Brevet FR2958385A1 — publié le 20111007

RFR 0566 Échangeur de chaleur à performances accrues L'invention a trait à un échangeur thermique, en particulier à usage dans un véhicule automobile ainsi qu'une plaque collectrice d'un tel échangeur. De tels échangeurs, par exemple les radiateurs pour le refroidissement du moteur, présentent une succession de tubes allongés, dans lesquels circule un fluide caloporteur. Des échanges thermiques se produisent entre le fluide caloporteur et le fluide extérieurement en contact des tubes, en général de l'air. Deux boîtes collectrices reçoivent les extrémités respectives de ces tubes, assurant ainsi la mise en communication de fluide des tubes entre eux. Ces boîtes comprennent 15 chacune un couvercle et un collecteur en forme de plaque. L'étanchéité de la jonction entre le couvercle et le collecteur est en général réalisée au moyen d'un joint d'étanchéité s'étendant suivant le bord de la boîte. En option, le bord du collecteur peut être conformé en une gorge ou rainure formant logement pour ce 20 joint. Cette rainure assure en outre le positionnement relatif du couvercle et du collecteur. Le collecteur est perforé de trous adaptés au passage des tubes, en sorte que ces derniers débouchent à l'intérieur d'une boîte collectrice respective à chacune de leurs extrémités. 25 Une fois en place, les tubes sont rendus solidaires du collecteur, généralement par brasage. Pour améliorer la rigidité de la liaison entre chaque tube et le collecteur, il est courant de conformer une zone de la boîte entourant chacun des trous en un collet de matière. 30 Chaque collet augmente la longueur de guidage du tube dans le trou et accroît la surface disponible pour le brasage du tube avec le couvercle. 1 Les collets sont obtenus en repoussant la matière du collecteur pendant la réalisation des trous. La hauteur des collets, c'est-à-dire la distance de laquelle ils dépassent de la plaque, en général à l'intérieur de la boîte collectrice, est liée à l'épaisseur du matériau utilisé : plus le matériau est épais, plus les collets sont hauts. Pour des raisons de fiabilité, l'extrémité des tubes dépasse du collet à l'intérieur de la boîte collectrice. Dans les régions des boîtes collectrices situées entre les portions d'extrémité des tubes qui dépassent des collets, ainsi que celles situées entre les collets eux-mêmes, le fluide caloporteur qui s'écoule dans la boîte forme des vortex. Ces derniers engendrent des pertes de charges internes et nuisent aux performances de l'échangeur. En outre les régions en question constituent des zones «mortes », c'est-à-dire pratiquement inutiles au fonctionnement de l'échangeur. EP 0990868 B1 propose de réduire ces pertes de charge en faisant dépasser les collets du côté du collecteur extérieur à la boîte collectrice. Les collets sont formés en crevant les trous dans la direction opposée à la direction d'introduction des tubes, c'est-à-dire du côté intérieur du collecteur vers le côté extérieur de celui-ci. Cela rend l'assemblage de l'échangeur difficile, voire irréalisable, car les trous sont alors dépourvus de cône d'introduction : le cône formé lors du repoussement de la matière du collecteur présente une direction de rétrécissement opposée à la direction d'introduction des tubes. La situation est aggravée par le fait que les tubes doivent en général être montés ensemble simultanément pour des raisons de cadence de fabrication. Et cette situation empire encore pour les échangeurs à pas (distance séparant les axes de deux tubes adjacents) réduit, typiquement compris entre 5 et 8 millimètres environ. FR 2 783 903 propose d'accoler une plaque supplémentaire au collecteur, contre la face intérieure de ce dernier. L'espace entre les portions des tubes dépassant des collets, ici intérieurs, se trouve comblé par la plaque supplémentaire. Cette dernière augmente en outre la résistance de l'ensemble aux efforts de sertissage et protège les extrémités des tubes. Cette plaque constitue cependant une pièce supplémentaire à fabriquer et à assembler au reste de l'échangeur. Il en résulte un accroissement des coûts de fabrication. EP 1 384 968 propose de réaliser la boîte en plusieurs parties : une première partie, intermédiaire, est sertie sur le collecteur, tandis qu'une seconde partie, extérieure, est rendue solidaire de la première, par collage, sertissage ou soudage. La partie intermédiaire est conformée de manière à faciliter l'insertion des tubes. Dans ce cas, on retrouve les inconvénients liés à l'ajout d'une pièce supplémentaire à l'échangeur. US 5 327 959 prévoit des trous de passage munis d'un chanfrein. Ce dernier est conformé de manière à empêcher la pénétration des tubes à l'intérieur de la boîte collectrice. Le risque de création de vortex se trouve alors écarté. Cependant, la zone destinée au contact entre les chanfreins et les extrémités des tubes étant très réduite, il n'est pas assuré que ce contact ait lieu pour tous les tubes, ni que la brasure puisse prendre ou résister à cet endroit. Finalement, la résistance mécanique de l'échangeur s'en trouve diminuée. L'invention se fixe pour objectif d'améliorer l'existant. L'échangeur visé comprend au moins un tube allongé adapté à la circulation d'un fluide caloporteur et au moins une boîte collectrice pour un tel fluide dans laquelle débouche une extrémité dudit tube, la boîte collectrice comprenant un collecteur présentant un élément de réception pour l'extrémité dudit tube, l'élément de réception comprenant une portion en saillie intérieurement conformée en une zone de maintien pour ce tube. Selon l'invention, l'élément de réception comprend en outre une portion de raccordement de la portion en saillie intérieurement au reste du collecteur et en ce que cette portion de raccordement fait saillie du côté du collecteur opposé à la boîte collectrice de façon à ce que la portion en saillie intérieurement et la portion de raccordement présentent des directions de saillie mutuellement opposées. Grâce à cette configuration de l'échangeur, il devient possible de disposer l'extrémité des tubes en dessous d'un plan contenant la face supérieure du collecteur. Ceci évite toute création de vortex. On conserve cependant les avantages d'une longueur suffisante de guidage du tube dans l'orifice et d'une introduction facilitée. Incidemment ceci permet en outre de réduire la longueur des tubes et donc de réaliser des économies de matière première. La portion en saillie intérieurement s'élève vers l'intérieur de la boîte collectrice. L'élément de réception est conformé dans le collecteur. La portion en saillie présente un orifice de section adaptée au passage d'une zone d'extrémité du tube. Selon différents modes de réalisation : - les orifices de passage du ou des tubes sont éloignés par rapport à la portion de raccordement, - la portion en saillie et la portion de raccordement s'élèvent suivant la direction longitudinale du tube, - la zone de maintien est agencée en correspondance de forme avec l'extérieur du tube 15 au voisinage de son extrémité débouchant dans la boîte collectrice, - les zones de raccordement présentent des bases par lesquelles elles se raccordent au reste de la plaque collectrice, situé dans un même plan, dit plan d'enveloppe interne du collecteur, et la portion en saillie intérieurement est située en retrait dudit plan, de façon à ce que ladite zone de maintien du tube ne dépasse pas intérieurement au-delà dudit 20 plan, - l'extrémité du tube dépasse au plus de 2 millimètres dudit plan d'enveloppe interne du collecteur, du côté de ce plan orienté vers l'intérieur de la boîte collectrice, - l'extrémité du tube est disposée sensiblement au niveau du plan d'enveloppe interne du collecteur, 25 - l'extrémité du tube est située à une distance inférieure à 4 millimètre du plan d'enveloppe interne du collecteur, du côté de ce plan orienté vers l'extérieur de la boîte collectrice, - le collecteur est réalisé en un matériau en plaque d'épaisseur comprise entre 0,8 et 1,8 millimètre, de préférence entre 1,2 et 1,5 millimètre, 30 - l'échangeur comprend un faisceau de tubes adaptés à la circulation du fluide caloporteur, dans lequel le faisceau présente un pas d'espacement des tubes compris entre 5 et 15 millimètres, et de préférence entre 6 et 10 millimètres, - la boîte comprend un couvercle, serti sur ladite boîte collectrice, - la boîte comprend un couvercle brasé sur ladite plaque collectrice, - le ou lesdits tubes sont obtenus par pliage d'une feuille de matière, - lesdits tubes sont munis de corrugations faisant saillie intérieurement. L'invention concerne encore une plaque collectrice pour échangeur de chaleur muni des caractéristiques décrites plus haut. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés sur lesquels : 10 - la figure 1 représente une vue de face d'un échangeur de chaleur; - la figure 2 représente une vue de gauche de l'échangeur de la figure 1; 15 - la figure 3 représente une vue en coupe longitudinale d'un collecteur pour l'échangeur des figures 1 et 2; - la figure 4 représente une vue en perspective cavalière et de dessus d'un détail IV du collecteur de la figure 3; 20 - la figure 5 est analogue à la figure 4, le collecteur étant vue de dessous; - la figure 6 représente une vue en coupe longitudinale du détail IV; 25 - la figure 7 représente schématiquement une vue en coupe d'un premier mode de réalisation d'un collecteur selon l'invention, dans le sens transversal dudit collecteur - la figure 8 est analogue à la figure 7 pour une variante de réalisation du collecteur, 30 - la figure 9 représente schématiquement une partie du détail IV, le collecteur et un tube de circulation de fluide étant en une première configuration d'assemblage;5 - la figure 10 est analogue à la figure 9, le tube et le collecteur étant en une seconde configuration d'assemblage; - les figures 11 à 13 représentent une partie du détail IV en coupe longitudinale, en 5 différentes étapes de sa conformation; Les dessins annexés pourront non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant 10 Les figures 1 et 2 montrent un échangeur thermique 1 à usage dans un véhicule automobile, par exemple pour le refroidissement du moteur. L'échangeur 1 comprend des tubes allongés 3 pour la circulation d'un fluide caloporteur disposés en faisceau. Les tubes 3 sont alignés suivant une ou plusieurs rangées, ou 15 nappes. La figure 2 montre que l'échangeur 1 a une nappe de tubes 3. Chacune des extrémités de chacun des tubes 3 débouche dans une boîte collectrice 5 respective. L'échangeur 1 comprend ainsi deux boîtes collectrices 5 analogues qui mettent en communication fluidique les tubes 3 entre eux. Les boîtes collectrices 5 20 présentent une allure générale parallélépipédique. Elles sont disposées en vis-à-vis l'une de l'autre. Entre deux tubes 3 adjacents est à chaque fois disposé un intercalaire d'échange de chaleur 7, de forme ondulée et dont le sommet de chacune des oscillations est en contact 25 avec l'un des deux tubes 3 adjacents. En fonctionnement, l'échangeur 1 permet un échange thermique entre le fluide caloporteur en circulation dans les tubes 3 et un fluide traversant extérieurement l'échangeur, en général de l'air. La figure 3 montre une plaque 9 conformée en un collecteur pour une dite boîte (non représentée), le collecteur et un couvercle (non représenté à cette figure) formant 30 conjointement une boîte collectrice 5. Ici le couvercle est en forme générale de parallélépipède, tandis que le collecteur s'étend généralement dans un plan et rectangulairement. Le collecteur 9 présente une portion centrale 10 et une portion de rebord 11 entourant cette partie centrale 10. La partie centrale 10 présente une pluralité d'orifices traversants 12, adaptés en forme et en position à l'introduction et au passage d'une portion d'extrémité des tubes 3. La portion de rebord 11 présente une rainure circonférentielle ou gorge 13 adaptée au logement d'un joint d'étanchéité 14. Le joint 14 permet de rendre étanche l'assemblage du couvercle et collecteur 9 de la boîte. Une portion périphérique 15 du collecteur 9 est repliée de manière à faire saillie, presque perpendiculairement, de la portion centrale 10. Cette portion périphérique est destinée à venir à proximité des parois latérales du couvercle et à la sertir sur le collecteur. La partie centrale 10 s'étend entre deux plans parallèles entre eux et au plan d'extension générale du collecteur 9 : - un premier plan situé du côté du plan général d'extension tourné vers l'intérieur de la boîte collectrice 5, ou plan d'enveloppe interne du collecteur 16; - un second plan situé du côté du plan général d'extension tourné vers l'extérieur de la boîte collectrice 5, ou plan d'enveloppe externe 17. Selon un aspect de l'invention, l'extrémité des tubes 3 reçue dans les orifices 12 se trouve sensiblement au niveau du plan d'enveloppe interne 16 ou légèrement en deçà. Les figures 4 à 6 montrent en détail une portion du collecteur 9 comprenant l'un quelconque des orifices 12. Le collecteur 9 est conformé de manière à présenter une portion formant collet 19 qui borde l'orifice 12. Ce collet 19 fait saillie de la surface intérieure du collecteur 9, suivant30 une direction pratiquement perpendiculaire au plan général d'extension de ce collecteur 9 et allant de la face d'enveloppe extérieure 17 vers la face d'enveloppe intérieure 16. L'extrémité libre du collet 19 se trouve en retrait par rapport au plan d'enveloppe intérieur 16. Le collet 19 est réalisé par repoussement de la matière de la plaque, en sorte qu'il se forme un léger rétrécissement de la section de l'orifice 12 de la surface extérieure du collecteur 9. Une portion de raccordement 21 relie le collet 19 à la même portion 21 correspondant au passage de tube suivant. La portion de raccordement 21 est réalisée sous la forme d'une portion qui fait saillie du collecteur 9, suivant une direction perpendiculaire au plan d'extension générale, allant du plan d'enveloppe interne 16 vers le plan d'enveloppe externe 17. Cette portion de raccordement est située en dessous du plan d'extension générale. Autrement dit, le collecteur 9 présente au voisinage de chaque orifice 12 un élément de réception pour l'extrémité d'un tube 3, comprenant une portion en saillie intérieurement conformée en une zone de maintien pour ce tube, une portion de raccordement de la portion en saillie au collecteur, cette portion de raccordement faisant saillie du côté du collecteur 9 opposé à la boîte collectrice, la portion en saillie et la portion de raccordement présentant des directions de saillie mutuellement opposées. Ici, les orifices 12 sont adaptés au passage de tubes dits plats, c'est-à-dire dont la section est délimitée par deux longs bords droits parallèles entre eux et raccordés entre eux, à chaque fois, par un bord demi-circulaire. Les collets 19 suivent la forme des orifices 12, que l'on peut qualifier d'oblongue. Ici, la portion de raccordement 21 est réalisée en conformant la plaque-couvercle 9 localement en un bossage allongé suivant la longueur des orifices 12. En section transversale, le bossage présente une allure d'ondulation. Cette ondulation peut s'étendre sur pratiquement l'ensemble de la direction concernée, en particulier lorsqu'il existe plusieurs rangées de tubes : il est alors possible d'utiliser une même portion de raccordement 21 pour plusieurs collets 19 alignés suivant leur direction longitudinale. Les collets 19 se rattachent en leur base à leur portion de raccordement 23 respective par l'intermédiaire d'une zone coudée 23, laquelle facilite encore l'introduction des tubes. Chaque collet 19 peut également être vu comme un bourrelet de matière entourant l'orifice 12. Aux figures 4 à 6, le collecteur présente donc une succession de bossages analogues à la 10 zone de raccordement, c'est-à-dire en forme d'ondulations, se rattachant les uns aux autres dans la direction transversale des orifices 12. Autrement dit, les portions de raccordement 21 se rattachent les unes aux autres. Les sommets des ondulations sont alternativement contenus dans le plan d'enveloppe interne 16 et dans le plan d'enveloppe interne 17. L'orifice 12 coïncide, dans le plan d'extension générale, avec une ligne de 15 crête contenue dans le plan d'enveloppe interne 17. La figure 7 montre un orifice 12 de passage de tube dans un collecteur 9, muni d'une gorge 13 pour le logement d'un joint d'étanchéité. 20 La figure 8 montre un collecteur pour un mode de réalisation dans lequel il n'est pas prévu de gorge 13, le joint étant alors maintenu en position entre les tubes 3 (non-visibles à cette figure) et le rebord 15 du collecteur. 25 Les figures 9 et 10 montrent un autre aspect de l'invention, selon lequel l'extrémité libre du collet 19 est située au plus près à une distance Dl de 2 millimètres du plan d'enveloppe interne 16, du côté de ce plan opposé à la boîte collectrice. Ceci permet de disposer un tube 3 de manière que son extrémité dépasse au plus de 2 millimètres du plan d'enveloppe interne du collecteur 9, du côté de ce plan orienté vers l'intérieur de la 30 boîte collectrice 5 (figure 9). Il devient également possible de disposer l'extrémité des tubes au niveau de ce plan d'enveloppe interne (figure 10).5 Les figures 11 à 13 illustre la réalisation de la portion de réception des extrémités des tubes 3. Selon une première étape, illustrée sur la figure 11, une partie d'une plaque métallique est conformée en une portion de bossage 27. Ceci implique au moins une opération d'emboutissage réalisée depuis une grande face de la plaque, qui va former la surface interne du collecteur, en direction de la grande face opposée, qui va former la surface extérieure du collecteur. Cette déformation du collecteur se fait en gardant pratiquement l'épaisseur de la plaque constante sur les portions de cette plaque formant le bossage 27. Selon une seconde étape, illustrée sur la figure 12, le sommet du bossage 27 est conformé en une bosse 29 d'élevant suivant une direction opposée à la direction d'élévation du bossage 27. Ceci implique au moins une opération d'emboutissage réalisée de la face externe vers la face interne. Selon une troisième étape, illustrée sur la figure 13, on réalise un crevage de la bosse 29, depuis la face externe de la plaque-couvercle 9, pour former un orifice 12 au sommet de la bosse 29. Ce crevage résulte en un amincissement du collecteur et un allongement de la bosse 29, en sorte qu'un collet 19 se trouve formé. 20 L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus à titre d'exemple uniquement, mais englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art. En particulier, la forme de la section transversale des tubes 3 peut être différente de celle décrite, par exemple ronde, en "haricot", rectangulaire ou autre. Le nombre de nappes 25 de tubes est également susceptible de varier.15 Revendications1. Échangeur de chaleur du type comprenant au moins un tube (3) allongé adapté à la circulation d'un fluide caloporteur et au moins une boîte collectrice (5) pour un tel fluide dans laquelle débouche une extrémité dudit tube, la boîte collectrice comprenant un collecteur (9) présentant un élément de réception pour l'extrémité dudit tube, l'élément de réception comprenant une portion (19) en saillie intérieurement conformée en une zone de maintien pour ce tube, caractérisé en ce que l'élément de réception comprend en outre une portion de raccordement (21) de la portion en saillie intérieurement au reste du collecteur et en ce que cette portion de raccordement fait saillie du côté du collecteur opposé à la boîte collectrice de façon à ce que la portion (19) en saillie intérieurement et la portion de raccordement (21) présentent des directions de saillie mutuellement opposées. 2. Échangeur selon la revendication 1, dans lequel la portion en saillie et la portion de raccordement s'élèvent suivant la direction longitudinale du tube. 3. Échangeur selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel la zone de maintien est agencée en correspondance de forme avec l'extérieur du tube au voisinage de son extrémité débouchant dans la boîte collectrice. 4. Échangeur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les zones de raccordement présentent des bases (50) par lesquelles elles se raccordent au reste de la plaque collectrice, situé dans un même plan, dit plan d'enveloppe interne (16) du collecteur, et la portion en saillie intérieurement est située en retrait dudit plan, de façon à ce que ladite zone de maintien du tube ne dépasse pas intérieurement au-delà dudit plan. 5. Échangeur selon la revendication 4, dans lequel l'extrémité du tube dépasse au plus de 2 millimètres dudit plan d'enveloppe interne du collecteur, du côté de ce plan orienté vers l'intérieur de la boîte collectrice. 11 6. Échangeur selon la revendication 4, dans lequel l'extrémité du tube est disposée sensiblement au niveau du plan d'enveloppe interne du collecteur. 7. Échangeur selon la revendication 4, dans lequel l'extrémité du tube est située à une distance inférieure à 4 millimètre du plan d'enveloppe interne du collecteur, du côté de ce plan orienté vers l'extérieur de la boîte collectrice. 8. Échangeur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le collecteur est réalisé en un matériau en plaque d'épaisseur comprise entre 0,8 et 1,8 millimètre, de préférence entre 1,2 et 1,5 millimètre. 9. Échangeur selon l'une des revendications précédentes, comprenant un faisceau de tubes adaptés à la circulation du fluide caloporteur, dans lequel le faisceau présente un pas d'espacement des tubes compris entre 5 et 15 millimètres, et de préférence entre 6 et 10 millimètres. 10. Echangeur selon l'une des revendications précédentes dans lequel la boîte comprend un couvercle, serti sur ladite boîte collectrice. 11. Echangeur selon l'une des revendications 1 à 10 dans lequel la boîte comprend un couvercle brasé sur ladite plaque collectrice. 12. Echangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le ou lesdits tubes sont obtenus par pliage d'une feuille de matière. 13. Echangeur selon la revendication 12 dans lequel lesdits tubes sont munis de corrugations faisant saillie intérieurement. 14. Plaque collectrice pour échangeur de chaleur selon l'une quelconque des 30 revendications précédentes.25