FR2894021A1 - Boite collectrice pour echangeur de chaleur, en particulier pour un evaporateur de climatisation - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une boîte collectrice d'échangeur de chaleur, du type comportant une plaque collectrice (20) munie de fentes (22) pour l'insertion de tubes d'échange de chaleur. La boîte collectrice (10) comprend un profilé métallique extrudé (18), creux et de profil fermé, présentant une paroi intérieure (26) dans laquelle sont découpées des ouvertures (38, 40, 42, 44), lesquelles sont partiellement obturées par la plaque collectrice (20) qui recouvre extérieurement la paroi intérieure (26) du profilé extrudé. Application notamment aux échangeurs de climatisation pour véhicules automobiles.
Description
RFR0254
Boîte collectrice pour échangeur de chaleur, en particulier pour un évaporateur de climatisation L'invention se rapporte au domaine des échangeurs de chaleur, notamment pour véhicules automobiles.
Elle concerne plus particulièrement une boîte collectrice 10 d'échangeur de chaleur, du type comportant une plaque collectrice munie de fentes pour l'insertion de tubes d'échange de chaleur.
Une telle boîte collectrice peut être utilisée par exemple 15 pour la réalisation d'un évaporateur de climatisation parcouru par un fluide réfrigérant. En ce cas, les tubes d'échange de chaleur sont habituellement montés entre deux boîtes collectrices analogues permettant une circulation du fluide réfrigérant selon un parcours défini, généralement 20 en plusieurs passes. Le fluide réfrigérant passe de l'état liquide à l'état gazeux en absorbant de la chaleur d'un flux d'air qui traverse le faisceau de tubes et qui est ainsi réfrigéré.
25 Différentes technologies existent pour la fabrication de telles boîtes collectrices. Une solution connue consiste à utiliser une boîte collectrice en une seule pièce obtenue à partir d'un profilé extrudé (voir WO 2004/074757). Des fentes sont ensuite aménagées dans le profilé extrudé pour 30 recevoir les extrémités de tubes, l'assemblage étant réalisé par brasage. Toutefois, un tel assemblage est délicat et nécessite l'utilisation d'une feuille spéciale 15 qui est brasée sur le profilé extrudé pour assurer la jonction entre les tubes et la boîte collectrice. Une autre solution connue consiste à réaliser une boîte collectrice par emboutissage comme enseigné par les documents EP 152 635 et WO 2002/103263. Cependant, ces boîtes collectrices nécessitent des outillages spécifiques importants et il est difficile d'obtenir un bon niveau d'aptitude au brasage entre les différentes pièces. Il en résulte que les risques de fuite sont élevés et susceptibles d'affecter la performance de l'échangeur de chaleur ainsi obtenu.
Encore une autre solution connue consiste à utiliser une boîte collectrice emboutie à associer à un couvercle extrudé. Des exemples d'une telle solution sont enseignés par les documents WO 2005/012823 et WO 2002/103263. Toutefois, ces solutions présentent deux inconvénients majeurs. La boîte collectrice extrudée possède généralement une configuration ouverte, ce qui la rend sujette aux déformations. En second lieu, avec une conception ouverte, il est difficile d'obtenir un bon niveau de tolérance de la géométrie.
L'invention a notamment pour but de surmonter les 25 inconvénients précités.
Elle propose à cet effet une boîte collectrice d'échangeur de chaleur du type défini en introduction, dans laquelle la boîte collectrice comprend un profilé métallique extrudé, 30 creux et de profil fermé, présentant une paroi intérieure dans laquelle sont découpées des ouvertures, et dans laquelle ces ouvertures sont partiellement obturées par la plaque collectrice qui recouvre extérieurement la paroi intérieure du profilé extrudé.
Ainsi, la boîte collectrice proprement dite est réalisée à 5 partir d'un profilé extrudé, creux et de profil fermé, dans lequel sont aménagées des ouvertures.
Il en résulte notamment pour avantage que l'on peut réaliser un profil avec une bonne tolérance de fabrication. 10 Ceci permet aussi de faciliter l'assemblage entre la boîte collectrice proprement dite, c'est-à-dire le profilé extrudé, et la plaque collectrice.
Dans une forme de réalisation préférée, les ouvertures sont 15 découpées en laissant subsister des ponts de matière disposés transversalement. Ces ponts de matière forment ainsi des liaisons ou entretoises qui s'étendent dans la largeur de la face interne, entre les ouvertures, ce qui permet de maintenir une bonne rigidité. Il en résulte 20 encore pour avantage d'empêcher des fuites internes et externes.
L'utilisation d'une plaque collectrice, avantageusement réalisée par emboutissage, facilite une liaison par brasage 25 entre le profilé extrudé et la plaque collectrice. Dans ce cas, un matériau d'apport pour le brasage est avantageusement déposé sous la forme d'un placage sur la plaque collectrice. La jonction entre les tubes et la plaque collectrice se trouve ainsi parfaitement assurée et 30 aucune opération supplémentaire n'est nécessaire pour l'addition de pâte de brasage ou d'une feuille de brasage.
En outre, cette solution facilite la mise en place de bouchons d'extrémité pour fermer la boîte collectrice à ses deux extrémités et permet aussi l'ajout éventuel de cloisons transversales pour diviser l'intérieur de la boîte collectrice en différents compartiments ou différentes chambres.
D'autres caractéristiques complémentaires et/ou alternatives de l'invention sont indiquées ci-après : - la paroi intérieure s'étend entre deux parois latérales, tandis que les ponts de matière s'étendent chacun jusqu'à l'une au moins des parois latérales ;
15 - la boîte collectrice comprend deux ponts de matière d'extrémité disposés respectivement à deux extrémités du profilé extrudé et s'étendant chacun entre les deux parois latérales ;
20 - la boîte collectrice comprend au moins un pont de matière intermédiaire disposé en un emplacement choisi entre deux extrémités du profilé extrudé ;
- le profilé extrudé comporte en plus une cloison 25 intermédiaire disposée longitudinalement dans la direction d'extrusion qui s'étend jusqu'à la paroi intérieure et jusqu'à une paroi extérieure, opposée à la paroi intérieure, pour délimiter deux compartiments longitudinaux adjacents, tandis que la boîte collectrice comprend au 30 moins un pont de matière intermédiaire qui s'étend entre une paroi latérale et la cloison intermédiaire ;10 - le pont de matière intermédiaire délimite une fente pour l'introduction d'une cloison transversale ;
- les ouvertures découpées dans la paroi intérieure sont de forme générale rectangulaire et ont des grands côtés orientés dans la direction d'extrusion du profilé extrudé et des petits côtés disposés perpendiculairement aux grands côté et limités à chaque fois par un pont de matière ; - la plaque collectrice est une plaque métallique emboutie qui est brasée sur la paroi intérieure du profilé extrudé dans des régions entourant les ouvertures, et en particulier sur les ponts de matière ; -les ouvertures de la paroi intérieure sont obtenues par usinage et/ou découpe au laser ;
- le profilé extrudé et la plaque collectrice sont réalisés dans un alliage à base d'aluminium.
Sous un autre aspect, l'invention concerne un échangeur de chaleur comprenant au moins une boîte collectrice telle que définie ci-dessus, ainsi qu'un faisceau de tubes ayant des extrémités reçues dans des fentes d'une plaque collectrice.
Cet échangeur de chaleur est avantageusement réalisé sous la forme d'un évaporateur pour un circuit de climatisation parcouru par un fluide réfrigérant.
30 Encore sous un autre aspect, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une boîte collectrice pour échangeur de chaleur, telle que définie ci-dessus, lequel comprend les opérations suivantes : 25 a) préparer un profilé métallique extrudé, creux et de profil fermé, présentant une paroi intérieure ; b) découper des ouvertures dans la paroi intérieure du profilé ;
c) préparer une plaque collectrice métallique munie de fentes pour l'insertion de tubes d'échange de chaleur ; et d) assembler la plaque collectrice contre la paroi intérieure du profilé extrudé de manière à obturer partiellement les ouvertures de la paroi intérieure du profilé. 15 Dans l'opération b) les ouvertures sont avantageusement découpées en laissant subsister des ponts de matière disposés transversalement ; en outre ces ouvertures sont avantageusement réalisées par usinage et/ou découpe au 20 laser.
Dans l'opération d) l'assemblage du profilé extrudé et de la plaque collectrice est avantageusement réalisé par brasage. Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue de côté d'un échangeur de 30 chaleur, en particulier d'un évaporateur, comportant deux boîtes collectrices selon l'invention ; 25 - la figure 2 est une vue partielle en perspective d'un profilé extrudé servant à la réalisation d'une boîte collectrice selon l'invention ; - la figure 3 est une vue en perspective éclatée montrant une boîte collectrice avant assemblage avec une plaque collectrice ;
- la figure 4 est une vue en plan, du côté de la paroi 10 intérieure d'une boîte collectrice selon l'invention, après réalisation d'ouvertures de grandes dimensions ; et
- la figure 5 est une vue en coupe selon la ligne V-V de la figure 4. On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente un échangeur de chaleur comportant deux boîtes collectrices 10 et 12 selon l'invention entre lesquelles est disposé un faisceau composé de tubes 14 et d'intercalaires ondulés 16. 20 La boîte collectrice 10 comprend un profilé métallique extrudé 18, creux et de profil fermé, qui sera décrit plus loin, et une plaque collectrice 20 dans laquelle sont aménagées des fentes 22 pour l'insertion des extrémités des 25 tubes 14. La boîte collectrice 10 est fermée à ses deux extrémités par deux cloisons ou bouchons d'extrémité 24.
La boîte collectrice 12 est généralement semblable à la boîte collectrice 10. Elle comprend également un profilé 30 extrudé 18, creux et de profil fermé, qui est muni d'une plaque collectrice 20 comportant des fentes 22 dans lesquelles sont reçues les extrémités des tubes. De même, 15 la plaque collectrice 12 est fermée par deux cloisons d'extrémité 24.
On décrira maintenant en référence à la figure 2, un profilé extrudé 18 réalisé en alliage métallique, avantageusement en alliage d'aluminium. Dans l'exemple, ce profilé est creux et de profil fermé et il comporte une paroi intérieure 26 généralement plane, une paroi extérieure opposée 28 généralement plane. Les deux parois 26 et 28 sont parallèles entre elles et sont reliées par des parois latérales 30 parallèles entre elles. En outre, une cloison intermédiaire 32, disposée longitudinalement dans la direction d'extrusion, s'étend de la paroi intérieure 26 à la paroi extérieure 28 de manière à délimiter deux compartiments longitudinaux adjacents 34 et 36. Ainsi, le profilé extrudé 18 présente un profil creux et fermé qui, dans l'exemple, s'apparente à un "8".
La paroi intérieure 26 est destinée à être tournée du côté des tubes 14 et à recevoir une plaque collectrice 20 comme défini précédemment. Pour cela, il est nécessaire au préalable de réaliser des ouvertures dans cette paroi intérieure pour que les tubes 14 puissent déboucher dans les compartiments 34 et 36, au travers des fentes 22. On comprendra, comme on le verra plus loin, que dans cet exemple de réalisation, les tubes 14 sont disposés suivant deux rangées, chacune étant associée à l'un des compartiments 34 et 36.
On se réfère maintenant à la figure 3 qui montre le profilé 18 de la figure 2 après réalisation de plusieurs ouvertures dans la paroi intérieure 26 pour permettre l'assemblage de la plaque collectrice 20.
Comme on le voit sur les figures 3 et 4, la paroi intérieure 26 est aménagée pour définir quatre ouvertures 38, 40, 42 et 44 qui sont toutes de forme rectangulaire avec leurs grands côtés respectifs disposés dans la direction longitudinale du profilé, c'est-à-dire dans la direction d'extrusion. Les ouvertures 38 et 40 sont disposées d'un côté de la cloison intermédiaire 32, tandis que les ouvertures 42 et 44 sont disposées de l'autre côté de cette cloison 32.
Les ouvertures 38, 40, 42 et 44 sont encadrées par des ponts de matière qui permettent de conserver à la face interne 26 une résistance mécanique suffisante. Ces ponts de matière comprennent tout d'abord deux ponts de matière d'extrémité 46 qui sont disposés respectivement aux deux extrémités du profilé 18 et qui s'étendent chacun entre les deux parois latérales 30. En outre, le profilé comporte deux ponts de matière intermédiaires 48 et 50. Le pont de matière 48 s'étend entre la cloison intermédiaire 32 et l'une des parois latérales 30 pour séparer les ouvertures 38 et 40. Le pont de matière 50 s'étend entre la cloison intermédiaire 32 et l'autre paroi latérale 30 pour séparer les deux ouvertures 42 et 44. Les ponts de matière 46, ainsi que les ponts de matière 48 et 50 sont réalisés sous la forme de bandes oblongues s'étendant dans la direction transversale, c'est-à-dire perpendiculairement à la direction d'extrusion, donc perpendiculairement aux faces latérales 30 et à la cloison 32. Chacun des ponts intermédiaires 48 et 50 comporte une fente longitudinale 52 respectivement 54 permettant la mise en place ou l'introduction d'une cloison transversale 56, 58 comme on le voit sur la figure 5.
Ainsi, après mise en place des cloisons 52, 54 et mise en place de cloisons d'extrémités 24 (figure 1) le profilé peut définir quatre chambres en correspondance respectivement des ouvertures 38, 40, 42 et 44. Autrement dit, les deux compartiments 34 et 36 sont divisés chacun en deux chambres dans l'exemple de réalisation représenté. Les ouvertures précitées sont découpées dans la paroi intérieure 26. Elles peuvent être réalisées par différentes techniques connues, en particulier par usinage et/ou par découpage au laser.
Ces ponts de matière, qui constituent ainsi des petites entretoises, doivent être placés dans des régions choisies, c'est-à-dire à chaque fois dans un emplacement situé entre deux tubes adjacents du faisceau.
Le procédé de fabrication d'une boîte collectrice selon l'invention comprend essentiellement les opérations suivantes:
a) préparer un profilé métallique extrudé 18 de profil fermé présentant une paroi intérieure 26 ; b) découper des ouvertures 38, 40, 42, 44 dans la paroi intérieure du profilé,
c) préparer une plaque collectrice métallique 20 munie de fentes 22 pour l'insertion de tubes d'échange de chaleur ; 30 et
d) assembler la plaque collectrice contre la paroi intérieure du profilé extrudé de manière à obturer partiellement les ouvertures de la paroi intérieure du profilé.
La découpe des ouvertures dans l'opération b) est réalisée ici par usinage et/ou découpe au laser en laissant subsister des ponts de matière 46, 48, 50 disposés transversalement.
L'assemblage de la plaque collectrice contre la boîte collectrice s'effectue par brasage. Pour cela, il est avantageux d'utiliser un flux de brasage, de préférence sous la forme d'un placage formé sur la face intérieure de la plaque collectrice qui est destinée à venir en contact avec la paroi intérieure du profilé extrudé.
Du fait que la boîte collectrice est réalisée à partir d'un profilé creux et de profil fermé, et que les découpes réalisées par la suite laissent subsister des ponts de matière, ce profilé présente une résistance mécanique élevée. Le brasage de la plaque collectrice s'effectue sur le pourtour de la paroi intérieure du profilé extrudé, c'est-à-dire le long des parois latérales 30 et contre les ponts de matière d'extrémité et les ponts de matière intermédiaires.
L'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation, notamment en ce qui concerne les formes et dimensions de la boîte collectrice. On comprendra que cette boîte collectrice peut comporter un seul compartiment ou plus de deux compartiments, ces compartiments pouvant être divisés par des cloisons. De même, des passages de communication peuvent être réalisés, par exemple dans la cloison longitudinale 32 pour faire communiquer deux parties de compartiments en des endroits appropriés.
L'assemblage de l'échangeur de chaleur de l'invention peut être réalisé par brasage en une seule opération dans un four de brasage. Cela signifie que tous les composants de l'échangeur de chaleur (boîtes collectrices, tubes, intercalaires, etc) sont assemblés simultanément.
L'invention trouve une application particulière à la réalisation d'évaporateurs de climatisation pour des véhicules automobiles. Cependant, elle peut aussi s'appliquer à d'autres types d'échangeurs de chaleur.
Claims (17)
1. Boîte collectrice d'échangeur de chaleur, du type 5 comportant une plaque collectrice (20) munie de fentes (22) pour l'insertion de tubes (14) d'échange de chaleur, caractérisée en ce que la boîte collectrice (10 ; 12) comprend un profilé métallique extrudé (18), creux et de 10 profil fermé, présentant une paroi intérieure (26) dans laquelle sont découpées des ouvertures (38, 40, 42, 44), et en ce que ces ouvertures sont partiellement obturées par la plaque collectrice (20) qui recouvre extérieurement la paroi intérieure (26) du profilé extrudé. 15
2. Boîte collectrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que les ouvertures (38, 40, 42, 44) sont découpées en laissant subsister des ponts de matière (46, 48, 50) disposés transversalement. 20
3. Boîte collectrice selon la revendication 2, caractérisée en ce que la paroi intérieure (26) s'étend entre deux parois latérales (30), et en ce que les ponts de matière (46, 48, 50) s'étendent chacun jusqu'à l'une au moins des 25 parois latérales (30).
4. Boîte collectrice selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comprend deux ponts de matière d'extrémité (46) disposés respectivement à deux extrémités du profilé 30 extrudé (18) et s'étendant chacun entre les deux parois latérales (30). 13
5. Boîte collectrice selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un pont de matière intermédiaire (48, 50) disposé en un emplacement choisi entre deux extrémités du profilé.
6. Boîte collectrice selon la revendication 5, caractérisée en ce que le profilé extrudé (18) comporte en plus une cloison intermédiaire (32) disposée longitudinalement dans la direction d'extrusion qui s'étend jusqu'à la paroi intérieure (26) et jusqu'à une paroi extérieure (28), opposée à la paroi intérieure, pour délimiter deux compartiments longitudinaux adjacents (34, 36), et en ce que la boîte collectrice comprend au moins un pont de matière intermédiaire (48, 50) qui s'étend entre une paroi latérale (30) et la cloison intermédiaire (32).
7. Boîte collectrice selon la revendication 6, caractérisée en ce que le pont de matière intermédiaire (48, 50) délimite une fente (52, 54) pour l'introduction d'une cloison transversale (56, 58).
8. Boîte collectrice selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisée en ce que les ouvertures (38, 40, 42, 44) découpées dans la paroi intérieure (26) sont de forme générale rectangulaire et ont des grands côtés orientés dans la direction d'extrusion du profilé et des petits côtés disposés perpendiculairement aux grands côté et limités à chaque fois par un pont de matière (46, 48, 50).
9. Boîte collectrice selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisée en ce que la plaque collectrice (20) est une plaque métallique emboutie qui est brasée sur la paroi intérieure (26) du profilé extrudé (18) dans des régions 15 entourant les ouvertures (38, 40, 42, 44) et en particulier sur les ponts de matière (46, 48, 50).
10. Boîte collectrice selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les ouvertures (38, 40, 42, 44) de la paroi intérieure (26) sont obtenues par usinage et/ou découpe au laser.
11. Boîte collectrice selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que le profilé extrudé (18) et la plaque collectrice (20) sont réalisés dans un alliage à base d'aluminium.
12. Echangeur de chaleur comprenant au moins une boîte collectrice (10, 12) selon l'une des revendications 1 à 11 ainsi qu'un faisceau de tubes (14) ayant des extrémités reçues dans des fentes (22) d'une plaque collectrice (20).
13. Echangeur de chaleur selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous la forme d'un évaporateur pour un circuit de climatisation parcouru par un fluide réfrigérant.
14. Procédé de fabrication d'une boîte collectrice pour 25 échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes : a) préparer un profilé métallique extrudé (18), creux et de profil fermé, présentant une paroi intérieure (26) ; b) découper des ouvertures (38, 40, 42, 44) dans la paroi intérieure (26) du profilé ; 30c) préparer une plaque collectrice métallique (20) munie de fentes (22) pour l'insertion de tubes d'échange de chaleur (14) ; et d) assembler la plaque collectrice (20) contre la paroi intérieure (26) du profilé extrudé (18) de manière à obturer partiellement les ouvertures de la paroi intérieure (26) du profilé (18).
15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que dans l'opération b) les ouvertures (38, 40, 42, 44) sont découpées en laissant subsister des ponts de matière (46, 48, 50) disposés transversalement.
16. Procédé selon l'une des revendications 14 et 15, caractérisé en ce que dans l'opération b) les ouvertures (38, 40, 42, 44) sont réalisées par usinage et/ou découpe au laser.
17. Procédé selon l'une des revendications 14 à 16, caractérisé en ce que dans l'opération d) l'assemblage du profilé extrudé (18) et de la plaque collectrice (20) est réalisé par brasage.
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