Boîte collectrice d'un premier échanqeur de chaleur contenant un deuxième échanqeur. de chaleur et son procédé de fabrication

. L'invention concerne une boîte collectrice d'un premier échangeur de chaleur contenant un deuxième échangeur de chaleur, en particulier pour véhicule automobile, ainsi qu'un procédé pour sa fabrication.

La boîte collectrice est ainsi parcourue par un premier fluide qui échange de la chaleur avec un deuxième fluide qui parcourt le deuxième échangeur, afin de réchauffer ou de refroidir ce deuxième fluide.

On connaît déjà des boîtes collectrices de ce genre qui font habituellement partie d'un radiateur de refroidissement d'un moteur de véhicule automobile. Dans une application particulière, le deuxième échangeur de chaleur est réalisé sous la forme d'un refroidisseur d'huile qui comporte des tubulures d'entrée et de sortie conçues pour être raccordées à un circuit d'huile, tel que le circuit d'huile de lubrification du moteur et/ou de la boîte de vitesse du véhicule automobile. L'huile se trouve ainsi refroidie par le fluide de refroidissement qui circule dans la boîte collectrice, donc dans l'échangeur, habituellement le liquide de refroidissement du moteur du véhicule.

Dans une solution connue de l'art antérieur, convenant pour une boîte collectrice moulée, le deuxième échangeur de chaleur est un refroidisseur d'huile qui est maintenu et fixé dans la boîte collectrice par des tubulures d'entrée et de sortie d'huile qui traversent à étanchéité une paroi latérale de cette dernière.

Or, on cherche de plus en plus à réaliser des échangeurs de chaleur par une technologie brasée afin d'assembler, si possible, l'ensemble des composants d'un échangeur de chaleur au cours d'une seule opération de brasage, par passage dans un four approprié.

On connaît déjà des boîtes collectrices du genre précité, dans lesquelles le deuxième échangeur de chaleur est également obtenu par brasage. On peut se référer à ce sujet en particulier aux publications de brevets JP 2000/105098 et JP 11142089.

Cependant, la réalisation d'un premier échangeur de chaleur comportant une boîte collectrice de ce genre, c'est-à-dire intégrant un deuxième échangeur de chaleur, par exemple un refroidisseur d'huile, pose un certain nombre de difficultés lorsque le premier échangeur de chaleur doit être réalisé par brasage.

En effet, le deuxième échangeur de chaleur intégré doit être assemblé et brasé avant d'être monté dans la boîte collectrice. Comme un tel deuxième échangeur de chaleur est généralement formé par un assemblage de plaques empilées, il est nécessaire pour cette opération préalable de brasage, de maintenir les plaques assemblées entre elles au moyen d'un outil de serrage approprié. Cette solution nécessite donc un outillage particulier pour le maintien des plaques empilées, ainsi que diverses opérations ou manipulations, et de l'énergie pour le fonctionnement du four de brasage.

Ensuite, dans une deuxième opération, le deuxième échangeur de chaleur doit être placé à l'intérieur de la boîte collectrice et maintenu en position par des moyens appropriés. Cette deuxième opération de brasage nécessite donc également un outillage et de l'énergie pour le fonctionnement du four de brasage. Il existe en outre le risque que le deuxième échangeur de chaleur subisse un Adébrasage© au cours de l'opération de brasage.

L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients précités.

Elle vise en particulier à procurer une boîte collectrice d'un premier échangeur de chaleur, contenant un deuxième échangeur de chaleur intégré, dans laquelle la boîte collectrice et le deuxième échangeur de chaleur peuvent être assemblés par brasage en une seule opération.

L'invention vise encore à procurer une telle boîte collectrice qui ne nécessite pas d'outillage particulier pour assurer le maintien du deuxième échangeur de chaleur lors de l'opération de brasage.

Elle vise encore à procurer une telle boîte collectrice qui convient tout particulièrement aux échangeurs de chaleur en aluminium, tels que ceux utilisés dans les véhicules automobiles. A cet égard, l'invention vise tout particulièrement à réaliser une boîte collectrice logeant un refroidisseur d'huile.

L'invention propose à cet effet une boîte collectrice du type défini en introduction, dans laquelle la boîte collectrice comprend une paroi en U, réalisée en métal, présentant un fond et deux ailes latérales, dans laquelle le deuxième échangeur de chaleur comprend une série de plaques empilées réalisées en métal et maintenues assemblées entre les ailes latérales de la boîte collectrice par des moyens de maintien intrinsèques de la boîte collectrice.

Ainsi, les plaques empilées formant le deuxième échangeur de chaleur sont maintenues assemblées entre les ailes latérales de la boîte collectrice par des moyens de maintien intrinsèques de la boîte collectrice, sans qu'il soit nécessaire de faire appel à un outillage particulier.

Par l'expression "moyens de maintien intrinsèques", on entend désigner des moyens de maintien constitués par des éléments ou parties de la boîte collectrice.

II en résulte que la boîte collectrice et le deuxième échangeur de chaleur peuvent être brasés en une seule opération, en même temps que le

reste du premier échangeur de chaleur. Ainsi, la boîte collectrice et le deuxième échangeur de chaleur sont assemblés par une ou plusieurs joints ou lignes de brasage réalisées au même instant, en même temps que le brasage des éléments à assembler/fixer du premier échangeur de chaleur, ce qui garantit une résistance mécanique optimum à cet ensemble brasé.

En effet, les boîtes collectrices/échangeurs de ce type dans l'art antérieur sont formés au moins en deux temps. Tout d'abord le deuxième échangeur, classiquement un refroidisseur d'huile, est assemblé à l'extérieur de la boîte collectrice puis inséré dans la boîte collectrice pour que cette dernière soit entièrement brasée. En faisant ainsi, les lignes de brasage, ou brasure, en particulier du deuxième échangeur subissent deux brasages ce qui provoque classiquement une dégradation de la qualité du brasage du second échangeur pouvant mener à des fuites aux jonctions entre les pièces des deux échangeurs.

Dans l'échangeur de l'invention, comportant au moins un deuxième échangeur intégré dans l'une de ses boîtes collectrices, le brasage de l'ensemble des éléments n'est effectué qu'une seule fois et les fixations des éléments constituant chacun des échangeurs et les fixations des échangeurs entre eux ne nécessitent aucune soudure complémentaire.

Cela évite ainsi d'effectuer un brasage préalable du deuxième échangeur de chaleur avec les inconvénients mentionnés plus haut.

De préférence, le deuxième échangeur de chaleur comprend des tubulures d'entrée et de sortie de fluide traversant l'une au moins des ailes latérales de la boîte collectrice.

L'invention envisage différentes possibilités pour les moyens de maintien.

Dans une première forme de réalisation de l'invention, les moyens de maintien sont formés au moins en partie par un couvercle métallique disposé à l'opposé du fond de la paroi en U et coopérant avec les ailes latérales de la paroi en U pour les maintenir avec un espacement donné.

De préférence, le couvercle métallique comprend deux gorges propres à recevoir des bords d'extrémité respectifs des ailes latérales de la paroi en U.

Dans une deuxième forme de réalisation de l'invention, les moyens de maintien sont formés au moins en partie par les tubulures d'entrée et de sortie de fluide du deuxième échangeur de chaleur, ces tubulures étant aménagées pour traverser les ailes latérales respectives de la paroi en U.

II est avantageux, en ce cas, que chacune des tubulures d'entrée et de sortie de fluide traverse des ouvertures alignées des ailes latérales de la paroi en U et comporte une collerette prenant appui contre l'une des ailes latérales et une extrémité déformée pour prendre appui contre l'autre aile latérale.

L'invention prévoit avantageusement que des moyens d'espacement sont agencés entre chaque aile latérale de la paroi en U et une plaque d'extrémité du deuxième échangeur de chaleur, cela pour permettre la circulation d'un fluide entre les ailes latérales et les plaques d'extrémité du deuxième échangeur de chaleur.

Dans une forme de réalisation, ces moyens d'espacement comprennent des reliefs formés en saillie sur une face interne de l'aile latérale de la paroi en U.

Dans une autre forme de réalisation, ces moyens d'espacement comprennent des reliefs formés en saillie sur une face externe d'une plaque d'extrémité du deuxième échangeur de chaleur.

Dans une autre forme de réalisation encore, ces moyens d'espacement comprennent au moins une cale interposée entre l'aile latérale de la paroi en U et la plaque d'extrémité du deuxième échangeur de chaleur.

Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les plaques du deuxième échangeur de chaleur sont regroupées par paires pour délimiter des lames de circulation de fluide, tandis que les tubulures d'entrée et de sortie de fluide sont agencées pour communiquer avec les lames de circulation de fluide.

Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la paroi en U du premier échangeur de chaleur et les plaques du deuxième échangeur de chaleur sont assemblées par brasage.

Le fond de la paroi en U comporte avantageusement des ouvertures pour recevoir les extrémités de tubes du premier échangeur de chaleur.

Dans une application préférentielle, la boîte collectrice est agencée pour être traversée par un liquide de refroidissement, tandis que le deuxième échangeur de chaleur est un refroidisseur d'huile agencé pour être traversé par une huile à refroidir.

Sous un autre aspect, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une boîte collectrice telle que définie précédemment, lequel comprend les opérations suivantes : a) préparer une paroi en U réalisée en métal et présentant un fond et deux ailes latérales ; b) préparer un deuxième échangeur de chaleur comportant une série de plaques empilées réalisées en métal ;

c) introduire le deuxième échangeur de chaleur à l'intérieur de la paroi à profil en U en sorte que les plaques empilées soient maintenues assemblées et comprimées entre les ailes latérales ; et d) assembler la paroi en U et les plaques du deuxième échangeur de chaleur par brasage en une seule opération.

Dans une forme de réalisation préférentielle, l'opération b) comporte la préparation d'un deuxième échangeur de chaleur comportant une série de plaques empilées disposées par paires.

Dans une réalisation avantageuse, l'opération c) comporte une opération consistant à faire passer des tubulures d'entrée et de sortie de fluide du deuxième échangeur de chaleur au travers de l'une au moins des ailes latérales.

En ce cas, l'opération c) comporte avantageusement une opération d) consistant à introduire le deuxième échangeur de chaleur, dépourvu de ses tubulures d'entrée et de sortie de fluide, à l'intérieur de la paroi métallique à profil en U, suivie par une opération c2) consistant à introduire chacune des tubulures d'entrée et de sortie de fluide au travers d'ouvertures aménagées dans les deux ailes latérales.

A cet effet, on prévoit avantageusement que l'opération c2) consiste à prévoir des tubulures présentant chacune une collerette d'appui située à distance d'une extrémité, à introduire chaque tubulure par une ouverture d'une aile latérale jusqu'à ce que l'extrémité de la tubulure dépasse d'une ouverture de l'autre aile latérale et à déformer cette extrémité par poinçonnage ou sertissage.

L'opération c2) est avantageusement suivie par une opération c3) consistant à fermer la paroi en U par un couvercle.

Avant l'opération c) d'introduction du deuxième échangeur de chaleur, les extrémité des tubes du faisceau, qui ont préalablement été introduites dans les ouvertures de la boîte collectrice, sont déformées par Agonflageθ pour les dilater extérieurement, ce qui a pour fonction de les re- conformer, mais aussi de les maintenir en position par rapport à la boîte collectrice.

Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels :

- la figure 1 est une vue de face d'un échangeur de chaleur dont l'une des boîtes collectrices contient un deuxième échangeur de chaleur, dans l'exemple un refroidisseur d'huile, conformément à l'invention ;

- la figure 2 est une vue latérale partielle de la boîte collectrice dont le couvercle a été enlevé partiellement ;

- la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne Ill-lll de la figure 2 ;

- la figure 4 est une vue analogue à la figure 3 dans une variante de réalisation ;

- la figure 5 est une vue de face d'une plaque d'extrémité du refroidisseur d'huile, munie de reliefs d'espacement ;

- la figure 6 est une vue partielle en coupe de la boîte collectrice, le plan de coupe passant par l'axe des tubulures d'entrée et de sortie d'huile ; et

- la figure 7 est une vue d'extrémité de la tubulure de la figure 6.

On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente un premier échangeur de chaleur 10 comportant un faisceau 12 disposé entre deux boîtes

collectrices 14 et 16. Le faisceau 12 est composé d'une pluralité de tubes plats 18 entre lesquels sont disposés des intercalaires ondulés 20 formant ailettes d'échange de chaleur.

Les boîtes collectrices 16 et 14 sont, dans l'exemple, munies respectivement d'une tubulure d'entrée 22 et d'une tubulure de sortie 24 pour un fluide de refroidissement parcourant Péchangeur de chaleur 10.

La boîte collectrice 14 loge un deuxième échangeur de chaleur 26, dans l'exemple un refroidisseur d'huile, représenté en traits interrompus. Le refroidisseur d'huile 26 comporte une tubulure d'entrée 28 et une tubulure de sortie 30 qui traversent la boîte collectrice 14 et qui sont destinées à être reliées à un circuit d'huile (non représenté) comme par exemple un circuit d'huile de lubrification et/ou d'huile de boîte de vitesse d'un véhicule automobile.

Dans l'exemple, l'échangeur de chaleur 10 est réalisé sous la forme d'un radiateur de refroidissement d'un moteur de véhicule automobile. Il est alors parcouru par un fluide de refroidissement constitué habituellement par le liquide de refroidissement du moteur.

Ainsi, l'huile peut être refroidie par échange thermique avec le liquide de refroidissement qui circule dans l'échangeur de chaleur 10.

On se réfère maintenant aux figures 2 et 3 pour décrire plus particulièrement la structure de la boîte collectrice 14 et du refroidisseur d'huile 26.

La boîte collectrice 14 comprend une paroi en U 32, réalisée en métal, par exemple en aluminium, qui présente un fond 34 généralement plat et deux ailes latérales 36, 38, également de forme généralement plane, s'étendant parallèlement entre elles.

Au travers de l'aile 26 débouchent la tubulure de sortie 24 du fluide de refroidissement ainsi que les tubulures 28 et 30 d'entrée et de sortie de l'huile à refroidir. Dans le fond 34 de la paroi en U 32, sont aménagées des ouvertures 40 de forme allongée pour recevoir respectivement les extrémités des tubes 18 du premier échangeur de chaleur 10.

On aperçoit sur la figure 2 la tubulure 28 d'entrée de l'huile à refroidir. Cette tubulure traverse l'aile latérale 36 et alimente le refroidisseur d'huile 26, lequel est formé d'une série de plaques empilées 42, également réalisées en métal, par exemple en aluminium. Ces plaques empilées sont maintenues assemblées entre les ailes latérales 36, 38 de la boîte collectrice par des moyens de maintien intrinsèques de la boîte collectrice, c'est-à-dire principalement par l'action conjuguée des ailes latérales 36 et 38. Ces dernières définissent un intervalle de dimension D (figure 2) qui correspond sensiblement à la hauteur du refroidisseur d'huile, dans la direction de l'empilement des plaques 42.

La structure du refroidisseur d'huile 26 ne sera pas décrite en détail, s'agissant d'un échangeur de chaleur à plaques dont la technologie est généralement connue.

Comme on le voit plus particulièrement sur les figures 2 et 3, chacune des plaques 42 comporte un bossage 44, les bossages respectifs de deux plaques en vis-à-vis formant à chaque fois une chambre d'entrée ou de sortie pour l'huile à refroidir.

La tubulure 28 d'entrée d'huile comporte une collerette 46 prenant appui à l'extérieur de l'aile latérale 36 et une extrémité opposée 48, qui dépasse de l'aile 38 et qui est sertie sur celle-ci pour contribuer à maintenir l'empilement de plaques dans une configuration serrée entre les ailes latérales 36 et 38. Il en est de même pour la tubulure de sortie d'huile 30.

Ainsi, les tubulures 28 et 30 constituent des moyens de maintien et ces tubulures sont aménagées pour traverser les ailes latérales respectives 36 et 38 de la paroi en U 32.

La boîte collectrice 14 est fermée, à l'opposé de son fond 34, par un couvercle métallique 50 comportant une paroi conformée 52 présentant deux gorges 54 et 56 propres à recevoir des bords d'extrémité respectifs 58 et 60 des ailes latérales 36 et 38, comme on le voit mieux sur la coupe de la figure 3. Ainsi, le couvercle métallique constitue aussi un moyen de maintien de l'empilage des plaques 42 entre les ailes 36 et 38.

Comme on peut le voir sur les figures 2 et 3, Ie refroidisseur d'huile 26 comporte deux plaques d'extrémité 42a et 42b situées respectivement près des ailes 36 et 38, du côté intérieur de ces dernières.

Pour permettre un bon échange de chaleur, il est avantageux de prévoir à chaque fois un espace entre la plaque d'extrémité 42a ou 42b et l'aile correspondante 36 ou 38.

Dans l'exemple représenté aux figures 1 à 3, des moyens d'espacement sont prévus. Ils comprennent ici des reliefs 62 formés en saillie sur une face interne de l'aile latérale 36 ou 38.

Chacune des ailes 36 et 38 comporte dans l'exemple trois reliefs 62 ayant la forme de nervures parallèles entre elles (figure 1 ) qui font saillie à l'intérieur de la boîte collectrice pour appuyer à chaque fois sur une plaque d'extrémité 42a ou 42b, comme on le voit également sur la figure 3.

Dans la variante de réalisation de la figure 4, les nervures en relief 62 sont remplacées par des cales 64 sous la forme de barrettes plates 64 qui sont à chaque fois insérées entre une plaque d'extrémité et l'aile correspondante.

Dans la variante de la figure 5, les moyens d'espacement sont formés par des reliefs 66 formés en saillie sur une face externe d'une plaque d'extrémité 42a ou 42b, ces deux plaques étant identiques. Les reliefs 66 sont formés ici par des petits plots à base circulaire qui contribuent en même temps à favoriser la perturbation de l'huile dans le refroidisseur d'huile.

La figure 6 montre en coupe une partie de la boîte collectrice avec la tubulure d'entrée d'huile 28. On voit que la tubulure 28 traverse respectivement deux ouvertures 68, 70 alignées, dans l'exemple de forme circulaire, ménagée respectivement au travers des ailes 36 et 38. On voit également que la collerette 46 de la tubulure prend appui à l'extérieur de l'aile 36, tandis que son extrémité 48 dépasse à l'extérieur de l'aile opposée 38.

L'extrémité 48 de la tubulure est munie d'un bouchon de fermeture

72 pour permettre à l'huile qui est admise dans la tubulure 28 d'alimenter les lames 73 définies par les paires de plaques 42 du refroidisseur d'huile. Comme on le voit sur la figure 6, la tubulure 28 comporte au moins une découpe 74 pour alimenter en huile les lames du refroidisseur d'huile.

L'extrémité 48 de la tubulure, ainsi que le bouchon de fermeture 72 sont sertis, comme on le voit aussi sur la figure 7, pour contribuer au maintien des ailes 36 et 38 dans une configuration apte à enserrer Ia pile de plaques 42.

Comme on le voit sur la figure 7, le sertissage est obtenu par trois sertissages extérieurs 76 disposés sensiblement à 12OE les uns des autres et par trois sertissages intérieurs 78 disposés également à 120E les uns des autres et décalés angulairement par rapport aux sertissages extérieurs 76. Les sertissages intérieurs assurent une compression contre le bouchon de fermeture 72, tandis que les sertissages extérieurs assurent une compression contre l'aile 38 de la paroi en U 32.

Le procédé de fabrication ou d'assemblage de la boîte collectrice 14 et du deuxième échangeur de chaleur 26 (refroidisseur d'huile) comprend essentiellement les opérations suivantes :

a) préparation de la paroi en U 32 par des opérations classiques d'emboutissage et de découpage à partir d'une plaque métallique, par exemple en aluminium ;

b) préparation d'un refroidisseur d'huile 36 comportant une série de plaques empilées 42 réalisées en métal ; et

c) introduction du refroidisseur d'huile à l'intérieur de la paroi 32 en sorte que les plaques empilées soient maintenues assemblées et comprimées entre les ailes latérales 36 et 38.

Au cours de cette opération, les plaques sont convenablement positionnées de sorte que les ouvertures respectives des bossages coïncident avec l'axe défini à chaque fois par les ouvertures alignées des ailes 36 et 38.

Ainsi, cette opération c) comprend d'abord une opération d ) qui consiste à introduire le refroidisseur d'huile, dépourvu de ses tubulures d'entrée et de sortie, à l'intérieur de la paroi en U.

Lorsque l'opération d ) est terminée, on réalise une opération c2) qui consiste à introduire chacune des tubulures d'entrée 28 et 30 au travers des ouvertures 68 et 70 aménagées respectivement dans les ailes latérales 36 et 38.

Lors de l'opération c2), la collerette de chaque tubulure, située à distance de son extrémité, vient en butée contre l'aile 36 et l'extrémité 48 dépasse de l'aile opposée 38. L'extrémité 48 est alors munie d'un bouchon de fermeture 72 et l'ensemble est déformé par poinçonnage ou sertissage comme

décrit précédemment. On peut alors réaliser une opération c3) consistant à fermer la paroi en U par un couvercle 50 comme défini précédemment.

La boîte collectrice 16 est réalisée de façon analogue, sauf qu'elle ne loge pas de refroidisseur d'huile et qu'elle comporte une seule tubulure d'entrée

22 pour le fluide de refroidissement. Il n'est pas obligatoire que cette tubulure

22 traverse de part en part les ailes opposées de la boîte collectrice 16. La boîte collectrice 16 peut être de taille différente de la boîte collectrice 14. En particulier elle peut être de taille inférieure du fait qu'elle ne loge pas le deuxième échangeur de chaleur, ce qui permet un gain d'encombrement et de matière.

Comme indiqué précédemment, les extrémités des tubes préalablement introduites dans les ouvertures 40 de la boîte collectrice 14 subissent une opération de gonflage avant l'opération c) d'introduction du deuxième échangeur de chaleur et avant fermeture de la boîte collectrice par le couvercle. Une opération de gonflage analogue est réalisée sur les extrémité des tubes reçues dans les ouvertures de la boîte collectrice 16.

Ainsi, l'ensemble des éléments composant l'échangeur de chaleur, c'est-à-dire les tubes 18 et les intercalaires ondulés 20 qui composent le faisceau 12, la boîte collectrice 14 et le deuxième échangeur de chaleur 26 (refroidisseur d'huile), ainsi que la boîte collectrice 16 peuvent être assemblés mutuellement et être ensuite brasés mutuellement, en une seule opération, par passage dans un four de brasage approprié.

Pour cette opération, l'échangeur de chaleur ainsi assemblé est avantageusement disposé à plat sur un transporteur qui déplace l'échangeur de chaleur au travers du four.

L'opération de brasage s'effectue de façon en elle-même connue. Il est peut être avantageux de prévoir que les plaques 42 du refroidisseur d'huile

soient munies au préalable d'un flux de brasage, par exemple appliqué par pulvérisation.

L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit précédemment à titre d'exemple et s'étend à d'autres variantes, du moment que les plaques empilées du deuxième échangeur de chaleur sont maintenues entre les ailes de la boîte collectrice par des moyens intrinsèques à la boîte collectrice, sans faire appel à un outillage particulier.

Les tubulures d'entrée et de sortie de fluide du deuxième échangeur de chaleur peuvent, en variante, traverser seulement l'une des ailes latérales de la paroi en U.

L'invention trouve une application particulière aux échangeurs de chaleur pour véhicules automobiles, dans lesquels le deuxième échangeur de chaleur est un refroidisseur d'huile agencé pour refroidir l'huile de lubrification et/ou l'huile de boîte de vitesse d'un véhicule automobile. L'invention trouve un intérêt particulier au refroidissement des boîtes de vitesse automatiques.

Cependant le deuxième échangeur de chaleur peut être parcouru par un fluide, autre qu'une huile, qui est soit réchauffé soit refroidi par le fluide parcourant la boîte collectrice.