EP0684441A1 - Plaque collectrice renforcée pour échangeur de chaleur - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a collector plate intended to delimit the interior volume of a fluid box of a heat exchanger, in particular of a motor vehicle cooling radiator, and having openings for the passage of fluid circulation tubes. formed in a substantially planar region of the plate which is connected to at least one curved region of generally cylindrical shape deviating from the plane of the planar region on the side of said interior volume.
- collector plates are used in particular in radiators serving for cooling the charge air of motor vehicles, in which the charge air, which circulates in the fluid box and in the tubes, is at a high pressure and at a temperature which may exceed 100 ° C. This results in mechanical and thermal stresses for the collector plate which can, especially when it is made of aluminum alloy, cause cracking along the generatrix of the curved region, this the latter having already undergone fatigue during the bending operation which made it possible to obtain it.
- the object of the invention is to remedy these drawbacks, and to provide a collecting plate which can withstand strong mechanical and thermal stresses without failure.
- the invention relates in particular to a collecting plate of the kind defined in the introduction, and provides that said cylindrical shape is interrupted, without discontinuity of material, by a multiplicity of recessed zones distributed along its generatrix and each extending over its entire length. arc, the internal and external faces of the plate being offset inwards and its thickness increased, at the recessed areas, relative to the faces and to the thickness corresponding to the cylindrical shape.
- the increase in thickness observed in the recessed areas can be explained by the need to compensate, at constant volume, the decrease in the size thereof in the direction of the arc length, due to the offset of the material towards the center of curvature. It is assumed that this localized increase in thickness prevents the propagation, along the generator, of stresses or deformations which could lead to rupture.
- the invention also relates to a method of manufacturing a collector plate as defined above, in which one starts from a substantially flat plate and of substantially uniform thickness, the material of the plate is pushed back, perpendicular to its plane, in mutually spaced zones aligned in this plane, at least one region of the plate is bent to give it a generally cylindrical shape by moving it away from the initial plane of the plate in the direction in which the material has been repelled, the generatrix of said cylindrical shape being parallel to the direction of alignment of said zones and the latter extending over the entire arc length of the cylindrical shape, said openings being made, before, during or after the previous operations, in the region of the plate that remains in the initial plane.
- the invention also relates to a heat exchanger, in particular a motor vehicle cooling radiator, comprising a fluid box whose internal volume is delimited by a collecting plate as defined above and communicates with fluid circulation tubes passing through said openings.
- FIG. 1 represents a known manifold plate 1 intended to form part of a charge air cooling radiator of a motor vehicle.
- This collector plate has the same general shape as the collector plate according to the invention which will be described in detail below in connection with FIGS. 2 to 6. It is produced from an elongated rectangle made of aluminum alloy sheet , and comprises a flat region 2 of elongated rectangular shape, connected on its two longitudinal sides respectively to raised edges 3, 4 both extending in front of the plane of the figure, by means of curved regions in a quarter of a circle .
- the central flat region 2 is pierced with openings 5 aligned in the longitudinal direction of the plate, intended for the passage of tubes for the circulation of the air to be cooled, each of these openings having the general shape of an elongated rectangle perpendicular to the longitudinal direction of the plate.
- the material of the plate is pushed back, in zones 8 distributed in the longitudinal direction of the plate, on the same side as the movement of the material for making of the curved regions, that is to the right of FIGS. 5 and 6.
- the result of this pushing back, before the realization of the curved regions, is shown in the upper half of FIG. 6.
- the zone 8 forms a groove 9 and a rib 10 elongated perpendicular to the longitudinal direction of the plate and arranged opposite one another in the internal face and in the external face, turned to the left and to the right of FIG. 6.
- This groove and this rib extend over the entire width of the middle region 2 and of the region 7 'intended to form, after bending, the curved region 7.
- the groove 9 and the rib 10 s' also extend, symmetrical in relation to the median longitudinal plane of the plate, over the entire width of the region intended to form the curved region 6, the latter being shown already produced in FIG. 6. In the finished collector plate, they extend without interruption from the marginal region 3 to the marginal region 4, stopping at a certain distance from the free edges of the latter.
- the extension of the recessed areas 8, from one curved region to the other, over the entire width of the flat region 2, allows the collector plate to absorb large amounts of thermal expansion without permanent deformation, as described in FR-A -2 538 526. In applications where this function is not necessary, the recessed areas can be limited to the curved regions.
- the profile of the collector plate has been drawn in FIG. 7 as seen in the plane of FIG. 5, in and in the vicinity of the curved region 6, in solid line for the collector plate according to the invention and in line interrupted for the known collector plate according to FIG. 1.
- the final wall thickness is substantially uniform and equal to the thickness of the starting flat plate, for example 2.90 mm.
- the thickness eo at mid-width of the recessed area 8, in the flat central region 2, still remains substantially equal to the initial thickness.
- the thickness is increased and passes through a maximum ei, substantially at mid-arc length, for which values of 3.20 to 3.50 mm have been noted.
- each set back area 8 occupies, in the longitudinal direction of the collector plate, a small length relative to the length of the areas between two neighboring areas 8, these intermediate areas retaining a planar or cylindrical shape, except in the parts deformed by the punching of the openings 5.
- An opening 5 is provided in each of these intermediate zones.
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Abstract
Description
- L'invention concerne une plaque collectrice destinée à délimiter le volume intérieur d'une boite à fluide d'un échangeur de chaleur, notamment d'un radiateur de refroidissement de véhicule automobile, et présentant des ouvertures pour le passage de tubes de circulation de fluide ménagées dans une région sensiblement plane de la plaque qui se raccorde à au moins une région incurvée de forme générale cylindrique s'écartant du plan de la région plane du côté dudit volume intérieur.
- De telles plaques collectrices sont utilisées en particulier dans des radiateurs servant au refroidissement de l'air de suralimentation de véhicules automobiles, dans lesquels l'air de suralimentation, qui circule dans la boite à fluide et dans les tubes, est à une pression importante et à une température qui peut dépasser 100 °C. Il en résulte pour la plaque collectrice des contraintes mécaniques et thermiques qui peuvent, notamment lorsqu'elle est en alliage d'aluminium, entraîner une fissuration le long de la génératrice de la région incurvée, cette dernière ayant déjà subi une fatigue lors de l'opération de cintrage qui a permis de l'obtenir.
- Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients, et de fournir une plaque collectrice pouvant résister sans défaillance à de fortes contraintes mécaniques et thermiques.
- L'invention vise notamment une plaque collectrice du genre défini en introduction, et prévoit que ladite forme cylindrique est interrompue, sans discontinuité de matière, par une multiplicité de zones en retrait réparties le long de sa génératrice et s'étendant chacune sur toute sa longueur d'arc, les faces interne et externe de la plaque étant décalées vers l'intérieur et son épaisseur augmentée, au niveau des zones en retrait, par rapport aux faces et à l'épaisseur correspondant à la forme cylindrique.
- L'augmentation d'épaisseur constatée dans les zones en retrait peut s'expliquer par la nécessité de compenser, à volume constant, la diminution de la dimension de celle-ci dans la direction de la longueur d'arc, due au décalage de la matière vers le centre de courbure. On suppose que cette augmentation d'épaisseur localisée empêche la propagation, le long de la génératrice, de contraintes ou de déformations qui pourraient conduire à la rupture.
- D'autres caractéristiques, complémentaires ou alternatives, de la plaque collectrice selon l'invention sont énoncées ci-après :
- - Chaque zone en retrait présente, dans un plan parallèle à la génératrice et traversant l'épaisseur de la plaque, un profil en forme de créneau arrondi et/ou à flancs évasés.
- - La région incurvée se raccorde, aux deux extrémités de sa longueur d'arc respectivement, à ladite région plane et à une région marginale s'étendant sensiblement selon un plan perpendiculaire à celui de la précédente.
- - Les faces de la région incurvée sont sensiblement tangentes à celles de la région plane et le cas échéant à celles de la région marginale.
- - La région plane est de forme allongée et se raccorde par ses deux côtés sensiblement parallèles à deux régions incurvées respectivement présentant lesdites zones en retrait.
- - Lesdites zones en retrait s'étendent de façon continue de l'une à l'autre des deux régions incurvées en interrompant la forme plane de ladite région plane, chacune desdites ouvertures étant située entre deux zones en retrait voisines.
- - Elle est réalisée en alliage d'aluminium.
- L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une plaque collectrice telle que définie ci-dessus, dans lequel on part d'une plaque sensiblement plane et d'épaisseur sensiblement uniforme, on repousse la matière de la plaque, perpendiculairement à son plan, en des zones mutuellement espacées et alignées dans ce plan, on cintre au moins une région de la plaque pour lui donner une forme générale cylindrique en l'écartant du plan initial de la plaque dans le sens où la matière a été repoussée, la génératrice de ladite forme cylindrique étant parallèle à la direction d'alignement desdites zones et ces dernières s'étendant sur toute la longueur d'arc de la forme cylindrique, lesdites ouvertures étant réalisées, avant, pendant ou après les opérations précédentes, dans la région de la plaque qui subsiste dans le plan initial.
- L'invention vise encore un échangeur de chaleur, notamment un radiateur de refroidissement de véhicule automobile, comprenant une boite à fluide dont le volume intérieur est délimité par une plaque collectrice telle que définie plus haut et communique avec des tubes de circulation de fluide traversant lesdites ouvertures.
- Les caractéristiques et avantages de l'invention seront exposés plus en détail dans la description ci-après, en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :
- - la figure 1 est une vue de dessus d'une plaque collectrice connue;
- - la figure 2 est une vue partielle de dessus, à plus grande échelle, d'une plaque collectrice selon l'invention;
- - les figures 3 et 4 sont des vues partielles en coupe selon la ligne III-III de la figure 5 et selon la ligne IV-IV de la figure 2;
- - les figures 5 et 6 sont des vues en coupe selon les lignes V-V et VI-VI de la figure 2 respectivement, la figure 6 montrant la plaque collectrice dans une étape intermédiaire de sa fabrication; et
- - la figure 7 représente des profils de la plaque collectrice selon les figures 2 à 6.
- La figure 1 représente une plaque collectrice connue 1 destinée à faire partie d'un radiateur de refroidissement d'air de suralimentation d'un véhicule automobile. Cette plaque collectrice a la même forme générale que la plaque collectrice selon l'invention qui sera décrite en détail plus loin en relation avec les figures 2 à 6. Elle est réalisée à partir d'un rectangle allongé en tôle d'alliage d'aluminium, et comprend une région plane 2 de forme rectangulaire allongée, reliée sur ses deux côtés longitudinaux respectivement à des bords relevés 3, 4 s'étendant tous deux en avant du plan de la figure, par l'intermédiaire de régions incurvées en quart de cercle. La région plane médiane 2 est percée d'ouvertures 5 alignées dans la direction longitudinale de la plaque, destinées au passage de tubes pour la circulation de l'air à refroidir, chacune de ces ouvertures ayant la forme générale d'un rectangle allongé perpendiculairement à la direction longitudinale de la plaque.
- On retrouve dans la plaque collectrice 1 illustrée aux figures 2 à 6 la région plane médiane 2, les bords relevés 3 et 4 et les ouvertures 5. Les bords 3 et 4, qui s'étendent selon des plans perpendiculaires à celui de la région médiane 2, se raccordent à celle-ci par des régions respectives 6, 7 incurvées en quart de cercle. De façon connue, cette forme générale est obtenue en déformant une plaque initialement plane de façon que les régions situées de part et d'autre de la région médiane 2 s'éloignent de ce plan en formant les régions incurvées cylindriques 6, 7 et les régions marginales planes 3, 4.
- Selon l'invention, avant l'opération de cintrage des régions 6 et 7, la matière de la plaque est repoussée, dans des zones 8 réparties dans la direction longitudinale de la plaque, du même côté que le déplacement de la matière pour la réalisation des régions incurvées, c'est-à-dire vers la droite des figures 5 et 6. Le résultat de ce repoussage, avant la réalisation des régions incurvées, est montré dans la moitié supérieure de la figure 6. On voit que la zone 8 forme une rainure 9 et une nervure 10 allongées perpendiculairement à la direction longitudinale de la plaque et disposées en vis-à-vis l'une de l'autre respectivement dans la face interne et dans la face externe, tournées vers la gauche et vers la droite de la figure 6. Cette rainure et cette nervure s'étendent sur toute la largeur de la région médiane 2 et de la région 7' destinée à former, après cintrage, la région incurvée 7. La rainure 9 et la nervure 10 s'étendent également, symétriquement par rapport au plan longitudinal médian de la plaque, sur toute la largeur de la région destinée à former la région incurvée 6, cette dernière étant montrée déjà réalisée sur la figure 6. Dans la plaque collectrice terminée, elles s'étendent sans interruption de la région marginale 3 à la région marginale 4, en s'arrêtant à une certaine distance des bords libres de ces dernières. Le prolongement des zones en retrait 8, d'une région incurvée à l'autre, sur toute la largeur de la région plane 2, permet a la plaque collectrice d'absorber sans déformations permanentes de fortes dilatations thermiques, comme décrit dans FR-A-2 538 526. Dans les applications où cette fonction n'est pas nécessaire, les zones en retrait peuvent être limitées aux régions incurvées.
- On a dessiné sur la figure 7 le profil de la plaque collectrice comme vu dans le plan de la figure 5, dans la région incurvée 6 et au voisinage de celle-ci, en trait plein pour la plaque collectrice selon l'invention et en trait interrompu pour la plaque collectrice connue selon la figure 1. Dans le cas de la plaque collectrice connue, l'épaisseur de paroi finale est sensiblement uniforme et égale à l'épaisseur de la plaque plane de départ, par exemple 2,90 mm. Pour la plaque collectrice selon l'invention, l'épaisseur eo, à mi-largeur de la zone en retrait 8, dans la région médiane plane 2, reste encore sensiblement égale à l'épaisseur initiale. En revanche, dans la région incurvée 6, l'épaisseur est augmentée et passe par un maximum ei, sensiblement à mi-longueur d'arc, pour lequel on a relevé des valeurs de 3,20 à 3,50 mm.
- Le profil des rainures 9 et des nervures 8, comme vu dans un plan perpendiculaire à leur direction longitudinale, est déterminé par les outils servant à repousser la matière pour former les zones en retrait 8. Ce profil est avantageusement en créneau arrondi et à flan évasé, comme on le voit aux figures 3 et 4, de façon à minimiser les contraintes mécaniques. On voit également que chaque zone en retrait 8 occupe, dans la direction longitudinale de la plaque collectrice, une longueur petite par rapport à la longueur des zones comprises entre deux zones 8 voisines, ces zones intermédiaires conservant une forme plane ou cylindrique, sauf dans les parties déformées par le poinçonnage des ouvertures 5. Une ouverture 5 est ménagée dans chacune de ces zones intermédiaires.
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