Brevet FR3025304A1 — publié le 20160304

La présente invention concerne le domaine technique des échangeurs de chaleur pour véhicule automobile. Plus spécifiquement, l'invention porte sur une boîte collectrice d'un échangeur de chaleur tel qu'un évaporateur d'un circuit de climatisation parcouru par un fluide réfrigérant à l'état supercritique, tel que du CO2 notamment. Une telle boîte collectrice doit ainsi être adaptée pour résister à une pression de service particulièrement élevée qui peut atteindre jusqu'à 150 bars. Afin d'assurer la fiabilité de la boîte collectrice, celle-ci doit être conçue pour résister à une pression au moins trois fois égale à la pression de service. Aussi, on comprend que les différents éléments du circuit, et tout particulièrement de la boite collectrice, doivent présenter un niveau de résistance mécanique particulièrement élevé. On connaît déjà, du document FR2923902, une boîte collectrice pour un échangeur de chaleur comprenant une superposition de plaques munies d'ouvertures de réception de tubes d'échange de chaleur. Une telle boîte collectrice comporte notamment : - une plaque collectrice, - une plaque de distribution, - un couvercle formé par une plaque intermédiaire et une plaque de couverture. 15 Les différentes plaques d'une telle boîte collectrice sont réalisées par découpage et emboutissage, ce qui leur permet de résister à des pressions élevées. Toutefois, une telle boîte collectrice demeure perfectible. Notamment, la boîte collectrice de l'art antérieur présente une configuration qui n'est pas adaptée pour communiquer avec des 20 tubulures d'entrée et de sortie de fluide disposées selon une configuration dite « end/end ». On entend par configuration « end/end », le fait que les tubulures d'entrée et de sortie de fluide sont sensiblement alignées avec la direction longitudinale de la boîte collectrice, l'axe des tubulures étant sensiblement perpendiculaire aux axes des tubes de l'échangeur. Au contraire, dans la boîte collectrice connue, les tubulures 25 d'entrée et de sortie de fluide ont leurs axes parallèles à ceux des tubes, car elles sont soudées par le dessous à la boîte collectrice. Ainsi, une boîte collectrice de l'art antérieur ne permet pas de recevoir des tubulures d'entrée et de sortie dans une configuration dite « end/end ». 30 Aussi, le fait de ne pas pouvoir disposer les tubulures selon la configuration « end/end » empêche, notamment pour des questions d'encombrement, l'utilisation des 3025304 2 boîtes collectrices de l'art antérieur sur un grand nombre de véhicules. On connaît également, du document US5934367, une boîte collectrice comprenant un couvercle, une plaque collectrice et une plaque intermédiaire, boîte collectrice dans 5 laquelle les tubulures sont placées selon une configuration dite « side/side ». On entend par configuration « side/side » que les tubulures d'entrée et de sortie sont sensiblement perpendiculaires à une direction longitudinale de la boîte collectrice, leur axe étant sensiblement perpendiculaire aux axes des tubes de l'échangeur. Ainsi, dans ce document, les tubulures d'entrée et de sortie font partie intégrante des plaques et du 10 couvercle. Toutefois, dans le type de boîte collectrice du document US5934367 ci-dessus, la pression du fluide utilisée est dix fois moins importante que dans la boîte collectrice concernée par l'invention, en raison notamment du fait que les gaz réfrigérants utilisés à l'époque de la publication de ce document n'étaient pas du dioxyde de carbone (002) à l'état supercritique. Le CO2 n'a été utilisé dans les circuits de climatisation qu'à partir de 2003 en raison d'une norme environnementale européenne. En fait, dans le document US5934367, le gaz réfrigérant utilisé est du R134a, lequel n'atteint pas des pressions aussi élevées dans un circuit de climatisation. Etant donné que, dans ce cas, les pressions sont peu élevées, il est aisé de fabriquer les tubulures d'entrée et de sortie d'un seul tenant avec les plaques, par mise en forme de celles-ci, car les tôles constituant ces plaques sont très fines et donc faciles à mettre en forme. Pour des échangeurs soumis à une pression de service de l'ordre de 150 bars tels que ceux concernés par l'invention, dans lesquels circule du dioxyde de carbone, la boîte collectrice doit être particulièrement résistante, ce qui oblige à prévoir des plaques constituées d'une tôle beaucoup plus épaisse. Or une augmentation d'épaisseur de cette tôle pose, à priori, des difficultés de mise en forme, en raison notamment d'un risque de fissuration ou de micro-fissuration de la tôle au moment de l'emboutissage. Cette difficulté de mise en forme, bien connue de l'homme du métier, est d'autant plus grande lorsqu'il s'agit de mettre en forme des tubulures en configuration end/end. Par ailleurs, il n'est à priori pas non plus souhaitable d'avoir des diamètres hydrauliques trop important en raison de la haute pression de service. En 3025304 3 conséquence, réaliser les tubulures d'entrée et de sortie venues de matière avec les plaques et couvercles eux-mêmes est potentiellement source de fuite et d'éclatement de la boîte collectrice. 5 Ainsi, il n'est à priori pas envisageable d'utiliser la technologie de l'emboutissage si l'on souhaite réaliser des tubulures d'entrée et de sortie venues de matière avec les plaques de la boîte collectrice lorsque les pressions concernées sont élevées, c'est-à-dire celles atteintes par le CO2 à l'état supercritique. 10 Les inventeurs de la présente invention ont imaginé une solution surprenante en allant à l'encontre des préjugés ci-dessus. L'idée novatrice et inventive des inventeurs a consisté à transposer une technique de fabrication d'un échangeur fonctionnant avec une pression peu élevée (inférieure à 15 bars) et de l'adapter, sans se préoccuper des a priori existants, au domaine technique des échangeurs à haute pression de service 15 (proche de 150 bars). L'invention a ainsi pour but de remédier aux inconvénients précités en fournissant une boîte collectrice adaptée pour fonctionner à une pression de service supérieure à 120 bars et dont les tubulures sont agencées selon la configuration « end/end ». 20 A cet effet, l'invention propose une boîte collectrice pour un évaporateur d'un circuit de climatisation muni de tubes orientés selon une direction principale, la boîte collectrice comprenant un couvercle et une plaque de distribution, réalisés par découpage et emboutissage de tôles, et des tubulures d'entrée et de sortie de fluide 25 sensiblement perpendiculaire à la direction principale, caractérisé en ce que le couvercle et la plaque de distribution ont chacun une épaisseur de matière supérieure ou égale à 1 mm et comprennent chacun une portion des tubulures d'entrée et de sortie. 30 La boîte collectrice peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison. - Le couvercle est lui-même formé de deux plaques, à savoir une plaque intermédiaire et une plaque de couverture. L'invention est particulièrement avantageuse 35 dans ce mode de réalisation car la fabrication du couvercle par empilement de plaques découpées et embouties procure un couvercle résistant aux pressions élevées. 3025304 4 - La plaque intermédiaire est une tôle qui comprend, à l'une de ses extrémités, des découpes dans son épaisseur débouchant sur une extrémité de la plaque et permettant un passage de fluide dans l'épaisseur de la plaque intermédiaire. Ces découpes 5 optimisent le passage du réfrigérant au niveau de l'admission et du refoulement du fluide réfrigérant dans l'évaporateur. - La plaque intermédiaire comporte des passages traversants longitudinaux délimités par des parois dont l'extrémité comprend une portion des tubulures d'entrée 10 et de sortie et qui constituent des circuits de fluide dans la boîte collectrice. - La plaque de couverture comporte, à une extrémité du couvercle, des formes semi-cylindriques parallèles et les formes semi-cylindriques de la plaque de couverture se trouvent en regard respectivement des découpes de la plaque intermédiaire 15 réalisées dans son épaisseur et débouchant sur une extrémité de ladite plaque intermédiaire. Ces formes semi-cylindriques et ces découpes constituent des parties des tubulures d'entrée et de sortie de fluide qui sont particulièrement résistantes et présentent l'avantage d'être orientées dans la configuration « end/end ». 20 - La plaque de couverture comporte des bossages longitudinaux allant jusqu'au voisinage de son extrémité et les bossages longitudinaux de la plaque de couverture se trouvent respectivement en regard des passages traversants longitudinaux de la plaque intermédiaire. Bossages longitudinaux et passages traversant constituent des parties de circuits de fluide dans la boîte collectrice, particulièrement résistants à de hautes 25 pressions du fluide. - La plaque intermédiaire est fabriquée à partir de deux plaques superposée, chaque plaque superposée ayant de préférence une épaisseur d'au moins 1,5 m. On peut ainsi constituer une plaque intermédiaire d'épaisseur relativement importante tout 30 en bénéficiant des avantages de l'emboutissage et/ou du découpage de plaques d'épaisseur limitée. - Les tubulures d'entrée et de sortie sont chacune entourée par un embout qui parachève leurs constitution et contribue au moyen des plaques entre elles, au moins 35 jusqu'au brasage des plaques entre elles. 3025304 5 L'invention a également pour objet une boîte collectrice telle que décrite ci-dessus, adaptée pour résister à une pression supérieure à 350 bars, qui est une pression de test égale à trois fois la pression de service de l'échangeur. 5 L'invention a également pour objet un système de connexion d'un évaporateur d'un circuit de climatisation, comprenant une boîte collectrice telle que décrite ci-dessus et une plaque collectrice comprenant des moyens de sertissage d'un couvercle, ces moyens de sertissage s'étendant jusqu'aux tubulures d'entrée et de sortie de fluide. Ainsi, grâce aux moyens de sertissage s'étendant jusqu'à l'extrémité de la zone de 10 connexion, on rigidifie cette zone sensible à la haute pression. Dans un mode de réalisation avantageux, la plaque collectrice comprend des dégagements pour laisser passer des formes semi-cylindriques de la plaque de distribution. 15 Enfin, l'invention a pour objet un échangeur de chaleur muni d'une boîte collectrice telle que décrite ci-dessus. L'invention sera mieux comprise à la lecture des figures annexées, qui sont fournies 20 à titre d'exemples et ne présentent aucun caractère limitatif, dans lesquelles ; - la figure 1 est une vue en perspective éclatée d'une boîte collectrice selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective de la boîte collectrice de la figure 1. 25 En référence à la figure 1, on a représenté une boîte collectrice 1 selon l'invention, destinée à être montée sur un circuit de refroidissement d'un échangeur de chaleur de type évaporateur d'un circuit de climatisation. L'évaporateur est parcouru par un fluide réfrigérant à l'état super critique, tel que le dioxyde de carbone (002), dont la pression 30 peut atteindre des valeurs supérieures à 150 bars. L'évaporateur (non représenté) comprend des tubes parallèles (non représentés), orientés selon une direction principale que l'on désignera direction verticale, car c'est souvent selon la direction verticale que s'étendent de tels tubes lorsque l'évaporateur 35 est en position normale d'utilisation. 3025304 6 La boîte collectrice 1 comprend notamment un couvercle 3 et une plaque de distribution 5, réalisés par emboutissage de tôles d'aluminium. La plaque de distribution 5 est issue d'une tôle en aluminium emboutie, dont 5 l'épaisseur est comprise entre 1 et 1,5 mm. Le couvercle 3 est lui-même formé de deux plaques, à savoir une plaque intermédiaire 7 et une plaque de couverture 9, toutes deux obtenues par emboutissage de tôles dont l'épaisseur est comprise entre 1 et 1,5 mm. 10 La plaque intermédiaire 7 en aluminium est obtenue par découpage d'une tôle d'aluminium et comprend, à l'une de ses extrémités, deux découpes permettant un passage optimisé du réfrigérant au niveau de l'admission et du refoulement du fluide réfrigérant dans l'évaporateur. Ces découpes vont être détaillées dans la suite de la 15 description. En plus de ces composants, la boîte collectrice comporte aussi une plaque collectrice 11 qui est aussi obtenue par emboutissage d'une tôle d'aluminium dont l'épaisseur est comprise entre 1 et 1,5 mm. L'épaisseur de la tôle constituant chaque pièce est l'épaisseur de matière de cette pièce. Chacune de ces plaques présente une forme globalement rectangulaire. Le couvercle 3 peut être considéré comme un ensemble de deux moitiés séparées par le milieu 12 du couvercle. Chaque moitié longitudinale du couvercle comprend : 30 - sur la plaque de couverture 9 : quatre bossages longitudinaux 13 allant, dans l'exemple décrit et sans que cela ne soit limitatif, du milieu 12 du couvercle jusqu'au voisinage de son extrémité ; - sur la plaque intermédiaire 7 : quatre passages traversants longitudinaux 15 qui, dans l'exemple décrit et sans que cela ne soit limitatif, sont séparés par une 35 paroi transversale s'étendant sensiblement au droit du milieu 12 du couvercle. 20 25 3025304 7 Les bossages longitudinaux 13 se trouvent respectivement en regard des passages traversants longitudinaux 15. Sur une moitié du couvercle (celle située à gauche sur les figures), les passages 5 traversants longitudinaux 15 de la plaque intermédiaire 7 se rejoignent deux à deux au voisinage de l'extrémité du couvercle pour former deux passages traversants 17 ouverts sur l'extrémité de la plaque et constituant les deux découpes précitées. Ces découpes sont délimitées par des parois 18. 10 Sur cette même moitié du couvercle, la plaque de couverture 9 comporte, à l'extrémité du couvercle, deux formes semi-cylindriques parallèles 19. Chaque forme semi-cylindrique 19 se trouvant dans le prolongement de deux bossages 13 voisins. Les formes cylindriques 19 se trouvent en regard respectivement des passages 15 traversants ouverts 17, de sorte que le couvercle 3, une fois réunies la plaque intermédiaire 7 et la plaque de couverture 9, forme quatre circuits de fluide : deux par moitié de couvercle. Sur la moitié gauche du couvercle (par rapport aux figures), chaque circuit de fluide est en communication avec un des passages traversants 17 ouverts sur l'extrémité du couvercle. 20 Ainsi, le couvercle, formé de deux plaques, peut être considéré comme une pièce obtenue par découpage et emboutissage de tôles et comprenant, à l'une de ses extrémités, deux formes semi-cylindriques. 25 La plaque de distribution 5 comprend : - sur l'essentiel de sa demi-surface, par exemple à gauche par rapport aux figures, deux rangées 20a d'orifices oblongs destinés à se raccorder à des tubes parallèles et verticaux (verticaux par rapport à la figure, non représentés), comme cela est connu ; 30 - sur l'essentiel de son autre demi-surface, par exemple à droite par rapport aux figures, une unique rangée 20b d'orifices oblongs destinés à se raccorder à des tubes parallèles et verticaux (verticaux par rapport à la figure, non représentés) et ayant pour fonction de distribuer le fluide réfrigérant ; - à l'une de ses extrémités (gauche par rapport aux figures) deux formes semi- 35 cylindriques 21, symétriques à celles 19 de la plaque de couverture 9. 3025304 8 Les formes semi-cylindriques des plaques de couverture 9 et de distribution 5 forment des portions des tubulures, de même que les parois 18 de la plaque intermédiaire 7. 5 Ainsi, l'ensemble constitué par le couvercle 3 - lui même résultant de l'assemblage de la plaque de couverture 9 et de la plaque intermédiaire 7 - et la plaque de distribution 5 est une boîte collectrice comportant des tubulures d'entrée et de sortie formées par l'empilement des formes semi-cylindriques 19, 21 et des parois 18. 10 Ces tubulures sont sensiblement perpendiculaires à la direction verticale. Elles sont donc disposées selon une configuration « end/end ». Cette disposition des tubulures évite d'avoir à recourir à un bloc connecteur rapporté pour les utiliser sur la plupart des véhicules et permet, en raison de la solidité des tubulures résultant de leur constitution, de résister à de fortes pressions de service, compatibles avec l'utilisation de dioxyde de 15 carbone maintenu à l'état supercritique par une pression de 150 bars. Sur les tubulures ainsi obtenues, on rapporte ensuite des embouts 25. La plaque collectrice 11 est aussi obtenue par emboutissage d'une tôle d'aluminium 20 et comprend, comme cela est connu, une fonction de sertissage s'étendant jusqu'à l'extrémité de la zone de connexion, en permettant ainsi de rigidifier cette zone sensible à la haute pression. En outre, la plaque collectrice possède deux dégagements 23 prévus pour laisser 25 passer les formes semi-cylindriques 21 dépassant de la plaque de distribution 21. Ceci permet d'assurer la fonction de sertissage de la plaque collectrice jusqu'à l'extrémité des formes tubulaires. La plaque collectrice 11 possède par ailleurs des bords 27 constituant des moyens 30 de sertissage d'un couvercle (non représenté), qui s'étendent jusqu'aux dégagements 23, donc jusqu'aux tubulures d'entrée et de sortie de fluide de la boîte collectrice une fois celle-ci fabriquée, ce qui contribue à rigidifier la boîte dans cette zone particulièrement sensible. 35 L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier. 3025304 9 En particulier, la plaque intermédiaire 7 peut être fabriquée à partir de deux plaques superposée, chaque plaque superposée ayant de préférence une épaisseur d'au moins 1,5 mm. De plus, les nombres de plaques, tubulures, bossages, passages traversants, découpes et autres indications de quantités fournies dans l'exemple décrit ci-dessus n'ont rien de limitatif. 5 10 REVENDICATIONS1. Boîte collectrice pour un évaporateur d'un circuit de climatisation muni de tubes orientés selon une direction principale, la boîte collectrice comprenant un couvercle (3) et une plaque de distribution (5), réalisés par découpage et emboutissage de tôles, et des tubulures d'entrée et de sortie (18, 19, 21) de fluide sensiblement perpendiculaire à la direction principale, caractérisé en ce que le couvercle (3) et la plaque de distribution (5) ont chacun une épaisseur de matière supérieure ou égale à 1 mm et comprennent chacun une portion des tubulures d'entrée et de sortie (19, 21). 2. Boîte collectrice selon la revendication précédente, dans laquelle le couvercle (3) est lui-même formé de deux plaques, à savoir une plaque intermédiaire (7) et une plaque de couverture (9). 3. Boîte collectrice selon la revendication précédente, dans laquelle la plaque intermédiaire (7) est une tôle qui comprend, à l'une de ses extrémités, des découpes (17) dans son épaisseur débouchant sur une extrémité de la plaque intermédiaire (7) et permettant un passage de fluide dans l'épaisseur de la plaque intermédiaire (7). 4. Boîte collectrice selon la revendication 3, dans laquelle la plaque intermédiaire (7) comporte des passages traversants longitudinaux (15) délimités par des parois (18) dont l'extrémité comprend une portion des tubulures d'entrée et de sortie. 5. Boîte collectrice selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, dans laquelle la plaque de couverture (9) comporte, à une extrémité du couvercle, des formes semi-cylindriques (19) parallèles et les formes semi-cylindriques (19) de la plaque de couverture (9) se trouvent en regard respectivement des découpes (17) de la plaque intermédiaire (7) réalisées dans son épaisseur et débouchant sur une extrémité de ladite plaque intermédiaire (7). 6. Boîte collectrice selon les revendications 4 et 5, dans laquelle la plaque de couverture (9) comporte des bossages longitudinaux (13) allant jusqu'au voisinage de son extrémité et les bossages longitudinaux (13) de la plaque de couverture (9) se trouvent respectivement en regard des passages traversants longitudinaux (15) de la plaque intermédiaire (7). 3025304 11 7. Boîte collectrice selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la plaque intermédiaire (7) est fabriquée à partir de deux plaques superposée, chaque plaque superposée ayant de préférence une épaisseur d'au 5 moins 1,5 mm. 8. Boîte collectrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les tubulures d'entrée et de sortie sont chacune entourée par un embout (25). 10 9. Boîte collectrice selon l'une quelconque des revendications précédentes adaptée pour résister à une pression supérieure à 350 bars, égale à la pression de test qui est trois fois la pression de service. 15 10. Système de connexion d'un évaporateur d'un circuit de climatisation, comprenant une boîte collectrice selon l'une quelconque des revendications précédentes et une plaque collectrice (11) comprenant des moyens (27) de sertissage d'un couvercle, ces moyens de sertissage (27) s'étendant jusqu'aux tubulures d'entrée et de sortie de fluide (18, 19, 21). 20 11. Système de connexion selon la revendication précédente, dans lequel la plaque collectrice (11) comprend des dégagements (23) pour laisser passer des formes semi-cylindriques (21) de la plaque de distribution (5). 25 12. Echangeur de chaleur muni d'une boîte collectrice selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.