Brevet FR3020671A1 — publié le 20151106

L'invention se rapporte au domaine des échangeurs thermiques, en particulier pour véhicules automobiles. Plus précisément, l'invention concerne un collecteur pour un échangeur thermique comprenant un faisceau de tubes et au moins une boîte collectrice, également appelée boîte à eau. Généralement, le collecteur reçoit les tubes par l'intermédiaire d'orifices de réception des tubes qui sont des ouvertures réalisées à intervalles réguliers dans le collecteur, ces intervalles définissant un pas des tubes. Afin d'améliorer la performance d'échange thermique de l'échangeur, on peut réduire le pas des tubes, ce qui permet au collecteur de pouvoir accueillir un plus grand 10 nombre de tubes. On sait qu'un collecteur en aluminium ne peut pas accueillir autant de tubes qu'il serait possible de le faire avec un collecteur en acier car on ne peut pas réduire le pas des tubes en dessous d'une certaine valeur. Ceci tient au fait que la résistance mécanique d'un collecteur en aluminium doit être suffisamment importante pour résister 15 à la pression d'un fluide caloporteur lors de l'utilisation normale de l'échangeur, et donc l'épaisseur d'aluminium d'un tel collecteur ne doit pas être inférieure à 1,2 millimètres. Or, comme ce type de collecteur est réalisé par emboutissage, s'il on utilise une épaisseur d'aluminium supérieure ou égale à 1,2 mm, il n'est alors plus possible d'obtenir un pas réduit des tubes. En effet, on ne peut pas réaliser une matrice 20 d'emboutissage qui permette à la fois d'obtenir un pas de tubes réduit combiné avec une épaisseur supérieure ou égale à 1,2 mm, car dans ce cas il ne resterait plus assez d'espace pour la matière de la matrice entre les orifices de réception des tubes. On connaît par exemple du document WO 2009/058395 un collecteur qui comporte une partie de réception des tubes réalisée en aluminium, laquelle fait également office 25 de boite collectrice et comporte un renfort en plastique. Ce collecteur renforcé permet de réduire l'épaisseur de matériau utilisé pour le collecteur et les tubes. Toutefois, le collecteur de l'art antérieur ne permet pas de réduire le pas des tubes suffisamment pour permettre d'accueillir un plus grand nombre de tubes dans le but d'améliorer le rendement thermique de l'échangeur. Ainsi, le collecteur de l'art antérieur 30 ne permet pas à l'échangeur d'atteindre des performances thermiques optimales. Par ailleurs, en raison du fait que ce collecteur comporte un nervurage important de la boite collectrice pour pouvoir résister correctement à la pression interne de -2- l'échangeur, cette solution de l'art antérieur est complexe à réaliser, onéreuse et augmente la masse globale de l'échangeur. La présente invention a pour but de pallier les inconvénients précités en proposant notamment un collecteur capable de recevoir un plus grand nombre de tubes et dont la 5 masse est diminuée. A cet effet, l'invention a pour objet un collecteur pour un échangeur thermique de véhicule automobile, configuré pour recevoir des tubes d'échange thermique, comportant : une plaque métallique destinée à être traversée par les tubes et comportant deux 10 bords longitudinaux pour le sertissage du collecteur sur une boîte collectrice, et une plaque comprenant un matériau polymère, superposée à la plaque métallique et munie d'orifices de réception des tubes. Dans la suite, on désigne par l'expression « plaque polymère » la plaque comprenant un matériau polymère. Ainsi, le collecteur ci-dessus est renforcé par la 15 plaque polymère, ce qui autorise l'utilisation d'une plaque métallique en aluminium dont l'épaisseur est inférieure à 1,2 mm. Avantageusement, la réduction d'épaisseur de la plaque métallique du collecteur permet de la fabriquer par emboutissage en réduisant le pas des tubes à des valeurs similaires à celles rencontrées sur les collecteurs en acier. Ainsi, un tel collecteur peut accueillir un plus grand nombre de tubes d'échange 20 thermique. Il en résulte une amélioration du rendement thermique de l'échangeur, tandis que la masse du collecteur est diminuée. De plus, comme la plaque polymère renforce la tenue en pression et améliore l'étanchéité entre les tubes, un tel collecteur est moins sujet à des défaillances comme des fuites de fluide caloporteur, par exemple. En fait, un tel collecteur améliore la fiabilité et la durée de vie de l'échangeur. 25 On entend par « superposé » que la plaque polymère est située au dessus de la plaque métallique, sans pour autant être en contact direct avec celle-ci. Ainsi, on comprend qu'un joint d'étanchéité peut être intercalé entre ces deux plaques superposées. On précise que les orifices de réception sont des orifices de passage des tubes à 30 travers la plaque qui est destinée à être traversée par les tubes. Le collecteur peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison. -3- Une paroi de la plaque polymère est configurée de sorte que les extrémités des tubes arrivent à affleurement avec cette paroi. Ainsi, les tubes ne font pas saillie de la plaque polymère et donc leurs extrémités ne dépassent pas à l'intérieur de la boîte collectrice, ce qui permet de supprimer des phénomènes de turbulence d'écoulement du fluide dans la boîte collectrice. La plaque polymère a une forme globalement plate et a une épaisseur comprise entre 3 et 8 millimètres, de préférence voisine de 5 millimètres. Le respect de cette plage d'épaisseur pour la plaque polymère améliore significativement la résistance mécanique du collecteur et autorise en outre à réduire l'épaisseur de la plaque métallique. La plaque polymère comprend des moyens de rigidification de la boîte collectrice, ces moyens comprenant de préférence des orifices de réception de pions ménagés dans la boîte collectrice. De manière avantageuse, ces moyens de rigidification améliorent la stabilité et la cohésion de la boîte collectrice par rapport au collecteur, ce qui limite les risques de fuite de l'échangeur. Un joint d'étanchéité est agencé entre la plaque métallique et la plaque polymère. Avantageusement, ce joint assure une double fonction d'étanchéité, à savoir l'étanchéité entre les tubes et le collecteur et l'étanchéité entre le collecteur et la boîte collectrice. Par ailleurs, le joint sert d'élément de liaison entre les deux plaques, ce qui facilite les opérations de manutention du collecteur au cours de l'assemblage de l'échangeur. Le joint comporte une portion plate, prise en sandwich entre la plaque métallique et la plaque polymère, et munie de préférence de cheminées configurées pour être chaussées autour des tubes. De telles cheminées améliorent l'étanchéité entre les 25 tubes et les orifices de réception des tubes. Le joint comporte un bourrelet périphérique destiné à faire l'étanchéité entre d'une part la boîte collectrice et d'autre part l'une au moins des deux plaques. Ainsi, ce bourrelet évite les risques de fuites de l'échangeur. Les orifices de réception des tubes ménagés sur la plaque polymère comprennent 30 un épaulement de retenue du joint, configuré de sorte que le joint est plaqué contre cet épaulement lorsqu'un tube est reçu dans l'orifice de réception. Ainsi, le joint est plus facile à positionner sur le collecteur et son positionnement est durablement amélioré. -4- L'invention a également pour objet une plaque comportant un matériau polymère pour un collecteur tel que décrit ci-dessus. L'invention a aussi pour objet un joint d'étanchéité pour un collecteur tel que décrit ci-dessus. L'invention a encore pour objet une boîte collectrice et un collecteur tel que décrit ci- dessus. L'invention sera mieux comprise à la lecture des figures annexées, qui sont fournies à titre d'exemples et ne présentent aucun caractère limitatif, dans lesquelles : - la figure 1 est une vue en perspective d'un collecteur selon un premier mode de réalisation sur lequel est agencé un faisceau de tubes, - la figure 2 est une vue en perspective d'un collecteur selon un second mode de réalisation. En référence à la figure 1, on a représenté un collecteur 10 pour un échangeur thermique d'un véhicule automobile. Dans l'exemple, l'échangeur est un radiateur muni d'une rangée de tubes 12 d'échange thermique destinés à conduire un fluide caloporteur dans l'échangeur. Il pourrait alternativement s'agir d'un autre type d'échangeur, comme par exemple d'un échangeur de suralimentation. Le collecteur est configuré pour recevoir les tubes 12 de l'échangeur par leurs extrémités 14 et pour être assemblé avec une boîte collectrice 16. Dans cet exemple, le 20 collecteur 10 est constitué par une plaque métallique 18, un joint d'étanchéité 20 et une plaque en matériau polymère 22, désignée ci-après plaque polymère. La plaque métallique 18 est destinée à être traversée par les tubes 12 et à être sertie sur la boîte collectrice 16. A cet effet, la plaque métallique 18 est une tôle emboutie comportant un pan central 24 rectangulaire muni d'ouvertures ovales 25 régulièrement espacés et conformés pour le passage des tubes 12. La plaque métallique 18 est munie de pans latéraux formant des bords pliés longitudinaux 26 et transversaux (non représentés) pour le sertissage du collecteur 10 sur la boîte collectrice 16. Ces bords 26 comprennent des dents de sertissage 28 de forme rectangulaire qui sont destinées à faciliter l'opération de sertissage de la plaque 30 métallique 18. -5- Le joint d'étanchéité 20 est agencé entre la plaque métallique 18 et la plaque polymère 22. A cet effet, il comporte une portion plate 30, prise en sandwich entre la plaque métallique et la plaque polymère. Cette portion plate 30 de forme rectangulaire est munie de cheminées 32 configurées pour être chaussées autour des tubes 12. Ces 5 cheminées 32 ont une forme ovale et font saillie de chaque côté de la portion plate 30 du joint, c'est-à-dire qu'elles comportent des parties supérieures 34 formant saillie face à la boîte collectrice 16 et des parties inférieures 36 formant saillie en dessous de la portion plate du joint. Les cheminées 32 comportent des lèvres 38 disposées sur des parois latérales des parties supérieures 34. Ces lèvres 38 sont prévues pour venir en 10 appui sur un épaulement 40 ménagé dans des orifices 42 de réception des tubes de la plaque polymère. Ainsi, d'une part elles forment des surfaces d'appui facilitant le positionnement du joint, et d'autre part elles participent à l'étanchéité entre la boîte collectrice et le collecteur. Le joint comporte un bourrelet périphérique 44 destiné à faire l'étanchéité entre 15 d'une part la boîte collectrice 16 et d'autre part l'une au moins des deux plaques 18, 22. Le joint est fabriqué dans un matériau élastomère classiquement utilisé dans les échangeurs thermiques et bien connu de l'homme du métier. La plaque polymère 22, est superposée à la plaque métallique 18 de réception des tubes. Les orifices de réception 42 des tubes ont un contour de forme oblongue tandis 20 que les épaulements 40 de retenue du joint 20 ont une forme sensiblement ovale. Chaque épaulement 40 est configuré de sorte que la lèvre 38 du joint est plaquée contre cet épaulement 40 lorsqu'un tube 12 est reçu dans un orifice de réception 42. Dans l'exemple, les tubes sont légèrement évasés à leurs extrémités 14, ce qui améliore le plaquage de la cheminée 32 du joint contre l'épaulement 40. 25 La plaque polymère 22 comprend des moyens de rigidification 46, 48 de la boîte collectrice 16, ces moyens comprenant, le long de chaque bord de la plaque 22, des rangées de trous de réception de pions de rigidification 48 ménagés dans la boîte collectrice 16. Chaque trou débouche latéralement dans la face latérale 23 de la plaque polymère 22 en formant une fente. Les bords 49 de la fente sont séparés par une 30 distance inférieure au diamètre de chaque orifice. On comprend donc que ces orifices sont conformés pour ne pas laisser sortir les pions de rigidification 48 latéralement de la plaque polymère 22 et les maintenir perpendiculaires à la plaque 22. Ces moyens de rigidification sont donc configurés pour mieux résister aux efforts de traction et de rotation qui sont induits par un écartement des parois latérales 39 de la -6- boîte collectrice sous l'effet de la pression du fluide à l'intérieur de l'échangeur. Ainsi, il y a moins de distorsions de la boîte collectrice 16 et on peut réduire sensiblement le nombre de nervures de renfort pour en améliorer la rigidité. Pour fabriquer la plaque polymère 22 il est recommandé d'utiliser un matériau polymère thermodurcissable, mais d'autres alternatives comprenant des thermoplastiques ou des matériaux composites sont aussi envisageables. L'épaisseur de la plaque polymère 22 est comprise entre 3 et 8 millimètres et de préférence voisine de 5 millimètres. La boîte collectrice 16 forme un couvercle sur le dessus du collecteur. Elle est fabriquée à partir d'un matériau thermodurcissable. Une partie 52 de la boîte collectrice 16 qui se trouve en vis-à-vis d'une paroi supérieure 54 de la plaque polymère 22 a un profil en demi cylindre pour résister à la pression du fluide. Cette partie 52 demi-cylindrique de la boîte collectrice est prolongée sur ses côtés par les parois latérales 39 comportant chacune une marche 56, également appelée « trottoir » par l'homme du métier. A l'intérieur de la boîte collectrice 16, la marche 56 délimite un épaulement interne 58 qui est destiné à venir en appui sur la plaque en matériau polymère 22. L'épaulement interne 58 porte les pions de rigidification 48 orientés vers la plaque polymère. Chaque pion est relié à la marche 56 par une bande de matière 57 formant une nervure interne de rigidification de la boîte collectrice 16. Cette bande de matière 57 est prévue pour pouvoir à passer par une des fentes 49. A l'extérieur de la boîte collectrice 16, la marche 56 forme un épaulement externe 60 destiné à recevoir les dents de sertissage 28 lorsque celles-ci sont pliées après l'étape de sertissage. En raison du fait que le collecteur est renforcé par la plaque polymère 22 mais aussi en raison de la présence des moyens de rigidification 46, 48 de la boîte collectrice, il 25 est possible d'optimiser (réduire ou supprimer) le nombre de nervures de renfort. Le dessus de la portion plate 30 du joint accueille la plaque polymère 22, avec les cheminées 32 qui entourent les tubes 12 d'échange thermique et le bourrelet périphérique 44 qui entoure la plaque polymère 22. Plus précisément, les cheminées 32 font saillie au-dessus du joint 20 en entourant les extrémités 14 des tubes 12 et 30 affleurent avec la paroi supérieure 54 de la plaque polymère 22. Cette paroi supérieure 54 est configurée de sorte que les extrémités 14 des tubes arrivent, comme les cheminées 32, à affleurement avec cette paroi. -7- Selon un second mode de réalisation représenté à la figure 2, les tubes de l'échangeur ont des extrémités droites, c'est-à-dire qui ne comportent pas d'évasements de retenue c'est-à-dire un élargissement des tubes ayant pour fonction de faire obstacle au glissement desdits tubes vers l'extérieur de la boîte collectrice 16. 5 Pour ce qui concerne la plaque polymère, celle-ci comporte des orifices dont le contour correspond sur toute sa hauteur au profil ovale des tubes, c'est-à-dire que les orifices de la plaque ne comprennent pas d'épaulement. En conséquence, les parties supérieures des cheminées du joint ont un profil identique à celui des tubes et sont dépourvues de lèvre. Ce mode de réalisation, de conception plus simple, permet 10 d'abaisser le coût de fabrication de l'échangeur. Le collecteur 10 n'est pas limité aux modes de réalisation présentés et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier. Il est notamment possible de faire varier la forme générale de la plaque polymère 22. Comme celle-ci est moulée il est relativement facile de prévoir qu'elle comporte des formes en volume 15 ou de prévoir qu'elle comporte des reliefs destinés par exemple à simplifier le positionnement des tubes 12 dans les orifices de réception 42. Par ailleurs, pour encore simplifier la fabrication, on peut également envisager de ne pas prévoir de moyens de rigidification 46, 48, mais dans ce cas la boîte collectrice nécessitera d'être davantage nervurée. REVENDICATIONS1. Collecteur (10) pour un échangeur thermique de véhicule automobile, configuré pour recevoir des tubes (12) d'échange thermique, caractérisé en ce qu'il comporte : une plaque métallique (18) destinée à être traversée par les tubes (12) et comportant deux bords longitudinaux (26) pour le sertissage du collecteur (10) sur une boîte collectrice (16), et - une plaque (22) comprenant un matériau polymère, superposée à la plaque métallique (18) et munie d'orifices de réception (42) des tubes. 2. Collecteur selon la revendication précédente, dans lequel une paroi (54) de la plaque polymère (22) est configurée de sorte que les extrémités (14) des tubes (12) arrivent à affleurement avec cette paroi (54). 3. Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la plaque en matériau polymère (22) a une forme globalement plate et a une épaisseur 15 comprise entre 3 et 8 millimètres, de préférence voisine de 5 millimètres. 4. Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la plaque polymère (22) comprend des moyens de rigidification (46, 48) de la boîte collectrice (16), ces moyens comprenant de préférence des orifices de réception (42) de pions (48) ménagés dans la boîte collectrice (16). 20 5. Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un joint d'étanchéité (20) agencé entre la plaque métallique (18) et la plaque polymère (22). 6. Collecteur selon la revendication précédente, dans lequel le joint (20) comporte une portion plate (30), prise en sandwich entre la plaque métallique (18) et la plaque 25 polymère (22), et munie de préférence de cheminées (32) configurées pour être chaussées autour des tubes (12). 7. Collecteur selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, dans lequel le joint (20) comporte un bourrelet périphérique (44) destiné à faire l'étanchéité entre d'une part la boîte collectrice (16), et d'autre part l'une au moins des deux plaques (18, 22). 30 8. Collecteur selon l'une quelconque des revendications 5 ou 7, dans lequel les orifices de réception (42) des tubes (12) ménagés sur la plaque polymère (22) comprennent un épaulement (40) de retenue du joint, configuré de sorte que le joint-9- (20) soit plaqué contre cet épaulement (40) lorsqu'un tube est reçu dans un orifice de réception (42). 9. Plaque polymère (22) pour un collecteur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 10. Joint d'étanchéité (20) pour un collecteur (10) selon l'une quelconque des revendications 5 à 8. 11. Echangeur thermique comportant une boîte collectrice (16) et un collecteur (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.