Brevet FR3056728A1 — publié le 20180330

Boîte collectrice de fluide pour échangeur de chaleur, échangeur de chaleur associé. La présente demande concerne une boîte collectrice de fluide pour un échangeur de chaleur, ainsi qu'un échangeur de chaleur équipé d'un tel dispositif, et plus particulièrement dans des applications à des dispositifs de chauffage, de ventilation et/ou de climatisation. Plusieurs types d'échangeurs de chaleur existent, leurs rôles étant systématiquement de mettre à proximité un premier fluide et un deuxième fluide à différentes pressions et températures, que ce soit à des fins de réaliser un réchauffement de l'air amené à être soufflé dans l'habitacle, ou bien par exemple un refroidissement d'un fluide moteur. Certains de ces échangeurs de chaleur comprennent une pluralité de tubes permettant un échange d'énergie thermique entre un fluide s'écoulant à l'intérieur des tubes et un fluide s'écoulant entre les tubes. Les tubes sont connectés à des boîtes collectrices dont la fonction est respectivement de distribuer ou de recueillir le fluide aux extrémités des tubes, selon que la boîte soit en amont ou en aval de l'échangeur de chaleur. Chaque boîte collectrice est connectée fluidiquement à une boucle de thermique par l'intermédiaire d'une ou plusieurs ouvertures. Ainsi, de façon avantageuse, la boîte collectrice permet de connecter fluidiquement tous les tubes en limitant le nombre de connexion au niveau de la boucle, ce qui permet notamment de limiter le risque de fuites. Les tubes sont agencés de sorte à être parallèles entre eux, afin de favoriser les échanges thermiques avec leur environnement tout en optimisant leur encombrement. Cela implique que les ouvertures présentes dans le fond de la boîte collectrice, vouées à communiquer fluidiquement avec les tubes, soient également alignées. Cela a pour inconvénient d'imposer au fluide de se diffuser tout le long de la boîte pour assurer l'alimentation de tous les tubes. Cet écoulement divergent du liquide dans la boîte collectrice amont impose au fluide un écoulement turbulent, entraînant une perte de charges lors de son passage dans la boîte collectrice. On comprend que le même phénomène de perte de charge se produit lorsque le fluide traverse la boîte collectrice 3056728 -2- avale, en raison de son écoulement convergent vers l'ouverture reliée à la boucle thermique du dispositif de chauffage, de ventilation et/ou de climatisation. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients, en proposant une boîte collectrice de fluide pour un échangeur thermique limitant le phénomène de perte de 5 charges d'un fluide traversant la boîte. Dans ce contexte, la présente invention propose une boîte collectrice de fluide pour un échangeur de chaleur, notamment dans un dispositif de chauffage, de climatisation et/ou de ventilation de véhicule automobile, comprenant un réceptacle délimité par au moins une paroi latérale et une paroi de fond comportant plusieurs 10 premières ouvertures sensiblement alignées selon une direction d'allongement de la boite. Autrement dit, une boîte selon l'invention comprend un fond et au moins une paroi latérale, de préférence sensiblement normale audit fond, de manière à recueillir au niveau dudit fond, un fluide réfrigérant ou caloporteur selon les besoins de l'échangeur thermique, ledit fluide étant apte à traverser la paroi de fond par l'intermédiaire des 15 premières ouvertures. Afin de stocker de façon provisoire le fluide dans la boîte, le réceptacle est fermé par un couvercle comportant au moins une deuxième ouverture, pour la réception d'un conduit d'alimentation apte à être connecté à la boîte pour communiquer fluidiquement avec le réceptacle et plus en aval l'échangeur thermique. 20 L'invention se caractérise en ce qu'au moins une deuxième ouverture du couvercle a une forme allongée sensiblement selon la direction d'allongement, et en ce que cette deuxième ouverture est agencée en vis-à-vis de plusieurs premières ouvertures. Ainsi, on étend la surface d'entrée du fluide dans le réceptacle et on étale la distribution de ce fluide, de sorte que l'on permet un écoulement sensiblement linéaire 25 de ce fluide à travers la boite collectrice, entre une deuxième ouverture et plusieurs premières ouvertures, et que l'on limite ainsi au niveau du fluide le phénomène de perte de charges décrit ci-dessus. Par les termes « forme allongée », on entend une ouverture comprenant au moins deux dimensions de valeurs différentes, dont la plus grande dimension définit la 30 direction de cette forme allongée. Selon plusieurs caractéristiques, prises seules ou en combinaison, relatives aux dimensions et à la forme de cette deuxième ouverture, on pourra prévoir que : 3056728 -3- - la plus grande dimension de cette deuxième ouverture est supérieure à la somme de la dimension d'une première ouverture selon la direction d'allongement et de la distance séparant deux premières ouvertures successives ; ainsi, la deuxième ouverture est au moins partiellement en vis-à-vis de deux premières ouvertures quelle que soit sa 5 position le long de la direction d'allongement, et le fluide peut s'écouler de façon linéaire entre cette deuxième ouverture et ces au moins deux premières ouvertures ; - la deuxième ouverture est disposée en vis-à-vis d'au moins trois premières ouvertures ; - la deuxième ouverture se caractérise par un rapport entre sa plus grande et sa 10 plus petite dimension, au moins supérieur à 1,5 ; on comprend que les dimensions de la deuxième ouverture peuvent être adaptées en fonction des dimensions et du nombre de premières ouvertures que l'on souhaite être en vis-à-vis de la deuxième ouverture. Par les termes « en vis-à-vis », on entend une deuxième ouverture laissant apparaitre plusieurs premières ouvertures lorsque l'on observe l'intérieur de la boite collectrice au- 15 dessus du couvercle, cet agencement en vis-à-vis permettant un écoulement linéaire ou sensiblement linéaire d'un fluide entre lesdites ouvertures, - la deuxième ouverture présente avantageusement une forme oblongue ou une forme rectangulaire, et l'on peut prévoir de façon similaire que les premières ouvertures aient également une forme allongée, oblongue ou rectangulaire, dès lors que la 20 deuxième ouverture présente une dimension selon la direction d'allongement suffisamment grande pour couvrir une pluralité de premières ouvertures. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, la boîte collectrice peut comporter un fût agencé sur la face extérieure du couvercle de sorte à entourer la deuxième ouverture, afin de faciliter l'ajustement d'un conduit sur cette deuxième ouverture. En 25 d'autres termes, le fût permet de faciliter le montage d'un conduit d'alimentation de fluide sur le couvercle en jouant le rôle de guide. Ce fût pourra dans ce contexte présenter une hauteur comprise entre 0,8mm et 1,2mm. Par le terme « hauteur », on entend une dimension du fût selon un axe normal ou sensiblement normal à la face externe du couvercle. 30 Selon une autre série de caractéristiques, on pourra prévoir que l'extrémité libre d'au moins une paroi latérale et le couvercle sont déformés à froid pour réaliser la fixation du couvercle sur le réceptacle, et on pourra prévoir que le couvercle est serti sur 3056728 -4- le réceptacle par une ou plusieurs extrémités d'une ou de plusieurs parois latérales du réceptacle. La présente invention porte également sur un conduit connecté à une boîte collectrice décrite ci-dessus, comprenant un orifice de forme semblable à une deuxième 5 ouverture du couvercle, c'est-à-dire une forme allongée, notamment oblongue ou rectangulaire. Ce conduit peut comporter une collerette entourant la paroi délimitant l'orifice du conduit, de façon continue ou discontinue, la collerette étant agencée pour permettre le montage du conduit sur la boite, notamment par sertissage de la collerette avec au moins 10 une paroi latérale de la boite, simultanément avec le couvercle, et ceci afin que le conduit communique fluidiquement avec l'intérieur de la boîte collectrice via la deuxième ouverture. On peut ainsi prévoir qu'au moins une partie de la collerette est maintenue sur le couvercle par une ou plusieurs extrémités libres d'une paroi latérale du réceptacle. De 15 préférence, afin d'assurer un meilleur maintien, la collerette est maintenue sur le couvercle par les extrémités libres de deux parois latérales en vis-à-vis. Selon une caractéristique propre au conduit et à la collerette, celle-ci peut présenter une épaisseur de paroi supérieure à l'épaisseur de la paroi du conduit au voisinage de l'extrémité qu'elle prolonge sensiblement perpendiculairement, de manière 20 à assurer un meilleur maintien du conduit par la collerette. La présente demande concerne également un dispositif de chauffage, de ventilation et/ou de climatisation comprenant au moins un échangeur thermique alimenté en fluide par un conduit d'alimentation décrit ci-dessus et connecté à une boîte de collectrice décrite ci-dessus. A titre d'exemple, les premières ouvertures peuvent être 25 connectées à des tubes formant faisceau d'un échangeur thermique, et au moins une deuxième ouverture à ce conduit d'alimentation de l'échangeur thermique. Selon une caractéristique de ce dispositif de chauffage, de ventilation et/ou de climatisation, on pourra prévoir que les parois latérales déformées du réceptacle pour fixer le couvercle par rapport à la boite collectrice permettent également la fixation du 30 conduit, via sa collerette par rapport à cette même boite collectrice. 3056728 -5- Bien entendu, les caractéristiques, les variantes et les différentes formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres, selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. 5 Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus ainsi que d'autres, apparaîtrons plus clairement à la lecture ci-dessous de la description détaillée d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexés suivants : - la figure 1 est une vue en coupe verticale d'un mode de réalisation d'une boîte 10 collectrice selon l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique de dessus de la boite collectrice illustré sur la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en coupe selon le plan de coupe III-III illustré sur la figure 1; et 15 - la figure 4 est une vue en perspective d'un mode de réalisation du conduit d'alimentation apte à coopérer avec la boite collectrice et visible sur les figure 1 et 2. Une boîte collectrice 1 selon l'invention comprend au moins un réceptacle 2 20 délimité par une paroi de fond 4 et deux parois latérales 6 prolongeant sensiblement perpendiculairement deux bords opposés de cette paroi de fond, de sorte à former une cavité sensiblement en forme de U. Afin de contenir un fluide dans la boîte collectrice, celle-ci comprend également un couvercle 8 amené à être disposé sensiblement parallèlement à la paroi de fond et qui sera décrit plus en détails ci-après, et deux parois 25 d'extrémité 10 qui s'étendent transversalement aux parois de fond et latérales. La boîte collectrice est raccordée, au sein d'une boucle thermique, dans un dispositif de chauffage, ventilation et/ou climatisation, via des tuyaux de raccordement rendus solidaires d'éléments de connexion portés par cette boîte, et notamment via un conduit d'alimentation 12 d'un premier fluide tel qu'illustré sur la figure 4 et qui sera détaillé 30 plus en détails ci-après. Dans le cadre de l'application de la boîte collectrice à un échangeur de chaleur, un premier fluide est amené par le conduit d'alimentation 12 en amont de la boîte 3056728 -6- collectrice, pour être déversé dans le réceptacle 2 qui forme une chambre de répartition de ce fluide. Le fluide est ensuite réparti entre différents tubes d'échange 14 permettant, dans une chambre d'échange thermique non représentée, de faciliter l'échange thermique avec un deuxième fluide circulant le long de ces tubes d'échanges. On 5 comprend que dans ce contexte, le réceptacle est réalisé à partir de matériaux étanches au fluide qu'il doit accueillir De même, les épaisseurs des parois de fond et latérales sont choisies de manière à résister à la pression du fluide présent dans la boîte. La boîte collectrice 1 peut comporter une pluralité de réceptacles 2 alignés dans la direction d'allongement de la boîte, correspondant à l'axe A-A visible sur les figures 2 10 et 3, chaque réceptacle 2 étant fermé transversalement par des parois d'extrémité 16, qui peuvent prendre la forme d'une paroi de fermeture transversale de la boîte pour les réceptacles agencés aux extrémités de cette boîte, ou la forme d'une paroi de séparation transversale (tel que visible sur la figure 1) entre deux réceptacles consécutifs. Le couvercle 8 ferme le réceptacle 2 au niveau des extrémités libres des parois 15 latérales 6, c'est-à-dire les extrémités opposées à la paroi de fond 4. Le couvercle peut être réalisé à partir des mêmes matériaux que les parois latérales et la paroi de fond de la boîte, comme par exemple à partir de métal ou d'un composé à base de polymères. Le couvercle 8 est fixé sur les parois latérales 6 par une technique connue d'assemblage de tôles par déformation à froid, à savoir ici par un sertissage des parois 20 latérales avec le couvercle. Afin de faciliter ces opérations, le couvercle peut reposer sur des pattes 18 agencées en saillie des parois latérales vers l'intérieur du réceptacle. Selon l'invention, il convient de noter que l'opération de déformation à froid permettant de solidariser le couvercle 8 aux parois latérales 6 permet en outre la fixation du conduit d'alimentation 12 du premier fluide à la boîte collectrice 1, tel que cela sera détaillé ci- 25 après. La boîte collectrice présente une pluralité d'ouvertures pour permettre la fixation de tubes permettant la circulation de fluide à travers le ou les réceptacles 2. Ces ouvertures consistent en, d'une part, des premières ouvertures 20 traversant la paroi de fond 4 du réceptacle 2 pour permettent à un fluide de sortir de la boîte collectrice et une 30 deuxième ouverture 22 réalisée dans le couvercle pour permettre le passage d'un fluide de l'extérieur vers l'intérieur de la boîte, cette deuxième ouverture 22 présentant selon 3056728 -7- l'invention une forme spécifique, ici oblongue, afin d'être en vis-à-vis d'une pluralité de premières ouvertures 20, qui sont ici de forme circulaire. Notamment, on caractérisera la forme allongée de la deuxième ouverture par un rapport, entre sa plus grande et sa plus petite dimension, au moins supérieur à 1,5. Tel 5 que cela vient d'être précisé, cela permet d'aménager une deuxième ouverture 22, par laquelle le premier fluide pénètre dans le réceptacle, en regard d'une pluralité de premières ouvertures 20, par lesquelles le premier fluide quitte le réceptacle. Le flux du premier fluide à travers le réceptacle est ainsi sujet à moins de perturbations et subit moins de pertes de charge. 10 Les premières et deuxième ouvertures sont alignées selon un même axe A-A visible sur la figure 3 et la deuxième ouverture de forme oblongue 22 est agencée de sorte que sa plus grande dimension, ou longueur, soit confondue avec l'axe A-A. Par ailleurs, la largeur de la deuxième ouverture 22 est égale ou supérieure au diamètre des premières ouvertures 20, ou au diamètre de la plus grande des premières ouvertures si 15 celles-ci présentent des dimensions différentes, de sorte que la totalité de la pluralité des premières ouvertures 20 en vis-à-vis de la deuxième ouverture 22 est directement accessible depuis cette deuxième ouverture 22. En d'autres termes, la pluralité des premières ouvertures 20 en vis-à-vis de la deuxième ouverture 22, ici au nombre de trois (visibles sur la figure 4), est inscrit dans un volume s'étendant du couvercle à la paroi de 20 fond, perpendiculairement au couvercle et/ou à la paroi de fond, et ayant pour section la forme oblongue de la deuxième ouverture. On comprend que les dimensions de la deuxième ouverture 22 dépendent des dimensions des premières ouvertures 20 et de leur espacement. Selon le présent exemple, les premières ouvertures 20 ont un diamètre de 5 mm et sont espacées entre elles, le long de l'axe A-A, de 3 mm, tandis que la 25 longueur et la largeur de la deuxième ouverture 22 sont respectivement égales ou supérieures à 25mm et lOmm. Dans ce contexte de l'invention, où la forme allongée de la deuxième ouverture 22 permet de recouvrir une pluralité de premières ouvertures 20, on comprend que le premier fluide pénétrant dans la chambre de répartition que forme la boîte collectrice 30 peut être évacué via les premières ouvertures 20 avec un écoulement majoritairement linéaire, c'est-à-dire avec un minimum de perturbation du flux (le flux indirect étant 3056728 -8- représenté par les deux flèches Fi courbées aux extrémités du flux direct Fi visible sur la figure 1). On comprend que cette caractéristique peut être obtenue avec une pluralité de formes, comme des formes oblongues, rectangulaires, dès lors que la dimension selon la 5 direction d'allongement de la boîte permet le recouvrement de plusieurs premières ouvertures par la deuxième ouverture. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le couvercle 8 comporte sur sa face supérieure, tournée à l'opposé du réceptacle, un fût 24 positionné autour de la deuxième ouverture 22. On comprend donc que le fût présente lui aussi une forme 10 allongée selon la direction d'allongement A-A de la boite collectrice, et ici une forme oblongue, tel que cela est particulièrement visible sur la figure 3. On va maintenant décrire le conduit d'alimentation 12 connecté à une boîte collectrice 1 décrite ci-dessus, particulier en ce qu'il présente à son extrémité proximale 26, c'est-à-dire l'extrémité amenée à être rendue solidaire de la boite collectrice, une 15 ouverture de forme semblable à une deuxième ouverture du couvercle, c'est-à-dire de forme allongée, ici oblongue. Par ailleurs, ce conduit présente, toujours à cette extrémité proximale 26, une collerette 28, prolongeant sensiblement perpendiculairement la paroi du conduit à cette extrémité proximale, et entourant l'ouverture du conduit. Cette collerette, ici continue, 20 mais qui pourrait être discontinue sans sortir du contexte de l'invention, est agencée pour permettre le sertissage du conduit sur le couvercle lors de l'opération de sertissage du couvercle sur la boîte collectrice. Ainsi fixé, le conduit communique fluidiquement avec la chambre de répartition via la deuxième ouverture 22 de la boîte collectrice. On a représenté de façon schématique sur la figure 3 le recouvrement de la 25 collerette 28 par deux bords rabattus 30, de manière à l'emprisonner entre la face supérieure du couvercle et les bords rabattus 30 des parois latérales 6 de la boite. Cette opération de déformation de matière à froid pour boquer en position la collerette 28 et donc le conduit d'alimentation 12 par rapport à la boite collectrice 1 est réalisée lorsque le conduit 12 est parfaitement en place en regard de la deuxième 30 ouverture 22. Le fût 24 permet d'aligner l'ouverture aménagée à l'extrémité proximale 26 du conduit 12 avec la deuxième ouverture 22, par emmanchement, ou au moins par guidage du conduit autour du fût. 3056728 -9- On pourra prévoir que l'épaisseur de la collerette 28 est supérieure à l'épaisseur du conduit, au moins dans la zone d'extrémité proximale que la collerette prolonge sensiblement perpendiculairement. On comprend que cela permet d'assurer un meilleur maintien du conduit sur la boîte collectrice via la sur épaisseur de la collerette, sans que 5 l'ensemble du conduit soit surdimensionné, ce qui évite un surcoût et un surpoids. On pourrait prévoir que seule une extrémité libre d'une paroi latérale est déformée pour venir recouvrir la collerette lorsque le conduit d'alimentation est en position, mais dans le mode de réalisation préféré, afin d'assurer un meilleur maintien, la collerette est maintenue sur le couvercle par les extrémités de deux parois latérales en vis-à-vis. 10 La description qui précède explique clairement comment l'invention permet d'atteindre les objectifs qu'elle s'est fixés et notamment de proposer une boite collectrice dans un dispositif de ventilation, chauffage et/ou climatisation qui soit particulièrement facile à monter et qui permette une distribution du fluide à travers la boîte collectrice minimisant les pertes de charge. Il est particulièrement intéressant 15 selon l'invention que la deuxième ouverture réalisée sur le couvercle du collecteur, pour coopérer avec un tuyau d'alimentation et faciliter le passage du fluide à travers une chambre de répartition de la boite collectrice en direction d'une pluralité de tubes, soit de dimensions spécifiques pour être en vis-à-vis d'une pluralité de ces tubes, afin d'augmenter la linéarité d'écoulement de ce fluide et de diminuer les pertes de charge 20 qui résulteraient d'un écoulement linéaire. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier aux structures de la boite collectrice et du conduit associé, dès lors que l'on permet d'assurer un écoulement du fluide linéaire par la mise en regard d'une pluralité de tubes d'évacuation d'un fluide en aval d'une chambre de répartition avec un conduit 25 d'alimentation de ce fluide en amont de la chambre de répartition. REVENDICATIONS1. Boîte collectrice (1) de fluide pour un échangeur de chaleur comprenant un réceptacle (2) délimité par au moins une paroi latérale (6) et une paroi de fond (4) comportant plusieurs premières ouvertures (20) sensiblement alignées selon une direction d'allongement de la boite (A-A), le réceptacle étant fermé par un couvercle (8) comportant au moins une deuxième ouverture (22) de réception d'un conduit d'alimentation en vis-à-vis de plusieurs premières ouvertures (20), caractérisé en ce que ladite deuxième ouverture (22) a une forme allongée présentant une plus grande dimension selon la direction d'allongement de la boite (A-A). 2. Boîte collectrice selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plus grande dimension de ladite deuxième ouverture (22) est supérieure à la distance séparant deux premières ouvertures (20) successives, agencées en vis-à-vis de ladite deuxième ouverture. 3. Boîte collectrice selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite deuxième ouverture (22) est disposée en vis-à-vis d'au moins trois premières ouvertures (20). 4. Boîte collectrice selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite deuxième ouverture (22) présente un rapport entre sa plus grande et sa plus petite dimension au moins supérieur à 1,5. 5. Boîte collectrice selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite deuxième ouverture (22) présente une forme oblongue. 6. Boîte collectrice selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'elle comporte un fût (24) agencé en saillie de la face extérieure du couvercle (8) pour entourer ladite deuxième ouverture (26). 3056728 7. Boîte collectrice selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'extrémité libre d'au moins une paroi latérale (6) et le couvercle (8) sont déformés à froid pour réaliser la fixation du couvercle sur le réceptacle (2). 5 8. Boîte collectrice selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le couvercle (8) est serti sur le réceptacle (2) par une ou plusieurs extrémités d'une ou de plusieurs parois latérales (6) du réceptacle. 9. Conduit (12) connecté à une boîte collectrice (1) selon l'une des revendications 10 précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend à une extrémité proximale (26) un orifice de forme allongée semblable à la forme de ladite deuxième ouverture (22) formée dans le couvercle (8). 10. Conduit selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend une collerette (28) 15 entourant au moins partiellement ledit orifice, agencée pour permettre le montage dudit conduit sur le couvercle (8) de la boîte collectrice. 11. Conduit selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'au moins une partie de la collerette (28) est maintenue sur le couvercle (8) par une ou plusieurs extrémités 20 d'une paroi latérale (6) du réceptacle (2) déformée à froid. 12. Conduit d'alimentation selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que la collerette (28) a une épaisseur de paroi supérieure à l'épaisseur de la paroi du conduit (12) au voisinage de l'extrémité proximale (26) qu'elle prolonge. 25 13. Dispositif de chauffage, de ventilation et/ou de climatisation comprenant au moins un conduit (12) selon l'une des revendications 9 à 12 connecté à une boîte collectrice (1) selon l'une des revendications 1 à 8. 30 14. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les parois latérales (6) déformées du réceptacle (2) fixent par rapport à la boite collectrice à la fois le couvercle (8) et la collerette (28) du conduit (12).