30) et qui débouchent dans les chambres à fluide (32) délimitées entre le couvercle et l'élément additionnel, ce qui permet de créer un pont continu de matière (46) le long de chaque appui longitudinal intermédiaire (36) pour améliorer la continuité du brasage de la plaque intermédiaire (38) sur le couvercle (28 ; 60). 2. Boîte collectrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément additionnel est réalisée sous la forme d'une plaque additionnelle (42) propre à être intercalée entre la plaque intermédiaire (38) et le couvercle (28) et au travers de laquelle sont ménagées les ouvertures (44). 14 3. Boîte collectrice selon la revendication 2, caractérisée en ce que la plaque additionnelle (42) comprend une première face (48) propre à venir en contact avec le couvercle (28) et une seconde face (50) propre à venir en contact avec la plaque intermédiaire (38), un placage de brasure étant appliqué au moins sur la première face (48). 4. Boîte collectrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément additionnel est intégré à la plaque 10 intermédiaire pour former une plaque intégrée (52) dans laquelle sont ménagés d'une part les jeux d'ouvertures (44) qui débouchent sur une première face (54) et d'autre part les passages (40) qui débouchent sur une seconde face opposée (56), les ouvertures (44) étant réalisées dans une 15 partie de l'épaisseur de la plaque intégrée (52) et les passages (40) étant réalisées dans une autre partie de l'épaisseur de la plaque intégrée (52), en sorte que chaque jeu d'ouvertures (44) débouche dans un seul passage (40). 20 5. Boîte collectrice selon la revendication 4, caractérisée en ce que les jeux d'ouvertures (44) et les passages (40) sont obtenus par un double emboutissage. 6. Boîte collectrice selon la revendication 1, caractérisée 25 en ce que l'élément additionnel est intégré au couvercle pour former un couvercle intégré (60) présentant une paroi externe (62) qui ferme les chambres à fluide (32) et au travers de laquelle sont ménagés les jeux d'ouvertures (44), en sorte que les ouvertures (44) d'un jeu 30 d'ouvertures débouchent respectivement dans les chambres à fluide (32). 7. Boîte collectrice selon la revendication 6, caractérisée en ce que le couvercle intégré (60), y compris la paroi 35 externe (32), est un profilé extrudé, les jeux d'ouvertures (44) étant réalisées ultérieurement dans la paroi externe du profilé. 8. Boîte collectrice selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que chaque appui longitudinal intermédiaire (36) du couvercle (28 ; 60) comprend une face d'appui (64) ayant une surépaisseur de matière (66 ; 72 ; 74) s'étendant sur toute la longueur et propre à absorber d'éventuels défauts géométriques du couvercle lors de son assemblage sous l'effet d'une compression (F1). 9. Boîte collectrice selon la revendication 8, caractérisée en ce que la surépaisseur de matière a la forme d'une nervure de faible épaisseur (66 ; 68). 10. Boîte collectrice selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la section transversale du couvercle (28 ; 60) comprend deux arches (30) pour définir deux appuis longitudinaux extérieurs (34) et un appui longitudinal intermédiaire (36) et délimiter deux chambres à fluide (32) longitudinales, et en ce que l'élément additionnel est de deux ouvertures (44) en regard de chacun des passages (40) de la plaque intermédiaire (38). 11. Échangeur de chaleur comprenant au moins une boîte collectrice (10) selon l'une des revendications 1 à 10. 12. Échangeur de chaleur selon la revendication 11, réalisé sous la forme d'un refroidisseur de gaz, propre à être parcouru par un fluide fonctionnant dans un mode supercritique, tel que le CO2.25