Brevet FR3056730A1 — publié le 20180330

Échangeur de chaleur et procédé de fabrication associé. L'invention concerne un échangeur de chaleur, en particulier pour véhicule 5 automobile, et son procédé de fabrication. Elle concerne plus particulièrement un échangeur de chaleur du type comprenant une multitude de tubes entre lesquels sont insérées des entretoises. Les tubes sont généralement des tubes de section ovale ou oblongue, définie par un grand axe et un 10 petit axe, et ayant des extrémités introduites dans des orifices d'une plaque collectrice. 11 existe principalement deux types d'échangeurs de chaleur, les échangeurs de chaleur mécaniques, où les différents éléments formant l'échangeur sont fixés mécaniquement entre eux, par exemple par sertissage, et les échangeurs de chaleur brasés où les différents éléments formant l'échangeur sont fixés entre eux par brasage. 15 Dans le cas d'un échangeur de chaleur brasé la liaison entre les tubes et la plaque collectrice est rigide et ne peut pas compenser les phénomènes de dilatation et de rétractation liés aux variations de température lors de son utilisation. Au fil du temps ces liaisons s'affaiblissent et des ruptures ou fuites peuvent apparaître. 20 Dans le cas d'un échangeur de chaleur mécanique, l'étanchéité entre la plaque collectrice et les extrémités des tubes est réalisée par un joint compressible. Ce même joint permet d'absorber les phénomènes de dilatation et de rétractation liés aux variations de température lors de l'utilisation de l'échangeur de chaleur. Cependant, les tubes doivent pouvoir résister à la pression exercée par le joint et donc lesdits tubes 25 doivent être suffisamment épais, ce qui malheureusement peut nuire à la performance des échanges thermiques et engendrer un coût néfaste à sa compétitivité. 3056730 2 Un des buts de la présente invention est donc de remédier au moins partiellement aux inconvénients de l'art antérieur et de proposer un échangeur de chaleur amélioré et son procédé de fabrication. La présente invention concerne donc un échangeur de chaleur comprenant : . un faisceau de tubes comportant une multitude de tubes disposés parallèlement les uns aux autres, . deux boites collectrices, une boite collectrice étant disposée de chaque côté du faisceau de tubes, chaque boite collectrice comportant une plaque collectrice, ladite plaque collectrice comprenant des orifices à l'intérieur desquels sont introduits les extrémités des tubes, la plaque collectrice comportant un collet évasé au niveau de chaque orifice, lesdits collets évasés définissant un espacement entre l'extrémité du tube et la plaque collectrice au niveau de chaque orifice, chaque espacement étant comblé au moins partiellement par un joint d'élastomère polymérisé. L'utilisation d'un joint d'élastomère polymérisé permet d'assurer une bonne étanchéité du fait que la polymérisation est réalisée après sa mise en place. Ainsi l'élastomère prend la forme de l'espacement. De plus, le joint élastomère polymérisé n'applique pas ou peu de contraintes de compression sur les parois du tube ce qui évite que ce dernier ne voit sa section réduite sous la pression du joint et donc que cela diminue l'étanchéité. Il est ainsi possible d'utiliser des tubes dont les parois sont plus fines, et donc ayant une meilleure conductivité thermique qu'un échangeur de chaleur utilisant un joint compressible. La réduction d'épaisseur permet aussi de réduire la masse de l'échangeur et son prix de revient. Selon un aspect de l'invention, les collets évasés sont réalisés de façon à pointer vers l'intérieur du faisceau de tubes. 3056730 3 Selon un autre aspect de l'invention, chaque espacement est comblé au moins partiellement par un joint d'élastomère polymérisé indépendant. Selon un autre aspect de l'invention, l'élastomère du joint d'élastomère 5 polymérisé est choisi parmi les élastomères de type silicone ou acrylique. Selon un autre aspect de l'invention, les collets évasés présentent respectivement une ouverture intérieure débouchant à l'intérieur de la boite collectrice, et une ouverture extérieure débouchant à l'extérieur de la boite collectrice, ladite ouverture intérieure 10 étant de dimension supérieure à ladite ouverture extérieure. Selon un autre aspect de l'invention, la distance entre la paroi extérieure du tube et la paroi de la plaque collectrice au niveau de l'ouverture intérieure est comprise entre 0,8 et 2mm et la distance entre la paroi extérieure du tube et la paroi de la plaque 15 collectrice au niveau de l'ouverture extérieure est comprise entre 0,1 et 0,5mm. Selon un autre aspect de l'invention, les extrémités des tubes présentent un évasement. 20 Selon un autre aspect de l'invention, le faisceau de tubes comporte des entretoises disposées entre les tubes, lesdites entretoises étant des intercalaires brasés avec les tubes de sorte à former ledit faisceau de tubes. La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'un 25 échangeur de chaleur comprenant : . un faisceau de tubes comportant une multitude de tubes disposés parallèlement les uns aux autres, et . deux boites collectrices, une boite collectrice étant disposée de chaque côté du faisceau de tubes, chaque boite collectrice comportant une plaque 3056730 4 collectrice, ladite plaque collectrice comprenant des orifices à l'intérieur desquels sont introduites les extrémités des tubes, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : . formation de collets évasés au niveau des orifices des plaques collectrices, 5 . insertion des extrémités des tubes dans lesdits collets évasés, . mise en place d'un élastomère de sorte à combler au moins partiellement l'espacement entre les extrémités des tubes et la plaque collectrice, . polymérisation dudit élastomère de sorte à former un joint d'élastomère polymérisé. 10 Selon un aspect du procédé selon l'invention, ledit procédé de fabrication comporte une étape supplémentaire d'évasement des extrémités des tubes entre l'étape de mise en place de l'élastomère et l'étape de polymérisation, ce qui augmente fortement la tenue mécanique de l'assemblage. 15 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 montre une représentation schématique d'un échangeur de chaleur, 20 - la figure 2 montre une représentation schématique en perspective et en coupe de la liaison entre un tube et la plaque collectrice selon un premier mode de réalisation, - la figure 3 montre une représentation schématique en perspective et en coupe de la liaison entre un tube et la plaque collectrice selon un deuxième mode de 25 réalisation, - les figures 4a à 4c montrent des représentations schématiques en coupe de la liaison entre des tubes et la plaque collectrice selon différentes étapes du procédé de fabrication. 3056730 5 Les éléments identiques sur les différentes figures, portent les mêmes références. Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à 5 un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées ou interchangées pour fournir d'autres réalisations. 10 Dans la présente description on peut indexer certains éléments ou paramètres, comme par exemple premier élément ou deuxième élément ainsi que premier paramètre et deuxième paramètre ou encore premier critère et deuxième critère etc. Dans ce cas, il s'agit d'un simple indexage pour différencier et dénommer des éléments ou paramètres 15 ou critères proches mais non identiques. Cette indexation n'implique pas une priorité d'un élément, paramètre ou critère par rapport à un autre et on peut aisément interchanger de telles dénominations sans sortir du cadre de la présente description. Cette indexation n'implique pas non plus un ordre dans le temps par exemple pour apprécier tels ou tels critères. 20 La figure 1 montre un échangeur de chaleur 1 comprenant un faisceau formé d'une multitude de tubes 2 à l'intérieur desquels peut circuler un premier fluide caloporteur. Les tubes 2 sont disposés parallèlement entre eux. Entre les tubes 2, sont disposées des entretoises 6 qui agissent comme perturbateur et augmentent la surface 25 d'échange thermique avec un deuxième fluide caloporteur passant entre les tubes 2. Les tubes 2 et les entretoises 6 sont généralement réalisés en métal et plus particulièrement en aluminium. Les tubes 2 et les entretoises 6 forment le faisceau et peuvent être fixés entre eux mécaniquement. Dans ce cas, les entretoises 6 (aussi 3056730 6 appelées intercalaires) sont également appelées ailettes. Les ailettes sont généralement des plaques superposées et placées perpendiculairement aux tubes 2. Les ailettes comportent des orifices dans lesquels sont insérés et fixés les tubes 2. La fixation des tubes 2 est dite mécanique, par exemple par élargissement des tubes 2 au moyen d'une 5 olive de taille supérieure à celle des tubes 2 qui est insérée dans les tubes 2 afin d'augmenter leur taille, puis retirée. On parle alors de faisceau mécanique dont les tubes sont expansés dans les ailettes. A contrario, les tubes 2 et les entretoises 6 formant le faisceau 2 peuvent être fixés entre eux par brasage. Dans ce cas, les entretoises 6 peuvent être ce que l'on 10 appelle des intercalaires. Ces intercalaires 6 sont par exemple des bandes ondulées ou crénelées, placées entre les tubes 2 et fixées auxdits tubes 2 par brasage. On parle alors de faisceau brasé. L'échangeur de chaleur 1 comporte également deux boites collectrices 3 ou 15 boites à eau, une boite collectrice 3 étant disposée à chaque extrémité des tubes 2. Ces boites collectrices 3 comportent chacun une plaque collectrice 4 et un capot 8 venant recouvrir la plaque collectrice 4 et refermer la boite collectrice 3. Ces boites collectrices 3 permettent la collecte et/ou la distribution du premier fluide caloporteur afin qu'il circule dans les tubes 2. 20 Comme le montre la figure 2, la plaque collectrice 4 fait la liaison de façon étanche entre la boite collectrice 3 et le faisceau de tubes 2. La plaque collectrice 4 peut être de forme générale rectangulaire. La plaque collectrice 4 comporte également une multitude d'orifices 40 ayant une forme correspondante à la forme de la section des 25 tubes 2 et propres à recevoir les extrémités des tubes 2. La plaque collectrice 4 comporte également un collet évasé 42 au niveau de chaque orifice 40. Par collet évasé 42 on entend qu'au niveau des orifices 40, la paroi de la plaque collectrice 4 est évasée de sorte que le collet évasé 42 présente une ouverture intérieure 42a, débouchant à l'intérieur de la boite collectrice 3, de dimension supérieure 3056730 7 à une ouverture extérieure 42b, débouchant à l'extérieur de la boite collectrice 3. L'ouverture intérieure 42a et l'ouverture extérieure 42b sont notamment visibles sur les figures 4a et 4b. Les collets évasés 42 sont de préférence réalisés de façon à pointer vers 5 l'intérieur du faisceau de tubes 2, comme illustré sur les figures 2 à 4c. Les collets évasés 42 peuvent avantageusement venir de matière avec la plaque collectrice 4 et être par exemple formés en même temps que les orifices 40 par emboutissage. 10 Les collets évasés 42 définissent un espacement 43 entre l'extrémité des tubes 2 et la plaque collectrice 4 au niveau de chaque orifice 40. Cet espacement 43 est comblé au moins partiellement par un joint d'élastomère polymérisé 5 afin d'assurer l'étanchéité de la boite collectrice. Chaque espacement 43 est de préférence comblé au moins partiellement par un 15 joint d'élastomère polymérisé 5 indépendant. Au niveau des collets évasés 42, la distance d (voir figure 4a) entre la paroi extérieure du tube 2 et la paroi de la plaque collectrice 4 au niveau de l'ouverture intérieure 42a est de préférence comprise entre 0,8 et 2mm. La distance d' (voir figure 20 4a) entre la paroi extérieure du tube 2 et la paroi de la plaque collectrice 4 au niveau de l'ouverture extérieure 42b est quant à elle de préférence comprise entre 0,1 et 0,5mm. La hauteur h (voir figure 4a) des collets évasés 42, c'est-à-dire la profondeur de l'espacement 43 au plus proche des tubes 2 peut quant à elle être comprise entre 3 et 5mm. Ces valeurs permettent de définir un espacement 43 suffisant pour l'insertion et la 25 polymérisation du joint d'élastomère polymérisé 5. L'élastomère du joint d'élastomère polymérisé 5 est de préférence choisi parmi les élastomères de type silicone ou acrylique et peut être polymérisable selon diverses méthodes comme une polymérisation par traitement thermique ou par ultraviolet. 3056730 8 L'utilisation d'un joint d'élastomère polymérisé 5 permet d'assurer une bonne étanchéité du fait que la polymérisation est réalisée après sa mise en place. Ainsi l'élastomère prend la forme de l'espacement 43. De plus, le joint élastomère polymérisé 5 n'applique pas ou peu de contraintes de compression sur les parois du tube 2 ce qui 5 évite que ce dernier ne voit sa section réduite sous la pression du joint et donc que cela diminue l'étanchéité. Il est ainsi possible d'utiliser des tubes 2 dont les parois sont plus fines, et donc ayant une meilleure conductivité thermique qu'un échangeur de chaleur utilisant un joint compressible. La réduction d'épaisseur permet aussi de réduire la masse de l'échangeur et son prix de revient. 10 Comme le montre la figure 3, les extrémités des tubes 2 peuvent également présenter un évasement 20. Cet évasement 20 des extrémités des tubes 2 bloque les tubes 2 en translation et permet d'éviter que les tubes 2 ne puissent ressortir des orifices 40 des plaques collectrices 4. 15 Cette forme d'évasement permet aussi de faire travailler le joint polymérisable de manière préférentielle en compression plutôt qu'en cisaillement, sollicitation plus sévère pour les liaisons collées. Cet évasement 20 des extrémités des tubes 3 peut être réalisé sur toute la périphérie de l'extrémité des tubes 2, épousant la forme des collets évasés 42, comme 20 illustré à la figure 3, ou bien il peut être local et ne concerner qu'une portion de la périphérie de l'extrémité des tubes 2 La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur 1 comme illustré aux figures 4a à 4c. Comme décrit 25 précédemment, l'échangeur de chaleur 1 comporte : . un faisceau de tubes 2 comportant une multitude de tubes 2 disposés parallèlement les uns aux autres, et . deux boites collectrices 3, une boite collectrice 3 étant disposée de chaque côtés du faisceau de tubes 2. 3056730 9 Chaque boite collectrice 3 comporte une plaque collectrice 4 et ladite plaque collectrice 4 comprenant des orifices 40 à l'intérieur desquels sont introduites les extrémités des tubes 2, 5 Le procédé de fabrication comporte les étapes suivantes : . formation de collets évasés 42 au niveau des orifices 40 des plaques collectrices 4, . insertion des extrémités des tubes 2 dans lesdits collets évasés 42, comme illustré à la figure 4a, 10 ° mise en place d'un élastomère de sorte à combler au moins partiellement l'espacement 43 entre les extrémités des tubes 2 et la plaque collectrice 4, comme illustré par la figure 4b, . polymérisation dudit élastomère de sorte à former un joint d'élastomère polymérisé 5. 15 La mise en place de l'élastomère au sein de l'espacement 43 peut notamment être réalisée par un bras mécanique automatisé, muni d'un injecteur et qui vient combler individuellement les différents espacements 43 en suivant le contour des extrémités des tubes 2. L'étape de polymérisation de l'élastomère peut être réalisée, selon l'élastomère utilisé, par un traitement thermique ou bien par un traitement ultraviolet. Comme décrit précédemment, l'élastomère est choisi de préférence parmi les élastomères de type silicone ou acrylique. Le procédé de fabrication peut également comporter une étape supplémentaire d'évasement des extrémités des tubes 2 comme illustré à la figure 4c. Cette étape d'évasement des extrémités des tubes 2 est réalisée entre l'étape de mise en place de l'élastomère et l'étape de polymérisation. Cet évasement des extrémités des tubes 3 peut 20 25 3056730 10 être réalisé sur toute la périphérie de l'extrémité des tubes 2 comme illustré notamment à la figure 3, ou bien il peut être local et ne concerner qu'une portion de la périphérie de l'extrémité des tubes 2. 5 Ainsi, on voit bien que l'échangeur thermique 1 selon l'invention, permet d'avoir une bonne étanchéité au niveau de la liaison entre les tubes 2 et les plaques collectrices tout en évitant l'utilisation d'un joint compressible. Cette technique de liaison étanche a un grand intérêt dans le sens où elle peut être utilisable pour toutes les technologies de réalisation des échangeurs, que ce soit 10 mécanique ou brasé, elle propose une solution commune standardisée. REVENDICATIONS1. Échangeur de chaleur (1) comprenant : . un faisceau de tubes (2) comportant une multitude de tubes (2) disposés parallèlement les uns aux autres, . deux boites collectrices (3), une boite collectrice (3) étant disposée de chaque côté du faisceau de tubes (2), chaque boite collectrice (3) comportant une plaque collectrice (4), ladite plaque collectrice (4) comprenant des orifices (40) à l'intérieur desquels sont introduits les extrémités des tubes (2), caractérisé en ce que la plaque collectrice (4) comporte un collet évasé (42) au niveau de chaque orifice (40), lesdits collets évasés (42) définissant un espacement (43) entre l'extrémité du tube (2) et la plaque collectrice (4) au niveau de chaque orifice (40), chaque espacement (43) étant comblé au moins partiellement par un joint d'élastomère polymérisé (5). Échangeur de chaleur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les collets évasés (42) sont réalisés de façon à pointer vers l'intérieur du faisceau de tubes (2). Échangeur de chaleur (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que chaque espacement (43) est comblé au moins partiellement par un joint d'élastomère polymérisé (5) indépendant. Échangeur de chaleur (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élastomère du joint d'élastomère polymérisé (5) est choisi parmi les élastomères de type silicone ou acrylique. 15 2. 20 3. 25 4. 3056730 12 55. 6. 10 7. 8. 9. Échangeur de chaleur (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les collets évasés (42) présentent respectivement une ouverture intérieure (42a) débouchant à l'intérieur de la boite collectrice (3), et une ouverture extérieure (42b) débouchant à l'extérieur de la boite collectrice (3), ladite ouverture intérieure (43a) étant de dimension supérieure à ladite ouverture extérieure (42b). Échangeur de chaleur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la distance (d) entre la paroi extérieure du tube (2) et la paroi de la plaque collectrice (4) au niveau de l'ouverture intérieure (42a) est comprise entre 0,8 et 2mm et que la distance (d' ) entre la paroi extérieure du tube (2) et la paroi de la plaque collectrice (4) au niveau de l'ouverture extérieure (42b) est comprise entre 0,1 et 0,5mm. Échangeur de chaleur (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les extrémités des tubes (2) présentent un évasement (20). Échangeur de chaleur (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau de tubes (2) comporte des entretoises (6) disposées entre les tubes (2), lesdites entretoises (6) étant des intercalaires brasés avec les tubes (2) de sorte à former ledit faisceau de tubes (2). Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur (1) comprenant : . un faisceau de tubes (2) comportant une multitude de tubes (2) disposés parallèlement les uns aux autres, et . deux boites collectrices (3), une boite collectrice (3) étant disposée de chaque côtés du faisceau de tubes (2), chaque boite collectrice (3) comportant une plaque collectrice (4), ladite plaque collectrice (4) 3056730 13 comprenant des orifices (40) à l'intérieur desquels sont introduites les extrémités des tubes (2), ledit procédé comprenant les étapes suivantes : . formation de collets évasés (42) au niveau des orifices (40) des plaques 5 collectrices (4), . insertion des extrémités des tubes (2) dans lesdits collets évasés (42), . mise en place d'un élastomère de sorte à combler au moins partiellement l'espacement (43) entre les extrémités des tubes (2) et la plaque collectrice (4), 10 ° polymérisation dudit élastomère de sorte à former un joint d'élastomère polymérisé (5). 10. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte une étape supplémentaire d'évasement des extrémités des tubes (2) 15 entre l'étape de mise en place de l'élastomère et l'étape de polymérisation.