EP3198212B1 - Plaque collectrice pour un échangeur de chaleur, boîte collectrice et échangeur de chaleur - Google Patents

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EP3198212B1
EP3198212B1 EP15766888.0A EP15766888A EP3198212B1 EP 3198212 B1 EP3198212 B1 EP 3198212B1 EP 15766888 A EP15766888 A EP 15766888A EP 3198212 B1 EP3198212 B1 EP 3198212B1
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header plate
wall
heat exchanger
plate
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Valeo Systemes Thermiques SAS
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    • F28F2265/26—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for allowing differential expansion between elements

Definitions

  • the present invention relates to a collector plate (also called collector) of a motor vehicle heat exchanger, for example for engine cooling radiator, for air conditioning condenser, for charge air cooler, as well as a manifold box. and a heat exchanger.
  • collector plate also called collector
  • the present invention relates in particular to a header plate as defined by the preamble of claim 1, and as disclosed by JP 10232097 .
  • a header plate for a heat exchanger comprising a wall provided with orifices, intended to be crossed by tubes arranged in a row in a longitudinal direction.
  • This plate has a central portion for receiving the tubes which is curved inward or outward.
  • the curvature of the collector plates is intended to avoid as much as possible the deterioration of the exchanger caused by local thermal differences which strongly constrain the tube and stress the junction between the collector plate and the tubes, in particular on the external rays of the tube.
  • This junction can be materialized by a joint or by brazing or even a direct weld between the tube and the plate. In the long run, the junction may end up being no longer watertight, which puts the exchanger out of service. A high fluid circulation pressure inside the exchanger is of course an aggravating factor of this phenomenon.
  • the object of the invention is to provide a solution which overcomes these drawbacks, in particular by reducing the constraints which apply to the tube.
  • small than representing less than 80% of the reference value.
  • the second radius of curvature should be less than 80% of the first radius of curvature.
  • At least one of the orifices has, in a direction perpendicular to the longitudinal and transverse directions, an oblong projection with a major axis TW, (also called “width of the orifice for passage of the tube in the manifold”) and, relative to a plane passing through longitudinal edges of the wall, the height of the lateral portions is H1 and the height of the central portion is H2, and the ratio between the heights H1, H2 and the major axis TW respects the following inequalities: 0.05 ⁇ H 1 / TW ⁇ 0.2 0.05 ⁇ H 2 / TW ⁇ 0.3
  • the major axis (TW) of a tube is between 10 mm and 100 mm.
  • the collar intended to cover a part of the wall of the tube passing through the wall through this orifice, projects outwards from the manifold.
  • the function of such a collar is to improve the seal between the tube and the collector plate.
  • the collar has a groove for receiving a seal interposed between said collar and the tube.
  • the orifices are spaced apart by a pitch of between 5 mm and 10 mm, preferably between 6 mm and 8 mm.
  • the collector plate is formed in a sheet of thickness between 0.7 mm and 2 mm, preferably between 1 mm and 1.5 mm.
  • the invention also relates to a manifold comprising a manifold plate as described above and a cover of plastic or metallic material, connected to the manifold plate by crimping, bonding, soldering or welding.
  • the invention also relates to a heat exchanger comprising such a manifold and tubes.
  • the tubes are formed in a sheet of thickness between 0.1 mm and 0.5 mm, preferably between 0.2 mm and 0.3 mm.
  • the tubes are obtained by electro-welding, bending in several channels or stapling.
  • FIG. 1 On which we see the upper part of a tube 1 of oblong section.
  • the tube 1 is presented here in a vertical orientation.
  • the reference to its upper end is relative to the vertical direction V in the figure.
  • the tube is formed in a sheet 0.3 mm thick, by electro-welding, folding or stapling.
  • a collecting plate 3, designated plate below, is crossed by the tube 1.
  • the direction T which is perpendicular to the direction L, generally in the plane of extension of the plate.
  • the direction T is that in which the long lengths of the ends of the tubes extend.
  • the plate 3 is formed in an aluminum sheet of thickness between 0.7 and 2 mm, preferably between 1 and 1.5 mm, by stamping.
  • the plate 3 has a wall 5 provided with orifices (only one of which is visible in the figure, as explained above), bordered by two longitudinal returns 9 which serve for the connection of the collector plate 5 with a cover (not shown).
  • the cover closes the volume located above the collecting plate 5 to form a collecting box.
  • the connection between the collector plate 5 and the cover is made by any suitable means, depending in particular on the material constituting the cover. For example, if the cover is made of plastic, the connection can be made by crimping or by gluing. Similarly, if the cover is made of metal, the connection can be made by crimping, gluing, soldering or welding.
  • a seal may, but is not compulsory, be interposed between the outer wall of the tube, a cover (not shown), the flange 9 and the collector plate.
  • the collector plate is folded by forming two edges or spokes 11.
  • the wall 5 provided with orifices has, in cross section, a profile consisting of a central portion 13 and two lateral portions 15.
  • the lateral portions 15 generally follow a curve 17 with a first radius of curvature R1.
  • the central portion generally follows a curve 19 with a second radius of curvature R2, smaller than the first radius of curvature R1.
  • the two portions, central 13 and lateral 15, form a bump towards the outside of the exchanger, therefore downwards in the figure.
  • the radii of curvature R1 and R2 can be defined by measuring the heights of the curves with respect to the plane defined by the two edges 11: We designate H1 the height of the lateral portions 15 and H2 the height of the central portion 13. The radii R1 and R2 follow geometrically from these values H1, H2 and from the width 1 of the plate in the transverse direction.
  • the ratio between the heights H1, H2 and the major axis TW respects the following inequalities: 0.05 ⁇ H 1 / TW ⁇ 0.2 0.05 ⁇ H 2 / TW ⁇ 0.3
  • the orifice 7 has, in the vertical direction V of the drawing, which is a direction perpendicular to the longitudinal L and transverse directions T of the plate, an oblong projection of major axis TW, which is also designated more simply by width TW.
  • the orifice 7 comprises a collar 21 intended to cover part of the wall of the tube 1 passing through the wall 5 through this orifice 7, this collar 21 projecting towards the outside of the manifold. (so down in the figure).
  • the collar 21 is obtained by stamping, during the forming of the plate 3.
  • the material is pushed back by a punch during the stamping, as for the rest of the plate 3, which makes the operation easier. stamping.
  • a disadvantage of this arrangement is that the tube 1 is less easy to insert into the orifice 7 during assembly of the manifold, because the end of the collar 21 through which the tube 1 must be inserted is a little narrower.
  • this arrangement is advantageous in that it further reduces the stresses applied to the tube 1. It is therefore more favorable to the longevity of the exchanger.
  • the plate 3 may have a groove (not shown) for receiving a seal (not shown) interposed between a cover (not shown) and the plate 3.
  • the embodiment of the figure 2 differs from the previous one in that the collar 21 'projects from the wall towards the inside of the exchanger, that is to say upwards in the figure. Other information provided in relation to the figure 1 are valid for this figure 2 .
  • the embodiment of the figure 3 differs from the previous one in that the central portion 13 ′ of the profile forms a boss towards the inside of the exchanger, that is to say upwards in the figure.
  • Other information provided in relation to Figures 1 and 2 are valid for this figure 3 .
  • the collar 21 has the advantage that it facilitates the assembly of the exchanger because the tubes are easier to insert into the orifices than in the embodiment of the figure 1 .
  • This embodiment is also advantageous as regards the reduction of stresses exerted on the tube 1.
  • the embodiment of the figure 4 differs from the previous one in that the collector plate 3 'comprises a groove 23 in which a seal (not shown) can be inserted to ensure sealing with a cover (not shown).

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Description

  • La présente invention concerne une plaque collectrice (également appelée collecteur) d'un échangeur de chaleur de véhicule automobile, par exemple pour radiateur de refroidissement du moteur, pour condenseur de climatisation, pour refroidisseur d'air de suralimentation, ainsi qu'une boîte collectrice et un échangeur de chaleur. La présente invention se rapporte en particulier à une plaque collectrice telle que définie par le préambule de la revendication 1, et telle que divulguée par JP 10232097 .
  • On connait déjà, du document JP2005/308366 , une plaque collectrice pour un échangeur de chaleur, comprenant une paroi munie d'orifices, destinée à être traversée par des tubes disposés en rangée selon une direction longitudinale. Cette plaque possède une portion centrale de réception des tubes qui est courbée vers l'intérieur ou vers l'extérieur.
  • On sait que la courbure des plaques collectrices est destinée à éviter autant que possible la détérioration de l'échangeur provoquée par les écarts thermiques locaux qui contraignent fortement le tube et sollicitent la jonction entre la plaque collectrice et les tubes, notamment sur les rayons externes du tube. Cette jonction peut être matérialisée par un joint ou par un brasage ou encore une soudure directe entre le tube et la plaque. A la longue, la jonction peut finir par ne plus être étanche, ce qui met l'échangeur hors service. Une pression élevée de circulation du fluide à l'intérieur de l'échangeur est bien entendu un facteur aggravant de ce phénomène.
  • Parmi les nombreuses solutions déjà proposées, aucune n'a jusqu'à présent permis d'éliminer complètement ce problème de détérioration de la jonction entre plaque collectrice et tube.
  • L'invention a pour but de fournir une solution qui remédie à ces inconvénients, en réduisant notamment les contraintes qui s'appliquent sur le tube.
  • L'invention a tout d'abord pour objet un plaque collectrice pour un échangeur de chaleur selon la revendication 1, comprenant une paroi munie d'orifices, destinée à être traversée par des tubes disposés en rangée selon une direction longitudinale, caractérisée en ce que :
    • ladite paroi présente, en section transversale, un profil constitué d'une portion centrale et de deux portions latérales,
    • les portions latérales suivent globalement une première courbe d'un premier rayon de courbure,
    • la portion centrale suit globalement une seconde courbe d'un second rayon de courbure, plus petit que le premier rayon de courbure.
  • De préférence, on entend par plus « petit que » le fait de représenter moins que 80% de la valeur de référence. Ainsi, de préférence, le second rayon de courbure doit être inférieur à 80% du premier rayon de courbure.
  • Selon l'invention, au moins un des orifices possède, dans une direction perpendiculaire aux directions longitudinale et transversale, une projection oblongue de grand axe TW, (également appelée « largeur de l'orifice de passage du tube dans le collecteur ») et, par rapport à un plan passant par des arêtes longitudinales de la paroi, la hauteur des portions latérales est H1 et la hauteur de la portion centrale est H2, et le rapport entre les hauteurs H1, H2 et le grand axe TW respecte les inégalités suivantes : 0,05 < H 1 / TW < 0,2
    Figure imgb0001
     0,05 < H 2 / TW < 0,3
    Figure imgb0002
  • En respectant ces recommandations, on obtient un échangeur thermique dans lequel la contrainte exercée sur le tube est réduite le plus possible.
  • De préférence, le grand axe (TW) d'un tube (ou largeur de passage du tube) est compris entre 10 mm et 100 mm.
  • Dans un mode de réalisation particulier, le collet destiné à recouvrir une partie de la paroi du tube traversant la paroi par cet orifice, fait saillie vers l'extérieur du collecteur. Un tel collet a pour fonction d'améliorer l'étanchéité entre le tube et la plaque collectrice.
  • Dans une variante particulière de ce mode de réalisation, le collet comporte une gorge pour recevoir un joint interposé entre ledit collet et le tube.
  • De préférence, les orifices sont espacés d'un pas compris entre 5 mm et 10 mm, de préférence compris entre 6 mm et 8 mm.
  • Dans un mode de réalisation particulier, la plaque collectrice est formée dans une tôle d'épaisseur comprise entre 0,7 mm et 2 mm, de préférence entre 1 mm et 1,5 mm.
  • L'invention a également pour objet une boîte collectrice comprenant une plaque collectrice telle que décrite ci-dessus et un couvercle en matière plastique ou métallique, relié à la plaque collectrice par sertissage, collage, brasage ou soudure.
  • L'invention a aussi pour objet un échangeur de chaleur comprenant une telle boîte collectrice et des tubes.
  • De préférence, les tubes sont formés dans une tôle d'épaisseur comprise entre 0,1 mm et 0,5 mm, de préférence entre 0,2 mm et 0,3 mm.
  • De préférence, les tubes sont obtenus électro-soudure, pliage en plusieurs canaux ou agrafage.
  • L'invention sera mieux comprise à la lecture des figures annexées, qui sont fournies à titre d'exemples et ne présentent aucun caractère limitatif.
    • La figure 1 est une vue en perspective et en coupe transversale partielle d'une plaque collectrice et d'un tube selon un premier mode de réalisation de l'invention.
    • La figure 2 est une vue analogue à celle de la figure 1 selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
    • La figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 1 selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
    • La figure 4 est une vue analogue à celle de la figure 1 selon un quatrième mode de réalisation de l'invention.
  • On se réfère maintenant à la figure 1, sur laquelle on voit la partie supérieure d'un tube 1 de section oblongue. Le tube 1 est présenté ici dans une orientation verticale. La référence à son extrémité supérieure est relative à la direction verticale V sur la figure.
  • La section oblongue du tube présente les dimensions suivantes :
    • grand axe TW = 34 mm (entre 10 et 100 mm)
    • petit axe TT = 1,4 mm (entre 1 et 4 mm, préférentiellement entre 1 et 2 mm)
  • Le tube est formé dans une tôle d'épaisseur 0,3 mm, par électro-soudure, pliage ou agrafage.
  • Une plaque collectrice 3, désignée plaque dans la suite, est traversée par le tube 1.
  • Du fait de la coupe partielle présentée sur la figure, on ne voit qu'une section de cette plaque 3. Cette même section se répète dans la direction longitudinale L de la plaque, autant de fois que la plaque reçoit de tubes, lesquels sont disposés en rangée parallèlement les uns aux autres, selon cette même direction longitudinale L. Le pas d'espacement entre deux tubes voisins est compris entre 5 et 10 mm, préférentiellement entre 6 et 8 mm.
  • On définit la direction T qui est perpendiculaire à la direction L, globalement dans le plan d'extension de la plaque. La direction T est celle dans laquelle s'étendent les grandes longueurs des extrémités des tubes.
  • La plaque 3 est formée dans une tôle d'aluminium d'épaisseur comprise entre 0,7 et 2 mm, préférentiellement entre 1 et 1,5 mm, par estampage.
  • La plaque 3 comporte une paroi 5 munie d'orifices (dont un seul 7 est visible sur la figure, comme expliqué précédemment), bordée par deux retours longitudinaux 9 qui servent au raccordement de la plaque collectrice 5 avec un couvercle (non représenté). Comme cela est connu, le couvercle referme le volume situé au-dessus de la plaque collectrice 5 pour constituer une boîte collectrice. Le raccordement entre la plaque collectrice 5 et le couvercle s'effectue par tout moyen approprié, en fonction notamment de la matière constituant le couvercle. Par exemple, si le couvercle est en matière plastique, le raccordement peut être réalisé par sertissage ou par collage. De même, si le couvercle est en métal, le raccordement peut être réalisé par sertissage, collage, brasage ou soudage. Un joint (non représenté) peut, mais ce n'est pas obligatoire, être interposé entre la paroi extérieure du tube, un couvercle (non représenté), le rebord 9 et la plaque collectrice.
  • Entre les retours longitudinaux 9 et la paroi 5 munie d'orifices, la plaque collectrice est pliée en formant deux arêtes ou rayons 11.
  • La paroi 5 munie d'orifices présente, en section transversale, un profil constitué d'une portion centrale 13 et de deux portions latérales 15. Les portions latérales 15 suivent globalement une courbe 17 d'un premier rayon de courbure R1. La portion centrale suit globalement une courbe 19 d'un second rayon de courbure R2, plus petit que le premier rayon de courbure R1. Les deux portions, centrale 13 et latérales 15, forment une bosse vers l'extérieur de l'échangeur, donc vers le bas sur la figure.
  • Les rayons de courbure R1 et R2 peuvent être définis en mesurant les hauteurs des courbes par rapport au plan défini par les deux arêtes 11 :
    On désigne H1 la hauteur des portions latérales 15 et H2 la hauteur de la portion centrale 13. Les rayons R1 et R2 découlent géométriquement de ces valeurs H1, H2 et de la largeur 1 de la plaque dans la direction transversale.
  • De préférence, afin d'optimiser la diminution de contraintes à la jonction entre le tube 1 et la plaque 3 en raison des dilatations thermiques, le rapport entre les hauteurs H1, H2 et le grand axe TW respecte les inégalités suivantes : 0,05 < H 1 / TW < 0,2
    Figure imgb0003
     0,05 < H 2 / TW < 0,3
    Figure imgb0004
  • Ici, étant donné que H1 = 2 mm, H2 = 4 mm, TW = 34 mm, les inégalités sont respectées, car H 1 / TW = 0,058
    Figure imgb0005
     H 2 / TW = 0,12
    Figure imgb0006
  • L'orifice 7 possède, dans la direction verticale V du dessin, qui est une direction perpendiculaire aux directions longitudinale L et transversale T de la plaque, une projection oblongue de grand axe TW, que l'on désigne aussi plus simplement par largeur TW.
  • En outre, l'orifice 7 comporte un collet 21 destiné à recouvrir une partie de la paroi du tube 1 traversant la paroi 5 par cet orifice 7, ce collet 21 faisant saillie vers l'extérieur du collecteur. (donc vers le bas sur la figure). Le collet 21 est obtenu par estampage, lors du formage de la plaque 3. A cet effet, la matière est repoussée par un poinçon lors de l'estampage, comme pour le reste de la plaque 3, ce qui rend plus aisée l'opération d'estampage. Un inconvénient de cet agencement est que le tube 1 est moins facile à insérer dans l'orifice 7 lors de l'assemblage du collecteur, car l'extrémité du collet 21 par laquelle le tube 1 doit être inséré est un peu plus étroite. En revanche, cet agencement est avantageux en ce qu'il réduit encore davantage les contraintes appliquées au tube 1. Il est donc plus favorable à la longévité de l'échangeur.
  • La plaque 3 peut comporter une gorge (non représentée) pour recevoir un joint d'étanchéité (non représenté) interposé entre un couvercle (non représenté) et la plaque 3.
  • Le mode de réalisation de la figure 2 se distingue du précédent en ce que le collet 21' fait saillie de la paroi vers l'intérieur de l'échangeur, c'est-à-dire vers le haut sur la figure. Les autres indications fournies relativement à la figure 1 sont valables pour cette figure 2.
  • Le mode de réalisation de la figure 3 se distingue du précédent en ce que la portion centrale 13' du profil forme une bosse vers l'intérieur de l'échangeur, c'est-à-dire vers le haut sur la figure. Les autres indications fournies relativement aux figures 1 et 2 sont valables pour cette figure 3.
  • Le collet 21' présente l'avantage qu'il facilite l'assemblage de l'échangeur car les tubes sont plus faciles à insérer dans les orifices que dans le mode de réalisation de la figure 1.
  • Cette forme de réalisation est aussi avantageuse en ce qui concerne la réduction de contraintes exercées sur le tube 1.
  • Le mode de réalisation de la figure 4 diffère du précédent par le fait que la plaque collectrice 3' comprend une gorge 23 dans laquelle un joint (non représenté) peut être inséré pour assurer l'étanchéité avec un couvercle (non représenté).
  • L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier.

Claims (9)

  1. Plaque collectrice (3) pour un échangeur de chaleur, comprenant une paroi (5) munie d'orifices (7), destinée à être traversée par des tubes (1) disposés en rangée selon une direction longitudinale (L), pour laquelle :
    - ladite paroi (5) présente, en section transversale (T), un profil constitué d'une portion centrale (13, 13') et de deux portions latérales (15),
    - les portions latérales (15) suivent globalement une première courbe (17) d'un premier rayon de courbure (R1),
    - la portion centrale (13, 13') suit globalement une seconde courbe (19) d'un second rayon de courbure (R2), plus petit que le premier rayon de courbure (R1),
    la plaque collectrice (3) étant pliée en formant deux arêtes (11) entre des retours longitudinaux (9) et la paroi (5), la plaque collectrice étant caractérisée en ce que au moins un des orifices (7) comporte un collet (21) destiné à recouvrir une partie de la paroi du tube (1) traversant la paroi (5) par cet orifice, et dans laquelle au moins un des orifices (7) possède, dans une direction perpendiculaire aux directions longitudinale et transversale, une projection oblongue de grand axe TW, et dans laquelle, par rapport à un plan passant par des arêtes longitudinales (11) de la paroi, la hauteur des portions latérales (15) est H1 et la hauteur de la portion centrale (13) est H2, et dans lequel le rapport entre les hauteurs H1, H2 et le grand axe TW respecte les inégalités suivantes : 0,05 < H 1 / TW < 0,2
    Figure imgb0007
     0,05 < H 2 / TW < 0,3
    Figure imgb0008
  2. Plaque collectrice selon la revendication précédente, dans laquelle le grand axe TW est compris entre 10 mm et 100 mm.
  3. Plaque collectrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le collet (21) fait saillie vers l'extérieur du collecteur.
  4. Plaque collectrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les orifices sont espacés d'un pas compris entre 5 mm et 10 mm, de préférence compris entre 6 mm et 8 mm.
  5. Plaque collectrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, formée dans une tôle d'épaisseur comprise entre 0,7 mm et 2 mm, de préférence entre 1 mm et 1,5 mm.
  6. Boîte collectrice comprenant une plaque collectrice (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes et un couvercle en matière plastique ou métallique, relié à la plaque collectrice par sertissage, collage, brasage ou soudure.
  7. Boîte collectrice selon la revendication précédente, comportant une gorge pour recevoir un joint interposé entre la plaque collectrice et le couvercle.
  8. Echangeur de chaleur comprenant une boîte collectrice selon l'une des revendications 6 et 7 et des tubes formés dans une tôle d'épaisseur comprise entre 0,1 mm et 0,5 mm, de préférence entre 0,2 mm et 0,3 mm.
  9. Echangeur de chaleur comprenant une boîte collectrice selon la revendication 7 et des tubes obtenus électro-soudure, pliage en plusieurs canaux ou agrafage.
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