Plaque collectrice pour échangeurs thermiques à circulation de fluide sous haute pression

L'invention se rapporte au domaine des échangeurs de chaleur et notamment aux échangeurs de chaleur destinés à être parcourus par un fluide sous haute pression.

à cet égard, l'invention se rapporte plus particulièrement aux échangeurs de climatisation susceptibles d'être parcourus par un fluide réfrigérant à l'état supercritique, comme c'est le cas de gaz naturels tels que le dioxyde de carbone ou CO ₂ . De tels échangeurs trouvent une application particulière dans les véhicules automobiles. Ils peuvent notamment constituer un refroidisseur de gaz dans lequel le fluide réfrigérant sortant d'un compresseur est refroidi par un autre fluide, généralement de l'air, tout en restant en phase gazeuse. Ce refroidisseur de gaz joue ainsi le rôle du condenseur dans un circuit de climatisation classique où le fluide réfrigérant est présent sous deux phases distinctes, l'une gazeuse et l'autre liquide ^' .

On rappellera que, dans un circuit de climatisation parcouru par un fluide réfrigérant à l'état supercritique, ce fluide reste essentiellement à l'état gazeux et sous une pression très élevée qui est habituellement comprise entre 100 et 150 bars. Il en résulte que de tels échangeurs de chaleur doivent pouvoir résister à de telles pressions élevées, la pression d'éclatement préconisée étant généralement trois fois la valeur de la pression nominale de fonctionnement.

Par ailleurs, deux problèmes constants des échangeurs thermiques implémentés dans le bloc moteur d'un véhicule automobile résident en l'allocation d'une place réduite tout en conservant des - propriétés/caractéristiques intéressantes ainsi que le coût de fabrication et éventuellement de montage de ces échangeurs qui ne doivent pas présenter de zones - fragiles ou peu solides afin de résister au mieux aux fortes pressions locales .

En effet, les risques d'éclatement se situent essentiellement au niveau de la zone de coopération entre les extrémités des tubes et la boîte collectrice.

L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients/difficultés précités en proposant une plaque collectrice, ainsi qu'une boîte collectrice incluant cette plaque, peu encombrante, facile et économique à réaliser car présentant une faible épaisseur et autorisant un perçage par poinçonnage pour créer les logements de réception des extrémités de tubes, tout en garantissant une excellente tenue/résistance à la pression.

Elle propose à cet effet une boîte collectrice d'échangeur de chaleur, comportant un couvercle, une plaque collectrice comprenant une pluralité de perçages/trous destinés chacun à autoriser l'insertion d'une extrémité de tube et une plaque intermédiaire disposant d'ouvertures de dimensions supérieures à celles desdits perçages/trous et destinée à éloigner au moins une paroi du couvercle, la plaque collectrice, le couvercle et la plaque intermédiaire étant au moins partiellement brasés ensemble, caractérisée en ce que ladite boîte collectrice comprend dès moyens d'espacement destinés à espacer les extrémités de tubes des bords des susdites ouvertures de la plaque intermédiaire.

On entend par l'expression « portion d'engagement » la partie de la plaque collectrice destinée à venir en contact avec les extrémités de tubes.

Les différentes parties et section de la plaque collectrice selon l'invention seront définies dans la suite, en particulier vis-à-vis des éléments voisins, à savoir la plaque intermédiaire et les tubes.

D'autres caractéristiques de l'échangeur de chaleur interne sont indiquées ci-après.

- au moins une partie de la portion d'engagement est fixée par brasage audit côté de la plaque intermédiaire.

- la plaque collectrice enserre le couvercle et la plaque intermédiaire de manière à former un ensemble solidaire.

- la portion d'engagement s'étend, à partir des extrémités des perçages/trous, en direction du couvercle. Dans ce cas, la résistance mécanique de l'échangeur de chaleur est excellente du fait d'une zone de brasage plus importante entre le tube et la plaque collectrice.

- la portion d'engagement s'étend perpendiculairement au côté du tube. - la plaque collectrice présente une épaisseur comprise entre 0,6 et 1,6 millimètres.

- l'épaisseur de la plaque collectrice est comprise entre 0,8 et 1,2 millimètre.

- le couvercle présente deux arches, les deux arches étant liées l'une à l'autre par un pied/jambage central.

- la distance entre le bord du pied central et le tube est supérieure à 0,5 millimètre.

Enfin, la présente invention se rapporte également à un échangeur thermique parcouru par un fluide à haute pression, en particulier supérieure à 100 bars, caractérisé en ce qu'il comprend une boîte collectrice telle que définie précédemment.

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

- la figure 1 est une représentation schématique d'une coupe longitudinale montrant une extrémité de tubes insérée dans une plaque collectrice, ainsi qu'une plaque intermédiaire et qu'un couvercle ;

- la figure 2 est une représentation d'éléments identiques à ceux de la figure 1 mais illustrant l'association de la plaque collectrice, de la plaque intermédiaire et du couvercle considérés dans une coupe ou section où n'est pas présente un tube ;

la figure 3 est une vue schématique de la boîte collectrice selon l'invention, c'est-à-dire l'association d'un couvercle, d'une plaque intermédiaire et d'une plaque collectrice.

Les figures annexées représentent les mêmes éléments d'un échangeur de chaleur, à savoir un tube 1 ou plutôt une extrémité de tube, une plaque collectrice 2, une plaque intermédiaire 3 ainsi qu'un couvercle 4.

Bien que la plaque collectrice 2 et le couvercle 4 forment les éléments de base nécessaires a la réalisation d'un collecteur ou d'une boîte collectrice, la présente

invention est exposée ici avec un troisième élément à savoir une plaque intermédiaire 3.

On pourra en effet prévoir que l'invention s'applique avec un collecteur, ou boîte collectrice, réalisé en une seule pièce. Dans ce cas néanmoins, cette boîte collectrice présentera une géométrie particulière afin d'intégrer les formes et fonctions de la plaque collectrice -2 et de la plaque intermédiaire 3, telles qu'exposées dans la présente demande de brevet.

Dans les figures annexées, on a choisi de représenter le couvercle 4 avec deux arches 5, 5' mais ce dernier 4 pourra comprendre une unique arche ou plus de deux arches .

Le couvercle 4 présente une surface supérieure plane 6 située respectivement à ces deux extrémités, ou côtés, latérales destinée à permettre un sertissage optimum de protubérances, ou dents 7, s 'étendant à l'extrémité supérieure du couvercle. Comme cela est visible sur la figure 3, ces protubérances ou dents 7 de sertissage sont idéalement espacées les unes des autres sur toute la longueur de la plaque collectrice.

Le couvercle 4 présenté sur les figures annexées comporte donc ici deux arches 5, 5' formant un jambage central 8, dont l'extrémité orientée, et à proximité, vers l'extrémité du tube 1 et la face inférieure des jambages latérales 9 est plane ou présente une surface complémentaire à la surface supérieure de la plaque intermédiaire 3 de sorte que l'association de ces deux éléments 3, 4 se fait plan sur plan.

Chaque arche 5, 5' consiste essentiellement en un demi- cercle de sorte que leur section s'inscrit dans un cercle de manière à résister au mieux à la pression du fluide supercritique .

Par ailleurs, la distance minimale estimée entre le bord, ou l'extrémité 10, du jambage central 8 et l'extrémité 11 d'un tube 1 considéré de manière que le fluide supercritique puisse pénétrer et se répandre au mieux dans la boîte collectrice.

La plaque collectrice 2 présente ici quatre côté d' extension.

La section de la plaque collectrice 2 illustrée sur les figures 1 et 2 montrent une partie supérieure 7 s 'étendant parallèlement et contre ou le long de la face plane supérieure 6 du couvercle 4. Cette partie supérieure 7 de la plaque collectrice 2 s'étend suivant la direction de l'axe XX' .

A partir de cette partie supérieure 7 de la plaque collectrice s'étend la partie latérale extérieure 12 le long du côté extérieure du couvercle 4 et du côté extérieure de la plaque intermédiaire 3. Ainsi, la partie latérale 12 de la plaque collectrice 2 présente une longueur sensiblement équivalente à la hauteur ou l'épaisseur du couvercle 4 plus l'épaisseur ou hauteur de la plaque intermédiaire 3 ; l'épaisseur ou la hauteur étant considérée suivant l'axe YY', c'est-à-dire que la partie latérale 12 s'étend suivant la direction de l'axe YY'.

Suite à la partie latérale 12 de la plaque collectrice 2 s'étend la partie inférieure 13 s ' étendant parallèlement à

la partie supérieure 7, soit suivant la direction de l'axe XX' .

Enfin, à partir de la partie inférieure 13 de la plaque collectrice 2 s'étend, au niveau des ouvertures destinées à recevoir les extrémités de tubes 1, la portion d'engagement

14, parallèle à la direction XX' et à la partie latérale extérieure 12, qui vient en contact au moins sur une partie de la hauteur ou de l'épaisseur de la plaque intermédiaire 3 et du tube 1.

Ainsi, la plaque collectrice 2 de l'invention enserre totalement, mais en restant ouvert sur au moins une partie, par sertissage de dents 7 ou d'ailes, le couvercle 4 et la plaque intermédiaire 3 de manière à former un ensemble particulièrement compact et solide, comme représenté en particulier sur la figure 3, permettant de garantir le serrage de l'ensemble et donc le contact entre les différentes zones à braser.

Par ailleurs, le couvercle 4, la plaque intermédiaire 3 et la plaque collectrice 2 sont finalement brasées entre eux grâce à un revêtement préalablement disposé de couche de brasage sur au moins une partie des zones de contact entre ces différents éléments 2, 3, 4.

La portion d'engagement 14 présente une couche de brasage tant sur sa face externe, en contact avec la paroi externe des tubes 1, que sur sa face interne, en contact avec la plaque intermédiaire 3. Bien entendu, on pourra également envisager que la couche, ou placage, de brasage se trouve uniquement sur la face externe des tubes 1 et la plaque intermédiaire 3.

La plaque intermédiaire présente classiquement des parties biseautées 15 au niveau des régions de courbure de la plaque collectrice 2 en contact avec la plaque intermédiaire 3 afin de d'autoriser une courbure, généralement réalisée par emboutissage, plus simple et résistante .

L'extrémité du tube 1 pénètre profondément dans la boîte collectrice, formée des éléments 2, 3 et 4, ou plus exactement dépasse d'une longueur minimum, par exemple de l'ordre d'un millimètre, le bord ou l'extrémité de la portion d'engagement 14 de sorte que la brasure présente sur la portion d'engagement 14 et/ou sur la face interne de la plaque intermédiaire 3 ne diffuse pas jusqu'aux entrées des conduits du tube 1 et les bouchent.

La portion d'engagement 14 pourra consister, selon une variante non représentée sur les figures annexées, en un prolongement de la partie inférieure 13 suivant l'axe XX' de sorte que cette portion d'engagement ne présente aucun partie en contact, brasée ou non, avec la plaque intermédiaire 3 , Ainsi est réalisé ici la fonction première de la portion d'engagement 14, à savoir garantir un espacement minimum, avant brasage de l'ensemble formant la boîte collectrice et/ou l ' échangeur de chaleur, au moins supérieure à 0,1 millimètre, entre la plaque intermédiaire 3 et le tube 1 de sorte qu'il n'y a aucun risque que de la brasure bouche les conduits de circulation des tubes 1.

On note que l'évasement de l'extrémité du tube 1, venant en butée contre la plaque collectrice 2, a notamment pour fonction de préserver une distance minimale entre l'extrémité du tube 1 et le jambage 8 ou éventuellement la boîte collectrice 2 s'il y a lieu (dans une configuration

sans jambage central) . L'évasement sert ici à arrêter l'extrémité du tube 1 mais l'homme du métier pourra envisager toutes solutions permettant d'obtenir la même fonction.

Dans le mode de réalisation où la portion d'engagement 14 vient en retour le long du côté de la plaque intermédiaire 3, on prévoit que la portion d'engagement se termine en retrait par rapport à l'extrémité supérieure de la plaque intermédiaire 3 de sorte que la brasure présente sur la plaque intermédiaire 3, en- particulier sur le côté en contact avec la portion d'engagement 14, ne risque pas, par un éventuel phénomène de capillarité, en contact avec les entrées des conduits des tubes afin de ne pas les boucher, Ce retrait ou la distance entre l'extrémité de la portion d'engagement 14 et le bord supérieur de la plaque intermédiaire est d'au minimum 0,1 millimètre (mm). Néanmoins, on pourra également envisager que la portion d'engagement 14 dépasse, en hauteur ou épaisseur, la plaque intermédiaire 3.

Les perçages/trous, destinés à l'insertion des tubes 1, et les portions d'engagement 14 de la plaque collectrice 2 sont classiquement obtenus par poinçonnage mais on pourra envisager tous types différents d'obtention de ces parties de la plaque collectrice.