Boîtier de distribution d'un fluide caloporteυr pour un échangeur de chaleur et échangeur de chaleur comportant un tel boîtier

La présente invention concerne un boîtier de distribution d'un fluide caloporteur pour un échangeur de chaleur.

L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des systèmes d'échange de chaleur dans les véhicules automobiles, notamment les radiateurs de refroidissement des moteurs.

On connaît aujourd'hui des échangeurs de chaleur pour véhicules automobiles constitués par un faisceau de tubes disposés parallèlement sur une ou plusieurs rangées, ces tubes étant destinés à la circulation à travers l'échangeur d'un fluide caloporteur, tel que de l'eau additionnée de glycol dans le cas des radiateurs de refroidissement de moteurs. L'eau en refroidissant les organes du moteur s'échauffe et doit à son tour être refroidie. C'est le rôle du radiateur d'assurer cette fonction. A cet effet, l'eau à refroidir est mise en circulation dans les tubes du radiateur et se refroidit par échange thermique avec de l'air, l'échange thermique étant réalisé par l'intermédiaire d'éléments d'échange de chaleur disposés dans le faisceau de tubes.

Selon la technologie d'assemblage de l'échangeur de chaleur, on distingue différents types d'éléments d'échange de chaleur,

Lorsque l'assemblage est mécanique, les éléments d'échange de chaleur sont des ailettes parallèles traversées par les tubes de circulation dans des trous pratiqués dans les ailettes. Le maintien de l'ensemble est réalisé mécaniquement au moyen d'un outil introduit à ('intérieur des tubes de manière à déformer les parois des tubes et les appliquer à force contre les trous pratiqués dans les ailettes.

Une autre technologie d'assemblage est le brasage des tubes sur des éléments d'échange de chaleur constitués par des intercalaires placés entre les tubes. En général, ces intercalaires sont réalisés sous forme de surface ondulée, les tubes étant brasés sur les intercalaires au niveau des sommets des ondulations.

Le fluide caloporteur est introduit dans les tubes de circulation par l'intermédiaire d'un boîtier de distribution disposé à l'entrée des tubes et muni

d'une tubulure d'arrivée du fluide. Un boîtier du même type, que l'on désignera également sous le terme de boîtier de distribution, est installé à la sortie de l'échangeur pour recueillir le fluide après traversée de tubes et l'évacuer à l'extérieur à travers une tubulure de sortie. De manière habituelle, ie boîtier de distribution de fluide est constitué de deux parties, à savoir une boîte collectrice de fluide, souvent appelée « boîte à eau » dans le cas des radiateurs, et un élément collecteur. L'élément collecteur est une pièce en contact avec le faisceau de tubes et porte des orifices destinés à recevoir l'extrémité des tubes débouchant dans le boîtier de distribution. La boîte collectrice forme un couvercle pour l'élément collecteur et définit un volume de fluide en circulation à l'entrée comme à la sortie de l'échangeur. C'est dans la boîte collectrice que débouche la tubulure d'arrivée ou de sortie de fluide.

On connaît des échangeurs de chaleur où les boîtes collectrices de fluide en matière plastique sont de forme ouverte en U, l'élément collecteur venant fermer le U soit par sertissage, soit par soudage dans le cas où le collecteur est également en plastique.

Cependant, les boîtiers de distribution réalisés par soudage d'une boîte collectrice et d'un élément collecteur en matière plastique présentent certains inconvénients. En plus du fait de la mise en œuvre d'un moule différent pour chaque pièce, cette technique nécessite des reprises au niveau de la soudure, et l'étanchéité du boîtier de distribution est liée à la qualité de la soudure réalisée.

C'est pour remédier à ces inconvénients que l'invention propose un boîtier de distribution d'un fluide caloporteur pour un échangeur de chaleur comprenant une pluralité de tubes de circulation du fluide dans l'échangeur, ledit boîtier de distribution comprenant une boîte collectrice de fluide présentant des orifices destinés à recevoir les tubes de circulation. La boîte collectrice de fluide est constituée d'une pièce unique en un matériau plastique.

Ainsi, la réalisation du boîtier de distribution selon l'invention n'utilise qu'un seul moule au lieu de deux dans la technologie antérieure. De plus,

l'étanchéité du boîtier est garantie du fait du caractère monobloc de sa conception, et aucune reprise de quelque ordre que se soit n'est nécessaire.

Avec les boîtiers connus se pose aussi ie problème de la résistance à la rotation des boîtes collectrices de fluide par rapport aux tubes du faisceau, notamment dans le cas où le faisceau est mono-rang, c'est-à-dire qu'il ne comporte qu'une seul rangée de tubes par opposition au faisceau bi-rang où les tubes sont alignés sur deux rangées parallèles.

En effet, lors d'une rotation de la boîte collectrice, le couple qui en résulte s'applique sur le tube sur une hauteur équivalente à celle du joint d'étanchéité entre l'élément collecteur et le tube. Cette hauteur étant faible, l'effort exercé sur ie tube est relativement important.

D'autre part, ce couple résultant d'une rotation de la boîte collectrice s'applique sur ie tube sur une distance égale au diamètre du tube au niveau du joint d'étanchéité, ce qui explique que l'effort exercé sur les tubes soit plus grand dans le cas d'un faisceau mono-rang que dans Ie cas d'un faisceau bi- rang.

C'est pour limiter ces effets que l'invention prévoit un mode de réalisation dans lequel la boite collectrice comporte des lèvres latérales destinées à enserrer des éléments d'échange de chaleur assujettis auxdits tubes.

Comme on l'a vu plus haut, lesdits éléments d'échange de chaleur sont des ailettes parallèles traversées par lesdits tubes, dans ie mode d'assemblage mécanique, tandis que lesdits éléments d'échange de chaleur sont des intercalaires de forme ondulée disposés entre lesdits tubes, dans le mode d'assemblage par brasage.

Selon l'invention, l'étanchéité entre la boite collectrice et les tubes est réalisée du fait que la boite collectrice comprend au moins un joint destiné à être introduits dans au moins un orifice.

On comprend que, si la hauteur des lèvres latérales est supérieure à la hauteur des joints, par exemple une hauteur équivalente à quelques ailettes, typiquement 4 à 5, une rotation de la boîte collectrice exercera un couple qui sera réparti sur une surface plus grande qu'avec les boîtiers connus, d'où une diminution de l'effort appliqué sur les tubes.

Par ailleurs, dans l'invention, le couple résultant d'une rotation de la boîte collectrice s'applique sur le tube sur une distance égale à la largeur des ailettes par exemple, donc supérieure au diamètre des tubes, avec l'avantage de diminuer l'effort exercé sur (es tubes. Cet avantage peut encore être augmenté si, comme ie prévoit l'invention, lesdits orifices sont ovales pour recevoir des tubes de circulation ovales. Dans ce cas en effet, ia distance sur laquelle s'exerce l'effort de rotation est la largeur des ailettes, laquelle est p!us grande que dans l'art antérieur, le grand axe d'un tube ovale étant supérieur au diamètre d'un tube circulaire de section équivalente.

Cette disposition présente également l'avantage de pouvoir réaliser des faisceaux comportant un nombre plus grand de tubes sur la longueur des ailettes.

La présence de lèvres latérales offre bien d'autres avantages encore. Le guidage du faisceau lors de l'assemblage de Péchangeur est facilité par engagement des ailettes entre les lèvres. De plus, ces lèvres permettent de protéger la liaison entre le faisceau de tubes et la boîte collectrice contre les agressions extérieures. En outre, sur le plan esthétique, la zone d'accostage entre les ailettes et le joint est masquée par les lèvres latérales. Enfin, la solution proposée permet d'envisager une liaison entre le faisceau et le boîtier réalisée par coilage, les lèvres définissant un volume de confinement du produit de collage.

Lorsque la boîte collectrice a une forme de manchon tubulaire en matière plastique, il est nécessaire de placer des bouchons aux extrémités afin de fermer le volume de la boîte, car la fabrication par moulage de ce type de boîte collectrice implique l'utilisation d'un noyau introduit et retiré par une ou les deux extrémités de la forme de manchon tubulaire.

Les techniques d'obturation par bouchons couramment utilisées pour les boîtes collectrices en plastique sont le vissage et le soudage. Le vissage implique la réalisation de pas de vis dans des pièces en plastique, assez difficile et coûteuse en terme d'outillage ainsi qu'à l'assemblage. De plus, le vissage suppose de pouvoir disposer d'une épaisseur de matière suffisante pour implanter le filetage.

Les pièces rapportées par soudage plastique comportent souvent des bourrelets de surplus de matière assurant la garantie d'une bonne fusion des pièces, mais offrant un aspect peu esthétique.

Pour résoudre ces difficultés, l'invention propose que ladite boîte collectrice de fluide comprend un manchon tubuiaire fermé à au moins une extrémité par un bouchon fixé audit manchon par soudure confinée.

Selon un autre mode de réalisation, ladite boîte collectrice de fluide comprend un manchon tubuiaire fermé à au moins une extrémité par un bouchon fixé audit manchon par clippage, L'invention concerne également un échangeur de chaleur, remarquable en ce qu'il comprend au moins un boîtier de distribution de fluide caloporteur selon l'invention.

D'une manière générale, sur les assemblages précontraints, les échangeurs de chaleur avec boîtes collectrices tubuiaires doivent être équipés de traverses ou de joues latérales qui ont pour fonction de relier entre elles les deux boîtes collectrices d'arrivée et sortie de fluide, afin de supprimer tout risque de déchaussage des tubes avec les joints lors de la mise en pression du faisceau de tubes. Les traverses ou joues latérales assurent le maintien longitudinal des boîtes par rapport aux tubes du faisceau. Selon un mode de réalisation visant à simplifier l'assemblage des échangeurs de chaleur conformes à l'invention, certains au moins des tubes de circulation sont évasés à leur extrémité située à l'intérieur dudit boîtier de distribution. Ainsi, l'évasement des extrémités dépassantes des tubes dans la boîte collectrice, après assemblage des tubes dans les joints, permet de bloquer le déplacement longitudinal des tubes et d'assurer une retenue du faisceau et des boîtes collectrices sans avoir recours à des traverses ou à des joues latérales.

La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.

La figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un boîtier de distribution de fluide selon l'invention.

La figure 2 est une vue en coupe du boîtier de la figure 1.

La figure 3 est une vue de côté en coupe du boîtier de la figure 2 selon l'axe HI-III.

La figure 4 est une vue partielle de côté en coupe d'un premier mode de réalisation d'un bouchon d'extrémité de boîte collectrice. La figure 5a est une vue partielle de côté en coupe d'un second mode de réalisation d'un bouchon d'extrémité de boîte collectrice.

La figure 5b est une variante du mode de réalisation de la figure 5a.

La figure 6 est une vue en perspective éclatée montrant la disposition du boîtier, muni d'un joint d'étanchéité et de tubes. La figure 7 est une vue en perspective représentant un détail du joint.

La figure 8 est une vue en coupe correspondant à la figure 7 pour mieux faire apparaître certaines caractéristiques du joint d'étanchéité.

La figure 9 est une vue en perspective d'un boîtier de distribution de fluide selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. La figure 10 est une vue en perspective éclatée montrant la disposition du boîtier, muni d'un joint d'étanchéité et de tubes selon le deuxième mode de réalisation.

La figure 11 est une vue en perspective montrant Ia disposition du boîtier, muni d'un joint d'étanchéité et de tubes après montage et selon le deuxième mode de réalisation.

Sur Ia figure 1 est représenté un boîtier 10 de distribution d'un fluide caloporteur dans un échangeur de chaleur, tel qu'un radiateur.

Ledit échangeur de chaleur comprend une pluralité de tubes, comme le tube 51 amorcé sur la figure 1 , placés parallèlement les uns aux autres selon une rangée. Ces tubes sont prévus pour faire circuler le fluide caloporteur, de l'eau glycolée par exemple, à travers l'échangeur de chaleur.

Le boîtier 10 de distribution de la figure 1 comporte une boîte 11 collectrice de fluide de forme tubulaire dont les extrémités sont fermées par au moins un bouchon, non représenté sur la figure 1 , mais qui sera décrit plus loin en regard des figures 4, 5a et 5b. La boite collectrice comporte une partie 12 dite « partie collecteur ». Cette partie comporte deux faces : une située à l'intérieur du volume de la boite collectrice 11 et une autre située à l'extérieur

de ce volume. La partie collecteur 12 est de forme sensiblement plane au moins sur sa face extérieure, c'est-à-dire la face en contact avec une nappe de joint 41 qui sera décrite plus loin. Cette partie 12 présente une piuralité d'orifices 31 destinés à recevoir les tubes 51 de circulation. Avantageusement, les tubes 51 et les orifices 31 correspondant sont de forme ovales, ce qui permet de pouvoir disposer un nombre de tubes par rangée plus grand qu'avec des tubes de forme ronde.

Comme l'indique la figure 1 , le boîtier 10 de distribution forme une pièce monobloc unique réalisée par injection de matière plastique dans un seul moule. La boîte collectrice 11 de fluide présente ia forme d'un manchon tubulaire obtenu par démoulage d'un ou plusieurs noyaux suivant l'axe longitudinal. La section de manchon tubulaire est ici circulaire, mais il pourrait être également ovoïde ou même rectangulaire.

L'étanchéité entre la boite collectrice 11 et les tubes 51 est réalisée au moyen d'une nappe 40 de joints individuels 41 s'insérant dans les orifices correspondants 31 de la boite collectrice. Plus précisément, l'insertion se fait au niveau de la partie collecteur 12.

On peut observer sur la figure 1 la présence de lèvres latérales 21 , 22 moulées en même temps que la boîte collectrice 11. Les fonctions de ces lèvres latérales apparaissent plus clairement sur la figure 2.

Conformément à la figure 2, les lèvres latérales 21 , 22 sont destinés à enserrer un certain nombre d'ailettes 60 placées parallèlement entre elles et perpendiculairement aux tubes 51. A cet effet, les ailettes 60 sont percées de trous pour le passage des tubes 51 , le nombre de trous étant égal au nombre de tubes d'une rangée. Ces ailettes constituent des éléments d'échange de chaleur entre les tubes 51 et de l'air circulant entre les ailettes dans le sens indiqué par la flèche F. Ce type d'éléments d'échange de chaleur convient bien aux échangeurs assemblés mécaniquement. Cependant, d'autres éléments d'échange de chaleur peuvent être envisagés, comme les intercalaires à ondulations utilisés pour les échangeurs brasés.

On comprend sur la figure 2 que si les lèvres latérales 21 , 22 ont une hauteur H dépassant celle des joints 41 , par exemple 4 à 5 ailettes, l'effort exercé sur le faisceau de tubes par la rotation de la boîte 11 est plus faible

que si cet effort s'exerçait sur la hauteur du joint, comme pour les boîtiers connus de l'art antérieur.

De même, on peut voir sur la figure 2 que le couple de rotation s'applique sur une distance L égale à la largeur des ailettes 60, cette distance étant d'autant plus grande que des tubes ovales 51 , et non ronds, sont utilisés.

Un autre intérêt des lèvres latérales 21 , 22 est de faciliter l'assemblage du faisceau de tubes et du boîtier 10 par effet de centrage sur la largeur des ailettes. La figure 3 illustre une réalisation particulière d'un échangeur de chaleur comportant un boîtier 10 de distribution tel que précédemment décrit, dans lequel les extrémités des tubes 51 débouchant dans la boîte collectrice 11 sont évasés, de sorte à bloquer le déplacement longitudinal des tubes par rapport au boîtier, Appliquant la même disposition pour l'autre boîtier de l'échangeur, on évite l'utilisation de traverses ou joues latérales pour relier les deux boîtiers entre eux.

Un mode de réalisation non représenté propose un évasement sélectif des tubes. Autrement dit, seulement une partie des tubes, placés en des endroits choisis, sera évasée. On pourra, par exemple, choisir d'évaser que les premiers tubes situés à chaque extrémité du faisceau, par exemple entre quatre et dix tubes. Un mode de réalisation particulier prévoit l'évasement des cinq ou six premiers tubes de chaque côté du faisceau.

La figure 4 montre une solution proposée pour obturer les extrémités du manchon tubulaire constituant la boite collectrice 11. Cette solution consiste à souder sans bourrelet apparent un bouchon 13 de matière plastique par vibrations, uϋra-sons ou même par friction lorsque le bouchon est cylindrique.

Les bouchons soudés permettent de réaliser l'étanchéité sans avoir recours à aucun joint de caoutchouc, avec des temps de cycle inférieurs à la seconde. Le cordon 70 de soudure est invisible car confiné dans la boîte collectrice grâce aux formes du bouchon 13 qui empêchent au surplus de matière de déborder à l'extérieur. Il n'est d'ailleurs pas nécessaire d'avoir un

surplus de matière pour assurer la soudure car celle-ci est effectuée dans le sens longitudinal de la boîte,

Les figures 5a et 5b présentent deux modes de fermeture de la boîte collectrice 11 par clippage d'un bouchon 13', 13" Ce type de montage non soudé nécessite l'utilisation d'un joint torique

80, le bouchon est alors clippé sur des profils adaptés des extrémités de la boîte 11. La fermeture du volume de la boîte collectrice est très rapide, le clippage prend quelques secondes.

Les bouchons clippés permettent de réaliser économiquement l'opération de fermeture des boîtes avec un investissement limité en moyens d'assemblage.

La figure 6 montre comment le joint peut être monté à l'extérieur de la boîte collectrice. On voit que le joint comporte, comme déjà indiqué, une nappe 40 supportant une pluralité de joints individuels 41 en forme de manchon. Dans l'exemple, les tubes ont une section de forme sensiblement ovale et les joints individuels sont réalisés sous la forme d'un manchon de forme homologue. De l'extérieur du boîtier 10 sont issues deux parois paraiièies 21 et 22, encore appelées lèvres, qui servent à encadrer la nappe du joint. Comme on le voit sur la figure 7, chaque joint individuel comporte des lèvres extérieures 56 qui servent à maintenir le joint en place sur la boîte collectrice après emboîtement de ceiui-ci dans les trous de passage des tubes et un anti-déboîtement de celui-ci après enfilage des tubes. Ces lèvres extérieures font saillie à l'intérieur de la boîte collectrice une fois que le joint a été mis en place.

On voit sur la figure 8 que ce joint comporte en outre des lèvres intérieures 58 qui font saillie vers l'intérieur du joint individuel, c'est-à-dire vers l'intérieur de son manchon. Ces lèvres intérieures servent à améliorer l'étanchéité de l'extrémité du tube car la pression à l'intérieur de la boîte collectrice va exercer un effort sur cette lèvre et augmenter le contact sur le tube. Elles servent aussi à verrouiller les lèvres extérieures.

Les figures 9 ; 10 et 11 représentent un boîtier de distribution de fluide selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.

Dans ce mode de réalisation, le boîtier 10 de distribution comprend deux séries de trous ou d'orifices 31 -A et 31 -B qui sont destinés à recevoir deux rangées de tubes 51 -A et 51 -B de circulation. Le boîtier de distribution 10 est donc ici un boîtier de distribution dit bi-rang.

Comme dans le mode réalisation précédent (c'est-à-dire un échangeur de chaleur comportant une seule rangée de tubes), le boîtier 10 de distribution comporte une boîte collectrice de fluide de forme tubulaîre et une partie dite « partie collecteur ».

La partie collecteur comporte deux faces : une située à l'intérieur du volume de la boite collectrice et une autre située à l'extérieur de ce volume. La partie collecteur est plane et ceci au moins sur sa face extérieure, c'est-à-dire la face en contact avec une nappe de joints 40 (représenté plus particulièrement à la figure 10). La partie collecteur présente une pluralité d'orifices 31 -A et 31 -B destinés à recevoir respectivement les tubes 51 -A et 51 -B. Les orifices 31 -A et 31 -B sont répartis en deux rangées de trous parallèles entre elles, les trous d'une rangée étant situés les uns en dessous des autres. Le boîtier 10 de distribution est fermé à ses extrémités par au moins un bouchon 13.

Ici aussi, le boîtier 10 de distribution forme une pièce monobloc unique réalisée, par exemple, par injection de matière plastique dans un seul moule.

Le boîtier 10 de distribution comporte en outre deux lèvres latérales 21 , 22.

Le boîtier est muni d'une nappe de joints d'étanchéité 40 qui est appliquée, dans ce mode de réalisation, sur la partie collecteur du boîtier de distribution 10 entre les deux lèvres latérales 21 et 22. La nappe de joints 40 est composée de deux séries parallèles de joints individuels qui recevront après assemblage les deux rangées de tubes 51 -A et 51 -B. Chaque joint individuel est composé par au moins un manchon s'insérant dans un orifice du boîtier de distribution pour permettre une étanchéité entre le boîtier de distribution et les tubes de circulation.

L'échangeur de chaleur comporte aussi des ailettes 60 placées parallèlement entre elles et perpendiculairement aux tubes 51-A et 51-B (une seule d'entre elles a été représentée aux figures 10 et 11). Les ailettes 60 sont percées de deux rangées de trous permettant le passage des deux rangées de tubes 51 -A et 51-8, le nombre de trous dans chaque rangée étant égal au nombre de tubes de ladite rangée.

Dans ce mode de réalisation, ies extrémités des tubes 51 -A et 51 -B ont été ovalisées. Cette opération consiste, avec l'aide d'un poinçon spécifique dit d'ovalisation, à modifier ia forme du tubes au niveau d'au moins une de ces extrémités, ici, le tube comporte, avant l'opération d'ovalisation, un contour général de forme de type « haricot ».

Cette opération d'ovalisation s'effectue après l'opération d'expansion des tubes dans les ailettes. Le but principal de cette opération est de donner de la résistance au tube face à la compression du joint sur le tube. En effet, une forme de type obiongue ou ovale résiste mieux à une pression extérieure qu'une forme de type haricot, On améliore aussi la perte de charge interne du liquide en augmentant la section d'entrée du tube.

Un mode de réalisation non représenté propose un échangeur comportant un faisceau de tubes et d'ailettes brasés ensemble sur lequel est placé un boîtier de distribution selon l'invention.