Brevet FR3034184A1 — publié le 20160930

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine des échangeurs thermiques et plus particulièrement le domaine des échan5 geurs de chaleurs pour les circuits de climatisation à cycle de fonctionnement transcritique. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION 10 Un circuit de climatisation à cycle de fonctionnement transcritique comprend un compresseur rotatif entraîné, via un embrayage, par un élément tournant du moteur du véhicule. En référence à la figure 1, ce compresseur 10 comprime un fluide frigoporteur et le dirige vers un refroi- 15 disseur de gaz 11 accolé à un ventilateur. Le ventilateur force un flux d'air au travers du refroidisseur de gaz 11 afin d'évacuer un maximum de calories du fluide comprimé. Le fluide frigoporteur est ensuite dirigé vers le circuit froid d'un échangeur interne 12 dans lequel le fluide fri- 20 goporteur cède encore de sa chaleur à une portion du circuit correspondant au circuit chaud de l'échangeur interne 12. Le fluide frigoporteur ainsi refroidi est ensuite dirigé vers un détendeur 13 qui détend le fluide frigoporteur et le dirige vers un évaporateur 14. L'évaporateur 14 est 25 lié à un circuit de refroidissement 15 dans lequel circule un fluide réfrigérant en échange thermique avec le fluide frigoporteur. Ce circuit de refroidissement comprend une pompe de circulation qui dirige le fluide vers un échangeur thermique fluide/air au travers duquel un ventilateur force 30 un flux d'air destiné à l'habitacle du véhicule. Le refroidisseur de gaz 11, l'échangeur interne 12 et l'évaporateur 14 sont des échangeurs thermiquesà faisceau de tubes. En référence à la figure 2, un tel échangeur thermiquecomprend une boîte collectrice 17.1 de distribution à laquelle sont 35 raccordées les premières extrémités des tubes du faisceau de tubes et une boîte collectrice 17.2 de réception à la- 3034184 2 quelle sont raccordées les deuxièmes extrémités des tubes du faisceau de tubes. Les boîtes collectrices 17.1 et 17.2 sont respectivement reliées à une entrée et une sortie de fluide frigoporteur du circuit de climatisation transcri- tique. A l'état transcritique, le fluide frigoporteur circule sous des pressions très élevées, de l'ordre de 100 à 150 bars. Une boîte collectrice pour un échangeur thermique à faisceau de tube pour fluide à l'état transcritique est 10 classiquement réalisée en aluminium et comprend un empilement successif des éléments suivants : - un premier élément définissant deux alvéoles de circulation d'un fluide frigoporteur ; - une plaque interne pourvue de fentes de passage 15 des tubes de l'échangeur ; - un deuxième élément en U dont la face inférieure comprend des fentes d'accueil des extrémités des tubes de l'échangeur. Afin de ne pas venir en contact avec le premier élément, les tubes comprennent un rétreint qui vient 20 en butée sur les bords des fentes d'accueil. Le premier élément, la plaque interne et le deuxième élément sont plaqués à l'aide d'un métal d'apport de brasage de type aluminium allié. Les ailes du deuxième élément longent les flancs du premier 25 élément et de la plaque interne et sont rabattues sur le premier élément. Deux boîtes collectrices ainsi obtenues sont alors assemblées sur les extrémités des tubes du faisceau et le tout est chauffé pour réaliser un assemblage par brasage. Les tubes sont généralement eux aussi revêtus d'un 30 métal de brasage. La fabrication d'une boîte collectrice de ce type requiert des pièces nombreuses et qui doivent faire l'objet de plusieurs opérations de formage et d'usinage, notamment pour assurer un parfait contact entre les surfaces à joindre par 35 brasage. Enfin, il est nécessaire de pratiquer un rétreint sur les tubes afin d'assurer leur positionnement longitudi- 3034184 3 nal par rapport aux boîtes collectrices. Enfin une telle boîte collectrice est volumineuse ce qui réduit, pour un encombrement d'échangeur donné, la surface d'échange thermique des tubes du faisceau avec le milieu qu'ils traver- 5 sent. OBJET DE L'INVENTION Un but de l'invention est de réduire les coûts de 10 fabrication d'un échangeur thermique pour circuit de refroidissement à fonctionnement transcritique. RESUME DE L'INVENTION 15 A cet effet, on prévoit une boîte collectrice pour échangeur thermique à faisceau de tubes comprenant : - un premier élément embouti définissant au moins une alvéole de circulation d'un fluide de refroidissement à l'état transcritique ; 20 - un deuxième élément embouti comprenant au moins un perçage de réception d'une extrémité d'un tube de circulation du fluide de refroidissement. Selon l'invention, les premier et deuxième éléments comprennent respectivement une première face d'assemblage et une deuxième face 25 d'assemblage parallèle entre elles et entre lesquelles s'étend une plaque venant au contact de chacune des faces d'assemblage. Les premier et deuxième éléments sont reliés à la plaque par une brasure. Le nombre de pièces nécessaire à la réalisation 30 d'une boîte collectrice est réduit ce qui permet une production plus rapide et plus économique. En outre, l'utilisation d'éléments emboutis et non usinés permet de réduire les coûts de fabrication de la boîte collectrice. Avantageusement, le premier élément comprend au 35 moins une surface formant butée pour l'extrémité du tube de circulation du fluide de refroidissement. Ceci permet de 3034184 4 supprimer l'opération de retreint du tube et réduit encore les coûts de fabrication de la boîte collectrice. L'invention concerne également un échangeur thermique comprenant au moins une boîte collectrice selon 5 l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limitatifs de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Il sera fait référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un circuit de climatisation à fonctionnement transcritique de l'art antérieur ; - la figure 2 est une représentation schématique d'un échangeur thermique de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en perspective partielle- ment écorchée d'un échangeur thermique selon l'invention ; - la figure 4 est une vue éclatée en perspective d'une boîte collectrice de l'échangeur thermique de la figure 3 ; - la figure 5 est une vue en coupe transversale suivant un plan V-V de la boîte collectrice de la figure 4 ; - la figure 6 est une vue en coupe transversale suivant un plan VI-VI de la boîte collectrice de la figure 4. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence à la figure 3, l'échangeur thermique 35 20 pour circuit de climatisation à fonctionnement transcritique comprend un faisceau de six tubes 21 de circulation 3034184 5 d'un fluide de refroidissement 25. Chaque tube 21 a, ici, une section rectangulaire et s'étend entre une boîte collectrice 22 de distribution et une boîte collectrice de réception. Les boîtes collectrices 22 et 23 sont identiques 5 et sont respectivement reliées à une entrée 24 et une sor- tie 26 de fluide de refroidissement 25 (non représentées). Les tubes rectangulaires 21 définissent des surfaces d'échange thermique entre le fluide de refroidissement 25 en circulation dans l'échangeur et le milieu extérieur 27. 10 Dans un mode de réalisation non représenté, il est possible de prévoir des tubes munis de perturbateurs/turbulateurs pour le fluide circulant à l'intérieur de ces derniers. La boîte collectrice va maintenant être décrite en détail en référence aux figures 4 à 6. La boîte 23 com15 prend : - un premier élément 30 définissant quatre alvéoles 31.1 à 31.4 hémicylindriques de circulation du fluide 25 ; - un deuxième élément 32 comprenant six perçages 33.1 à 33.6 destinés à recevoir chacun une extrémité 21.1 20 d'un tube 21 ; - une plaque de brasage 50 emboutie comprenant six perforations 51 à 56 de passage de l'extrémité 21.1 d'un tube 21. Le premier élément 30 est réalisé à partir d'une 25 préforme 70 obtenue par emboutissage d'une tôle d'aluminium d'environ trois millimètres d'épaisseur. La préforme 70 comprend des parois 34, 35, 36 et 37 respectives des quatre alvéoles 31.1 à 31.4 du premier élément 30. La jonction des parois 34 et 35 des alvéoles 31.1 et 31.2 adjacentes forme 30 une portion 38 plane de jonction entre ces deux alvéoles 31.1 et 31.2. Des portions 39 et 40 planes identiques sont respectivement formées par la jonction des parois 35-36 et 36-37. Comme visible en figure 4, les portions planes 38, 39 et 40 sont fractionnées en une pluralité de surfaces planes par des décaissés 41.1 à 41.6 réalisés dans le premier élément et destinés à s'étendre dans la continuité des 3034184 6 perçages 33.1 à 33.6 du deuxième élément 32. Les portions planes 38, 39 et 40 ainsi que les extrémités libres des parois 34 et 37 des alvéoles 31.1 et 31.4 forment une face d'assemblage 42 du premier élément 30. 5 Le premier élément 30 comprend également deux rai- nures 43 et 44 s'étendant sensiblement perpendiculairement aux alvéoles 31.1 à 31.4 et situées aux extrémités de celles-ci. Des perçages 45.1 à 45.4 réalisés respectivement dans les parois 34 à 37 relient les alvéoles 31.1 à 31.4 à 10 l'entrée 24 du fluide de refroidissement 25. Le deuxième élément 32 est réalisé à partir d'une préforme 70 emboutie identique à celle du premier élément 30. Les éléments du deuxième élément 32 identiques ou analogues à ceux du premier élément 30 porteront une référence 15 augmentée d'une centaine lorsqu'ils se rapportent au deuxième élément 32. Le deuxième élément 32 diffère du premier élément 30 en ce que les parois 134, 135, 136 et 137 sont dépourvues de perçages 45.1 à 45.4 et comprennent six perçages 33.1 à 33.6 qui s'étendent sensiblement perpendicu- 20 lairement aux alvéoles 131.1 à 131.4 du deuxième élément 32. Le deuxième élément 32 comprend ainsi des alvéoles 131.1 à 131.4 et des portions 138, 139 et 140 planes de jonction. Les portions 138, 139 et 140 ainsi que les extrémités libres des parois 134 et 137 des alvéoles 131.1 et 25 131.4 forment une deuxième face d'assemblage 142 du deuxième élément 32. Le deuxième élément 32 comprend également deux rainures 143 et 144 s'étendant sensiblement perpendiculairement aux alvéoles 131.1 à 131.4 et situées aux extrémités de celles-ci. 30 La plaque de brasage 50 est en aluminium et a reçu un plaquage de métal d'apport de brasage en alliage d'aluminium enrichi en silicium sur toutes ses faces. Les extrémités 57 et 58 de la plaque de brasage 50 comprennent respectivement un perçage 59 et 60 longeant respectivement 35 les perforations 51 et 56. L'assemblage de la boîte collectrice est réalisé en 3034184 7 présentant le premier élément et le deuxième élément de manière à ce que les faces d'assemblage 42 et 142 soient parallèles et en regard l'une de l'autre. Deux obturateurs parallélépipédiques 61 et 62 des extrémités de la boîte 23 5 sont respectivement placés dans les rainures 143 et 144 desquelles ils viennent partiellement en saillie. La plaque de brasage 50 est ensuite présentée de manière à ce que les obturateurs 61 et 62 s'engagent dans les perforations 59 et 60. La plaque de brasage 50 est alors amenée au contact de 10 la face d'assemblage 142 du deuxième élément 32. Enfin le premier élément 30 est déplacé de manière à ce que les portions en saillie des obturateurs 61 et 62 s'engagent dans les rainures 43 et 44 jusqu'à ce que la face d'assemblage 42 du premier élément vienne en contact de la plaque de 15 brasage 50. La boîte collectrice de réception ainsi obtenue peut être alors utilisée comme élément préfabriqué dans la réalisation d'un échangeur thermique 20. Les extrémités 21.1 des six tubes 21 sont alors engagées dans les perçages 20 33.1 à 33.6 de la boîte collectrice. Comme visible en fi- gure 5, les extrémités 21.1 des tubes 21 viennent respectivement en butée contre des portions 43.1 à 43.6 de la surface d'assemblage 42 s'étendant en périphérie des décaissés 41.1 à 41.6. Une boîte collectrice 22 de distribution iden- 25 tique à la boîte collectrice de réception décrite auparavant reçoit alors les extrémités 21.2 des tubes 21. L'ensemble constitué des tubes 21 et des boîtes collectrices 22 et 23 est ensuite placé dans un four à environ 600°C. Le plaquage d'apport de brasage recouvrant la plaque 30 de brasage 50 fond et vient, par capillarité s'introduire entre les surfaces en contact du premier élément 30, du deuxième élément 32, des tubes 21, de la plaque de brasage 50 et des obturateurs 61 et 62. Une fois l'ensemble refroidi, ces éléments sont reliés ensemble par une brasure. La 35 plaque de brasage 50 permet d'assurer une bonne diffusion du métal de brasage à l'interface de la plaque de brasage 3034184 8 50 et des faces d'assemblage 42 et 142, particulièrement au niveau des portions de jonction 38, 39, 40 et 138, 139 et 140 assurant des jonctions brasées étanches. Un tel échangeur est idéalement utilisé dans un circuit de climatisa- 5 tion à fonctionnement transcritique. Selon un mode de réalisation particulier, il est possible de revêtir d'un plaquage de métal d'apport de brasage tout ou partie des surfaces extérieures et/ou intérieures d'une ou plusieurs des pièces suivantes : 10 - premier élément 30 ; - deuxième élément 32 ; - obturateurs 61 et/ou 62 ; - tubes 21. Un tel plaquage apporte un supplément de métal 15 d'apport et améliore la diffusion du métal d'apport entre les pièces, permettant une amélioration de la fiabilité du procédé d'assemblage et des qualités mécaniques des brasures. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux 20 modes de réalisation décrits mais englobe toute la variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier : - bien qu'ici le premier élément définisse quatre 25 alvéoles hémicylindriques de circulation du fluide, l'invention s'applique également à un premier élément définissant un nombre différent d'alvéoles comme par exemple une, deux trois ou plus de quatre. Les alvéoles peuvent également avoir une forme différente comme par exemple une 30 section droite, une section triangulaire ou une section quelconque ; - bien qu'ici le premier élément et le deuxième élément soient réalisés à partir d'une préforme obtenue par emboutissage d'une tôle d'aluminium d'environ trois milli- 35 mètres d'épaisseur, l'invention s'applique également à des préformes obtenues à partir de tôles d'épaisseur diffé- 3034184 9 rente, comme par exemple des tôles de moins de trois millimètres ou de plus de trois millimètres d'épaisseur; - bien qu'ici la plaque de brasage soit emboutie, l'invention s'applique également à d'autres modes de réali5 sation de cette plaque de brasage comme par exemple l'oxycoupage ou l'usinage ; - bien qu'ici, les brasures soient réalisées à l'aide d'un métal d'apport en alliage d'aluminium enrichi en silicium, l'invention s'applique également à d'autres 10 types de brasures comme par exemple des brasures au zinc, à l'argent ou tout autre alliage ; - bien qu'ici la plaque de brasage ait un plaquage en métal d'apport sur toutes ses faces, l'invention s'applique également à une plaque de brasage dont seule une 15 partie des faces est recouverte de métal d'apport, comme par exemple les seules faces en contact avec les surfaces d'assemblage; - bien qu'ici la plaque de brasage comprenne des perforations de passage des extrémités des tube de circula- 20 tion de fluide, l'invention s'applique également à une plaque de brasage comprenant des perforations destinées à accueillir les tubes -c'est-à-dire en contact périphérique avec ceux-ci- ou sur lesquels les extrémités des tubes viennent en butée ; 25 - bien qu'ici, les tubes du faisceau de tubes soient de section rectangulaire et au nombre de six, l'invention s'applique également à des tubes de forme quelconque et/ou en nombre différents, comme par exemple des tubes crénelés ou de section circulaire ; 30 - bien qu'ici les obturateurs de la boîte collec- trice soient des éléments séparés parallélépipédiques, l'invention s'applique également à des obturateurs solidaires des éléments comme par exemple des rabats réalisés dans la préforme ainsi qu'à d'autres formes d'obturateurs ; 35 - bien qu'ici les éléments de la boîte collectrice soient tous en aluminium, l'invention s'applique également 3034184 10 à une boîte comprenant des éléments en matériau différents comme par exemple du cuivre, de l'acier, du zinc, du fer ou du laiton, du bronze ou du plomb. 5 REVENDICATIONS1. Boîte collectrice (22) pour échangeur thermique (20) à faisceau de tubes (21) comprenant : - un premier élément (30) embouti définissant au moins une alvéole (31.1, 31.2, 31.3, 31.4) de circulation d'un fluide de refroidissement (25) à l'état transcritique ; - un deuxième élément (32) embouti comprenant au 10 moins un perçage (33.1, 33.2, 33.3, 33.4, 33.5, 33.6) de réception d'une extrémité (21.1, 21.2) d'un tube (21) de circulation du fluide de refroidissement (25) ; les premier et deuxième éléments (30, 32) comprenant respectivement une première face (42) d'assemblage et 15 une deuxième face (142) d'assemblage parallèles entre elles et entre lesquelles s'étend une plaque (50) venant au contact de chacune des faces d'assemblage, les premier et deuxième éléments (30, 32) étant reliés à la plaque (50) par une brasure. 20 2. Boîte (22,23) selon la revendication 1, dans la- quelle au moins une alvéole (31.1, 31.2, 31.3, 31.4) de circulation du fluide de refroidissement (25) est de forme sensiblement hémicylindrique. 3. Boîte (22,23) selon la revendication 1 ou 2, 25 dans laquelle les premier et deuxième éléments (30, 32) sont réalisés à partir d'une même préforme (70) emboutie. 4. Boîte (22,23) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le premier élément (30) définit au moins deux alvéoles (31.1, 31.2, 31.3, 31.4) adjacentes 30 et la première surface d'assemblage (42) comprend au moins une portion plane (38, 39, 40) de jonction des parois (34, 35, 36, 37, 34, 135, 136, 137) formant ces deux alvéoles (31.1, 31.2, 31.3, 31.4), la deuxième surface d'assemblage (142) comprenant une portion plane (138, 139, 140) de jonc- 35 tion correspondante. 5. Boîte (22,23) selon l'une des revendications 3034184 12 précédentes, dans laquelle la plaque (50) comprend au moins une perforation (51, 52, 53, 54, 55, 56) de passage de l'extrémité d'un tube (21) de circulation de fluide de refroidissement (25). 5 6. Boîte (22,23) selon l'une des revendications précédentes, comprenant au moins un obturateur (61, 62) d'une extrémité (21.1) de la boîte (22, 23) engagé dans une rainure (43, 44, 143, 144) d'au moins un des éléments (30, 32). 7. Boîte (22,23) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le premier élément (30) comprend au moins une surface (43.1) formant butée pour l'extrémité (21.1) du tube (21) de circulation du fluide de refroidissement (25). 8. Boîte (22,23) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le premier élément (30) et le deuxième élément (32) sont en aluminium. 9. Boîte (22,23) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la plaque (50) est en aluminium et dont les faces en contact avec les première et deuxième faces d'assemblage (42, 142) sont recouvertes du métal de brasage. 10. Echangeur thermique (20) comprenant au moins une boîte (22,23) selon l'une quelconque des revendications 25 précédentes.