FR2896862A1 - COLLECTOR BOX WITH COVER FOR HIGH PRESSURE FLUID, HEAT EXCHANGER COMPRISING SUCH BOX AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME - Google Patents
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Abstract
Description
Boîte collectrice avec couvercle pour fluide haute pression, échangeur deSlip box with lid for high pressure fluid, heat exchanger
chaleur comportant une telle boîte 5 et procédé pour sa fabrication heat comprising such a box 5 and method for its manufacture
L'invention se rapporte au domaine des échangeurs de chaleur et notamment aux échangeurs destinés à être parcourus par un fluide sous haute pression. 10 A cet égard, l'invention se rapporte plus particulièrement aux évaporateurs de climatisation susceptibles d'être parcourus par un fluide réfrigérant gazeux, comme c'est le cas de gaz naturels tels que le dioxyde de carbone ou CO2. 15 De tels échangeurs trouvent une application particulière dans les véhicules automobiles. The invention relates to the field of heat exchangers and in particular to exchangers intended to be traversed by a fluid under high pressure. In this respect, the invention relates more particularly to air conditioning evaporators that can be traversed by a gaseous refrigerant, as is the case with natural gases such as carbon dioxide or CO2. Such exchangers find particular application in motor vehicles.
On rappellera que, dans un circuit de climatisation parcouru par un fluide réfrigérant de ce type, ce fluide 20 reste essentiellement à l'état gazeux et sous une pression très élevée qui est comprise entre 100 et 150 bars. Il en résulte que de tels échangeurs de chaleur, et notamment leurs boîtes collectrices, doivent pouvoir résister à de telles pressions élevées, la pression d'éclatement 25 préconisée étant généralement trois fois la valeur de la pression nominale de fonctionnement. It will be recalled that, in an air conditioning circuit traversed by a refrigerant of this type, this fluid 20 remains essentially in the gaseous state and under a very high pressure which is between 100 and 150 bar. As a result, such heat exchangers, and in particular their manifolds, must be able to withstand such high pressures, the recommended burst pressure being generally three times the value of the nominal operating pressure.
On connaît déjà des boîtes collectrices, obtenues par brasage, qui sont conçues pour résister à de telles 30 pressions élevées. Collector boxes obtained by brazing which are designed to withstand such high pressures are already known.
Ainsi, le document FR 2 793 016 divulgue une boîte collectrice formée d'une multiplicité de plaques planes empilées comportant des fentes de passage de fluide. La distribution est assurée par ces plaques planes et la boîte collectrice comporte un couvercle composé également d'une multiplicité de plaques empilées. Toutes ces plaques sont assemblées entre elles par brasage. Thus, document FR 2 793 016 discloses a manifold box formed of a multiplicity of stacked flat plates having fluid passage slots. The distribution is ensured by these flat plates and the header comprises a cover also composed of a multiplicity of stacked plates. All these plates are assembled together by brazing.
Le document JP 2002-1588722 divulgue une boîte collectrice comportant un réservoir extrudé fermé par des plaques planes d'extrémité. La butée des tubes est assurée soit par une plaque plane intermédiaire, disposée entre les tubes et le réservoir, soit par un profil spécifique de la section du réservoir. JP 2002-1588722 discloses a header box having an extruded reservoir closed by end plate plates. The abutment of the tubes is provided either by an intermediate flat plate disposed between the tubes and the tank, or by a specific profile of the tank section.
D'autres boîtes collectrices de ce genre sont éga:'_ement 15 divulguées par les documents JP 2002-43332, WO/03 102 486 et EP 0 563 471. Other such manifolds are also disclosed in JP 2002-43332, WO / 03 102 486 and EP 0 563 471.
Toutes ces boîtes collectrices connues, soit sont difficiles à braser, soit nécessitent un nombre important 20 d'opérations de fabrication rendant leur procéc.é de fabrication complexe et coûteux à réaliser. All of these known manifolds are either difficult to braze or require a significant number of manufacturing operations making their manufacturing process complex and expensive to perform.
L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients précités. 25 L'invention propose à cet effet une boîte collectrice d'échangeur de chaleur, comprenant une plaque collectrice munie d'ouvertures pour l'insertion de tubes d'échange de chaleur, et un couvercle délimitant des canaux de 30 distribution communiquant avec les tubes. The object of the invention is in particular to overcome the aforementioned drawbacks. The invention proposes for this purpose a heat exchanger collector box, comprising a collector plate provided with openings for the insertion of heat exchange tubes, and a cover defining distribution channels communicating with the tubes. .
Conformément à l'invention, le couvercle est une barre métallique présentant une face intérieure et une face extérieure opposée, tandis que les canaux de distribution sont des gorges réalisées dans l'épaisseur de matière de la barre métallique, en débouchant sur la face intérieure, tout en laissant subsister de la matière de façon à :fermer le volume du couvercle au niveau de ses extrémités longitudinales. According to the invention, the lid is a metal bar having an inner face and an opposite outer face, while the distribution channels are grooves made in the material thickness of the metal bar, opening on the inner face, while allowing the material to remain so as to: close the volume of the lid at its longitudinal ends.
Ainsi, le couvercle est réalisé par usinage d'une barre métallique épaisse, ce qui simplifie sa fabrication et permet de réaliser un élément pouvant résister à des pressions élevées. Thus, the cover is made by machining a thick metal bar, which simplifies its manufacture and allows for an element that can withstand high pressures.
Des passages de communication sont avantageusement prévus entre le couvercle et la plaque collectrice. Dans une première forme de réalisation de l'invention, les passages de communication sont délimités par une plaque de distribution interposée entre la plaque collectrice et la face intérieure du couvercle. 20 Dans une deuxième forme de réalisation de l'invention, les passages de communication sont des gorges de la barre métallique débouchant d'une part sur les canaux de distribution et d'autre part sur la face intérieure du 25 couvercle. Cette forme de réalisation permet ainsi de faire l'économie de la plaque de distribution de la forme de réalisation précédente, ce qui supprime un composant. Communication passages are advantageously provided between the cover and the collector plate. In a first embodiment of the invention, the communication passages are delimited by a distribution plate interposed between the collector plate and the inner face of the cover. In a second embodiment of the invention, the communication passages are grooves of the metal bar opening on the one hand on the distribution channels and on the other hand on the inner face of the lid. This embodiment thus makes it possible to economize the distribution plate of the preceding embodiment, which eliminates a component.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les 30 canaux de distribution et les passages de communication sont usinés.15 Du fait que les gorges formant les canaux son: non débouchantes, cela évite le recours à des pLaques d'extrémité et permet ainsi de diminuer le nombre de pièces. Selon une autre caractéristique de l'invention, le couvercle est obtenu à partir d'une barre métallique extrudée. According to an advantageous characteristic of the invention, the distribution channels and the communication passages are machined. Because the grooves forming the channels are non-emergent, this avoids the use of end plates and thus makes it possible to decrease the number of pieces. According to another characteristic of the invention, the lid is obtained from an extruded metal bar.
10 Dans une réalisation avantageuse, la face extérieure de la barre métallique extrudée est conformée de manière à présenter un profil comportant une pluralité de dômes, ou arches, en correspondance des canaux. Les canaux de distribution peuvent avoir une section intérieure cor.stante 15 sur toute leur longueur, ou encore une section intérieure variable sur toute leur longueur. In an advantageous embodiment, the outer face of the extruded metal bar is shaped to have a profile comprising a plurality of domes, or arches, in correspondence of the channels. The distribution channels may have a corresponding inner section over their entire length, or a variable inner section along their entire length.
Le couvercle peut comporter une seule série de canaux qui s'étendent chacun sur la longueur de la barre métallique. 20 Ceci est le cas notamment d'un couvercle formant retour, situé à l'opposé d'un couvercle comportant des aménagements pour l'entrée et la sortie du fluide. The lid may comprise a single series of channels which each extend over the length of the metal bar. This is particularly the case of a return cover, located opposite a cover having arrangements for the entry and exit of the fluid.
Le couvercle peut également comporter au moins deux séries 25 de canaux qui s'étendent chacun sur une partie de la longueur de la barre métallique. Ceci est le cas notamment d'un couvercle comportant, comme mentionné précédemment, des aménagements pour l'entrée et la sortie du fluide. The lid may also include at least two sets of channels each extending over a portion of the length of the metal bar. This is particularly the case of a lid comprising, as mentioned above, arrangements for the entry and exit of the fluid.
30 Dans l'invention, les canaux ont avantageusement Ln fond avec un profil transversal en U, ce qui permet d'amé=liorer la résistance à la pression du fluide.5 Les canaux ont avantageusement, au voisinage d'une face d'extrémité de la barre métallique, un profil longitudinal incurvé délimité par un rayon. In the invention, the channels advantageously have a bottom with a transverse U-shaped profile, which makes it possible to improve the resistance to the pressure of the fluid. The channels advantageously have, in the vicinity of an end face. of the metal bar, a curved longitudinal profile delimited by a radius.
Sous un autre aspect, l'invention concerne un échangeur de chaleur comportant un faisceau de tubes et au moirs une boîte collectrice tels que définis précédemment. Cet échangeur de chaleur est avantageusement réalisé scus la forme d'un évaporateur. In another aspect, the invention relates to a heat exchanger comprising a bundle of tubes and the moirs a collector box as defined above. This heat exchanger is advantageously produced in the form of an evaporator.
Un mode de réalisation particulier propose que l'échangeur de chaleur comporte au moins deux passes et que les sections intérieures des canaux de distribution permettent de contrôler et d'équilibrer le débit du fluide dans les passes. A particular embodiment proposes that the heat exchanger comprises at least two passes and that the inner sections of the distribution channels make it possible to control and balance the flow rate of the fluid in the passes.
Sous un autre aspect encore l'invention concerte un procédé de fabrication d'une boîte collectrice pour échangeur de chaleur, telle que définie précédemment:, qui comprend les opérations suivantes : In still another aspect, the invention provides a method of manufacturing a heat exchanger collector box, as defined above: which comprises the following operations:
a) réaliser une plaque collectrice comportant des ouvertures de réception de tubes ; b) réaliser des moyens de distribution comportant des passages de communication a) forming a header plate having tube receiving apertures; b) providing distribution means comprising communication passages
c) réaliser un couvercle à partir d'une barre métallique présentant une face intérieure et une face extérieure opposée, en usinant des canaux de distribution scus la forme de gorges obtenues par usinage de la barre métaLlique dans la direction longitudinale de celle-ci en débouchant sur ladite face intérieure ; et d) assembler le couvercle sur la plaque collectrice avec interposition des moyens de distribution en sorte que les passages de communication débouchent d'une part sur les canaux de distribution et d'autre part sur les ouvertures de la plaque collectrice. c) making a cover from a metal bar having an inner face and an opposite outer face, by machining distribution channels scus the shape of grooves obtained by machining the metal bar in the longitudinal direction thereof in opening on said inner face; and d) assembling the cover on the header plate with interposition of the distribution means so that the communication passages open on the one hand on the distribution channels and on the other hand on the openings of the header plate.
Dans une première forme de réalisation, l'opération b) comprend la préparation d'une plaque de distriaution délimitant les passages de communication, tandis que l'opération d) comprend l'interposition de la plaéue de distribution entre la plaque collectrice et la face intérieure du couvercle. In a first embodiment, the operation b) comprises the preparation of a distribution plate delimiting the communication passages, while the operation d) comprises the interposition of the distribution plate between the collector plate and the face inside the lid.
Dans une deuxième forme de réalisation, l'opération b) comprend la réalisation des passages de communication sous la forme de gorges réalisées par usinage dans la direction transversale de la barre métallique, en débouchant d'une part sur les canaux de distribution et d'autre part Sur la face intérieure du couvercle, tandis que l'opération b) comprend l'assemblage direct de la plaque collectrice contre la face intérieure du couvercle. In a second embodiment, the operation b) comprises the realization of the communication passages in the form of grooves made by machining in the transverse direction of the metal bar, opening on the one hand on the distribution channels and on the other hand. on the other hand on the inside of the lid, while the operation b) comprises the direct assembly of the collector plate against the inner face of the lid.
Avantageusement, l'opération c) comprend la préparation d'une barre métallique extrudée et l'usinage des canaux au moyen d'un outil rotatif multi-étagé propre à usiner simultanément les canaux sur une partie au moins de la longueur de la barre métallique. Advantageously, the operation c) comprises the preparation of an extruded metal bar and the machining of the channels by means of a multistage rotary tool capable of simultaneously machining the channels over at least a portion of the length of the metal bar. .
Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un échangeur de chaleur, dans l'exemple un évaporateur pour circuit de climatisation, comportant un faisceau de tubes monté entre deux boîtes collectrices selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe transversale partielle d'une des boîtes collectrices de l'échangeur de chaleur de la figure 1 ; 10 - la figure 3 est une vue d'extrémité du couvercle de la boîte collectrice de la figure 2, avant usinage ; - la figure 4 est une vue analogue à la figure 3, après usinage des canaux du couvercle ; - la figure 5 représente schématiquement l'usinage d'un couvercle au moyen d'un outil rotatif multi-étagé ; - la figure 6 est une vue partielle en coupe longitudinale 20 du couvercle montrant l'extrémité d'un canal, réalisée de manière non débouchante ; la figure 7 est une vue en coupe longitudinale d'un couvercle comportant deux séries de canaux ; - la figure 8 est une vue en coupe longitudinale d'un couvercle comportant une seule série de canaux ; - la figure 9 est une variante de la figure 7 dans laquelle 30 la section des canaux a une forme évolutive ; - la figure 10 est une variante de la figure 8 dans laquelle la section des canaux a une forme évolutive ; 15 25 - la figure 11 est une vue en coupe longitudinale d'un couvercle dont un canal présente une autre forme évolutive; - la figure 12 est une vue analogue à la figure 11 dans une autre variante de réalisation ; In the description which follows, made only by way of example, reference is made to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is an exploded perspective view of a heat exchanger, in the example an evaporator for a cooling circuit; air conditioning, comprising a tube bundle mounted between two manifolds according to the invention; FIG. 2 is a partial cross-sectional view of one of the manifolds of the heat exchanger of FIG. 1; FIG. 3 is an end view of the cover of the manifold of FIG. 2, before machining; - Figure 4 is a view similar to Figure 3, after machining the channels of the cover; - Figure 5 shows schematically the machining of a cover by means of a rotary multi-stage tool; FIG. 6 is a partial view in longitudinal section of the lid showing the end of a channel, made in a non-emergent manner; Figure 7 is a longitudinal sectional view of a cover having two series of channels; - Figure 8 is a longitudinal sectional view of a cover having a single series of channels; Figure 9 is a variant of Figure 7 in which the section of the channels has an evolutionary form; FIG. 10 is a variant of FIG. 8 in which the section of the channels has a progressive form; FIG. 11 is a longitudinal sectional view of a cover of which a channel has another evolutionary form; - Figure 12 is a view similar to Figure 11 in another embodiment;
- la figure 13 illustre schématiquement une distribution d'écoulement pour un évaporateur à quatre passes comportant 10 deux boîtes collectrices selon l'invention ; Figure 13 schematically illustrates a flow distribution for a four-pass evaporator having two manifolds according to the invention;
- la figure 14 illustre la face intérieure d'un couvercle qui comprend à la fois des gorges longitudinales et des gorges transversales parallèles réalisées par usinage ; - la figure 15 est une vue en coupe transversale partielle d'une boîte collectrice comprenant un couvercle selon la figure 14 ; et - Figure 14 illustrates the inner face of a cover which comprises both longitudinal grooves and parallel transverse grooves made by machining; FIG. 15 is a partial cross-sectional view of a header box comprising a cover according to FIG. 14; and
20 - la figure 16 est une autre vue en coupe transversale partielle de la boîte collectrice de la figure 15. Figure 16 is another partial cross-sectional view of the manifold of Figure 15.
On se réfère d'abord à la figure 1 qui montre, =n vue éclatée, un échangeur de chaleur 10 comportant un faisceau 25 12 monté entre une boîte collectrice supérieure 14 et une boîte collectrice inférieure 16, l'échangeur de chaleur étant considéré en position verticale. Referring first to Figure 1 which shows, = n exploded view, a heat exchanger 10 having a bundle 12 mounted between an upper manifold 14 and a lower manifold 16, the heat exchanger being considered in FIG. vertical position.
Le faisceau 12 est composé, dans l'exemple, de deux ::angées 30 de tubes 18 (dont une seule est visible sur la figure 1) et d'intercalaires ondulés 20 communs aux deux rangées de tubes. La boîte collectrice 14 est munie de deux tubulures d'entrée/sortie 22 et 24 servant respectivement à 15 l'admission et l'évacuation d'un fluide parcourant les tubes du faisceau. The beam 12 is composed, in the example, of two :: angels 30 of tubes 18 (only one of which is visible in FIG. 1) and corrugated inserts 20 common to the two rows of tubes. The manifold 14 is provided with two inlet / outlet manifolds 22 and 24 respectively for the admission and discharge of a fluid flowing through the tubes of the bundle.
Dans l'exemple, l'échangeur de chaleur 10 est réalisé sous la forme d'un évaporateur propre à être parcouru par un fluide réfrigérant fonctionnant à l'état supercritique, en particulier du CO2, dont la pression peut atteindre des valeurs de l'ordre de 100 à 150 bars. Ce fluide échange de la chaleur avec un flux d'air qui balaye le faisceau de tubes pour produire un flux d'air climatisé, en parti:ulier dans un véhicule automobile. In the example, the heat exchanger 10 is in the form of an evaporator capable of being traversed by a refrigerant fluid operating in the supercritical state, in particular CO2, the pressure of which can reach values of order of 100 to 150 bars. This fluid exchanges heat with a flow of air which sweeps the tube bundle to produce a flow of air conditioning, in part: in a motor vehicle.
On voit que la boîte collectrice 14 comporte une plaque collectrice 26 munie d'ouvertures 28 de réception des tubes du faisceau. Les ouvertures 28 sont de forme allongée et disposées suivant deux rangées en correspondance des deux rangées de tubes. It can be seen that the header box 14 comprises a header plate 26 provided with openings 28 for receiving the tubes of the bundle. The openings 28 are of elongate shape and arranged in two rows corresponding to the two rows of tubes.
La plaque collectrice 26 est de forme générale rectangulaire et elle comporte, le long de ses deux grands côtés, des organes de sertissage 30. Elle comporte un prolongement 32 dans lequel sont aménagés des orifices 34 et 36 pour le montage respectif des tubulures 22 et 24. The collecting plate 26 is generally rectangular in shape and comprises, along its two long sides, crimping members 30. It comprises an extension 32 in which holes 34 and 36 are provided for the respective mounting of the tubes 22 and 24. .
Au-dessus de la plaque collectrice 26, est placée une plaque de distribution 38 comportant deux rangées de passages de communication 40, en forme de fentes, communiquant chacun avec un tube 18 et une rangée de passages de communication 42, en forme de fentes, d= plus grande largeur qui communiquent chacune avec deux tubes adjacents appartenant aux deux rangées du faisceau. Les passages 40 et 42 contribuent à la distribution du fluide et à sa circulation dans les tubes du faisceau selon un parcours défini, qui sera décrit plus loin en référence à la figure 13. Above the manifold plate 26 is placed a distribution plate 38 having two rows of slotted communication passages 40, each communicating with a tube 18 and a row of slotted communication passages 42, d = greater width which each communicate with two adjacent tubes belonging to the two rows of the beam. The passages 40 and 42 contribute to the distribution of the fluid and to its circulation in the tubes of the bundle along a defined path, which will be described below with reference to FIG. 13.
Au-dessus de la plaque de distribution 38 est plE.cé un couvercle 44 destiné à être maintenu contre la plaque collectrice, en emprisonnant la plaque de distribution 38, sous l'action des organes de sertissage 30. Above the distribution plate 38 there is a cover 44 intended to be held against the collecting plate, trapping the distribution plate 38, under the action of the crimping members 30.
La boîte collectrice inférieure 16 est réalisée d'une manière similaire, sauf qu'elle ne comporte pas de prolongement. Elle se compose d'une plaque collectri:e 46, d'une plaque de distribution 48 et d'un couvercle 150. On remarque que la plaque de distribution 48 comporte deux rangées de passages 52, en forme de fentes, communiquant chacun avec un tube du faisceau à sa partie inférieure. The lower manifold 16 is made in a similar manner except that it has no extension. It consists of a collector plate 46, a distribution plate 48 and a cover 150. Note that the distribution plate 48 has two rows of passages 52, in the form of slots, each communicating with a beam tube at its lower part.
On se réfère maintenant à la figure 2 qui représente une vue en coupe transversale de la boîte collectrice L4. On retrouve sur la figure 2 la plaque collectrice 26, la plaque de distribution 38 et le couvercle 44. La plaque collectrice 26 est une plaque emboutie présentant une face intérieure plane 54 pour la réception de la plaque de distribution 38 et une face extérieure 56 à partir de laquelle s'étendent des collets 58 entourant respectivement les ouvertures 28 de réception des tubes. Referring now to Figure 2 which shows a cross-sectional view of the manifold L4. FIG. 2 shows the collecting plate 26, the distribution plate 38 and the cover 44. The collecting plate 26 is a stamped plate having a planar inner face 54 for receiving the distribution plate 38 and an outer face 56 for from which extend flanges 58 respectively surrounding the openings 28 for receiving the tubes.
Dans l'exemple montré, la face extérieure 56 est dirigée vers le bas et les collets 58 sont également dirigés vers le bas. Ces collets sont donc disposés suivant deux rangées en correspondance des deux rangées d'ouvertures 28. Dans l'exemple, les collets et les ouvertures ont une section générale rectangulaire pour permettre la réception de tubes plats 18 ayant une section externe homologue. In the example shown, the outer face 56 is directed downwards and the collars 58 are also directed downwards. These collars are thus arranged in two rows corresponding to the two rows of openings 28. In the example, the collars and the openings have a rectangular general section to allow the reception of flat tubes 18 having a homologous external section.
Les organes de sertissage 30 sont, comme déjà indiqué, formés le long des deux grands côtés de la plaque collectrice 26. Ils sont réalisés sous la forme d'un bord replié, en forme de créneau, comportant un certain nombre de pattes ou dents 60 (voir également la figure 1). The crimping members 30 are, as already indicated, formed along the two long sides of the collecting plate 26. They are in the form of a folded, slot-shaped edge with a number of tabs or teeth 60 (see also Figure 1).
La plaque de distribution 38 comporte une face intérieure plane 62 apte à venir en contact avec la face intérieure plane 54 de la plaque collectrice et une face extérieure plane 64 opposée, apte à recevoir le couvercle 44. The distribution plate 38 has a flat inner face 62 adapted to come into contact with the flat inner face 54 of the header plate and an opposite outer plane face 64, able to receive the cover 44.
Dans l'épaisseur de la plaque de distribution, sont aménagées les passages 40 et 42, en forme de fentes, précités. Sur la figure 2 on aperçoit deux passages 40 qui communiquent respectivement avec deux tubes adjacents appartenant respectivement aux deux rangées de tubes du faisceau. In the thickness of the distribution plate, are arranged passages 40 and 42, in the form of slits, supra. In Figure 2 there are two passages 40 which communicate respectively with two adjacent tubes respectively belonging to the two rows of tubes of the beam.
La plaque de distribution 38 forme en même temps butée d'introduction pour les tubes comme on le voit sur la figure 2. Il en résulte que les extrémités respectives des tubes ne peuvent dépasser le plan défini par le. face intérieure 54 de la plaque collectrice. At the same time, the distribution plate 38 forms an insertion stop for the tubes as seen in FIG. 2. As a result, the respective ends of the tubes can not exceed the plane defined by the. inner face 54 of the collector plate.
Le couvercle 44 est réalisé à partir d'une barre métallique épaisse comportant deux bords parallèles 66 (figure 2) pour l'appui des organes de sertissage 30. Ainsi lorsque les pattes 60 sont repliées, elles maintiennent en appui le couvercle en direction de la plaque collectrice en emprisonnant la plaque de distribution. Le couvercle 44 comporte, comme vu sur la coupe de la figure 2, une série de bossages 68, au nombre de six suivant la dilection transversale. Ces bossages 68 délimitent respectivement des canaux 70 communiquant avec les tubes du faisceau via les passages de communication 40 et 42 (en forme de fent=s) de la plaque de distribution. The cover 44 is made from a thick metal bar having two parallel edges 66 (FIG. 2) for supporting the crimping members 30. Thus, when the tabs 60 are folded, they hold the cover in the direction of the collector plate by trapping the distribution plate. The lid 44 has, as seen in the section of Figure 2, a series of bosses 68, six in number following transverse dilation. These bosses 68 delimit respectively channels 70 communicating with the tubes of the beam via the communication passages 40 and 42 (fent-shaped = s) of the distribution plate.
Ces bossages sont convenablement disposés pour permettre au fluide réfrigérant de pénétrer à l'intérieur de la boîte collectrice 14 via la tubulure 22, de circuler ensuite dans les tubes du faisceau entre la boîte collectrice 14 et la boîte collectrice 16 puis de quitter l'échangeur par la tubulure de sortie 24. La manière dont la circulation du fluide s'effectue dans le faisceau sera décrite en détail plus loin. These bosses are suitably arranged to allow the refrigerant fluid to penetrate inside the manifold 14 via the manifold 22, then circulate in the tubes of the bundle between the manifold 14 and the manifold 16 and leave the exchanger by the outlet pipe 24. The manner in which the circulation of the fluid occurs in the beam will be described in detail below.
Comme on le voit sur les figures 1 et 2, le couvercle 44 présente une forme générale rectangulaire, les bossages 68 s'étendant chacun dans la direction longitudinale. As seen in Figures 1 and 2, the cover 44 has a generally rectangular shape, the bosses 68 each extending in the longitudinal direction.
La barre métallique formant le couvercle 44 est une barre épaisse présentant une face intérieure 72, réalisée plane, propre à s'appliquer contre la face extérieure plana 64 de la plaque de distribution 38 (figure 2). Il s'ag:Lt plus précisément d'une barre extrudée dont le profil, avant usinage, est représenté sur la figure 3. On voit que cette barre comprend, à l'opposé de la face intérieure 72, une face extérieure conformée 74, dont le profil définit les six bossages 68, à profil en dôme ou en arche, ainsi que les deux bords d'appui 66. Le profil de la barre est en outre limité par deux faces latérales 76. The metal bar forming the cover 44 is a thick bar having an inner face 72, made flat, adapted to be applied against the outer plane face 64 of the distribution plate 38 (Figure 2). It is more specifically an extruded bar whose profile, before machining, is shown in FIG. 3. It can be seen that this bar comprises, opposite the inner face 72, a shaped outer face 74, whose profile defines the six bosses 68, dome-shaped or arched, as well as the two bearing edges 66. The profile of the bar is further limited by two lateral faces 76.
Selon l'invention, les canaux 70 sont obtenus par usinage à partir de la face intérieure 72 pour obtenir le profil montré sur la figure 4. On voit que les canaux 70 sont formés par des gorges à profil en U donc à fond arrondi en correspondance des dômes ou arches précités. Il en résulte que le profil obtenu après usinage (figure 4) définit une succession d'arches ayant une épaisseur suffisante pour permettre une bonne résistance à la pression. Compte tenu du fait que l'usinage est réalisé dans une barre métallique, l'épaisseur de cette dernière peut être contrôlée de manière à obtenir à chaque fois une paroi d'épaisseur suffisante pour résister aux pressio:.zs de fonctionnement de la boîte collectrice et donc de l'échangeur de chaleur. According to the invention, the channels 70 are obtained by machining from the inner face 72 to obtain the profile shown in FIG. 4. It can be seen that the channels 70 are formed by grooves with a U profile and thus a rounded bottom in correspondence domes or arches mentioned above. As a result, the profile obtained after machining (Figure 4) defines a succession of arches having a sufficient thickness to allow good resistance to pressure. Given the fact that the machining is carried out in a metal bar, the thickness of the latter can be controlled so as to obtain each time a wall of sufficient thickness to withstand the pressio: .zs operation of the collector box and therefore the heat exchanger.
La figure 5 montre comment l'usinage des canaux peut être réalisé au moyen d'un seul outil rotatif 78 réalisé sous la forme d'une fraise multi-étagée pouvant tourner autour d'un axe XX et comportant une succession de couronnes 80 à profil arrondi, ici au nombre de six, pour réaliser simultanément les six canaux 70 dans le couvercle 44. L'usinage s'effectue en déplaçant l'outil dan la direction longitudinale de la barre, l'axe de rotation de l'outil étant orienté transversalement. FIG. 5 shows how the machining of the channels can be achieved by means of a single rotating tool 78 made in the form of a multi-stage cutter rotatable about an axis XX and comprising a series of crowns 80 with a profile rounded, here six in number, to simultaneously realize the six channels 70 in the cover 44. The machining is performed by moving the tool in the longitudinal direction of the bar, the axis of rotation of the tool being oriented transversely.
On se réfère maintenant à la figure 6 qui montre un canal 70 présentant une extrémité 82 se terminant à une distance A d'une face extrémité 84 du couvercle 44. Cette extrémité 82 présente, au voisinage de la face d'extrémité 34, un profil longitudinal incurvé délimité par un rayon R. Ce dernier correspond avantageusement au rayon des couronnes 80 de l'outil d'usinage 78. Il en résulte que l'extrémité de chacun des canaux 70 est réalisée non débouchante ce qui permet d'éviter le recours à des plaques d'extrémité pour fermer les canaux. L'autre extrémité des canaux 70 est réalisée de manière analogue. Autrement dit, les gorces que forment les canaux sont réalisées dans l'épaisseur de matière de la barre métallique, en débouchant sur la face intérieure 72, tout en laissant subsister de la matière de façon à fermer le volume du couvercle au niveau de ses extrémités longitudinales (faces d'extrémité 84). Referring now to Figure 6 which shows a channel 70 having an end 82 terminating at a distance A of an end face 84 of the cover 44. This end 82 has, in the vicinity of the end face 34, a profile. longitudinal curved delimited by a radius R. The latter advantageously corresponds to the radius of the rings 80 of the machining tool 78. As a result, the end of each of the channels 70 is made non-emergent which avoids the recourse to end plates to close the channels. The other end of the channels 70 is made analogously. In other words, the grooves that form the channels are made in the material thickness of the metal bar, opening on the inner face 72, while allowing the material to remain so as to close the volume of the lid at its ends. longitudinal (end faces 84).
On se réfère maintenant à la figure 7 qui montre, en coupe longitudinale, un couvercle 44 selon l'invention dans une forme de réalisation. On voit que ce couvercle comporte deux séries de canaux 70A et 70B, les canaux 70A présentant une longueur supérieure aux canaux 70B et s'étendant du côté du prolongement 32 (figure 1). Dans l'exemple, les canaux 70A et 70B ont une section intérieure constante sur toute leur longueur. Referring now to Figure 7 which shows, in longitudinal section, a cover 44 according to the invention in one embodiment. It can be seen that this cover has two series of channels 70A and 70B, the channels 70A having a longer length than the channels 70B and extending on the extension side 32 (FIG. 1). In the example, the channels 70A and 70B have a constant inner section along their entire length.
La figure 8 montre, vu en coupe longitudinale, le couvercle 50 de la boîte collectrice opposée, qui s'étend sir une longueur plus faible que le couvercle 44 et qui comporte une seule série de canaux 70C pour former retour. Les canaux 70C s'étendent sur toute la longueur et ont là aussi une section intérieure constante. Comme on le verra plus loin, le couvercle 44 de la figure 7 et le couvercle 50 de la figure 8 permettent de définir un évaporateur à quatre passes de circulation. Figure 8 shows, in longitudinal section, the cover 50 of the opposed manifold, which extends a shorter length than the cover 44 and which has a single series of channels 70C to form a return. The channels 70C extend over the entire length and here again have a constant inner section. As will be seen below, the cover 44 of FIG. 7 and the cover 50 of FIG. 8 make it possible to define an evaporator with four circulation passes.
La figure 9 illustre une variante du couvercle 44 de la figure 7 dans laquelle les canaux 70B ont une ;section intérieure constante, tandis que les canaux 70A cnt une section intérieure variable, le fond des canaux présentant une pente ayant un angle Al. Figure 9 illustrates a variant of the cover 44 of Figure 7 in which the channels 70B have a constant inner section, while the channels 70A have a variable inner section, the bottom of the channels having a slope having an angle A1.
La figure 10 illustre une variante du couvercle 5C de la figure 8 et l'on voit que les canaux 70C ont également une section intérieure variable dont le fond présente une double pente définie par deux angles A2 opposés. FIG. 10 illustrates a variant of the cover 5C of FIG. 8 and it can be seen that the channels 70C also have a variable internal section whose bottom has a double slope defined by two opposite angles A2.
La figure il montre un autre type de profil à section intérieure variable pour un canal 70C. Chacun des canaux 70C présente une partie principale 85 réalisée pâr un premier usinage et une partie centrale 86 plus profonde réalisée par un deuxième usinage. Ce profil nécessite un premier usinage par un outil analogue à celui décrit précédemment et un deuxième usinage pour former, sur une partie de la longueur du canal, la partie centrale 86 plus profonde. Figure 11 shows another type of variable indoor section profile for a 70C channel. Each of the channels 70C has a main portion 85 produced by a first machining and a deeper central portion 86 made by a second machining. This profile requires a first machining by a tool similar to that described above and a second machining to form, over a portion of the length of the channel, the central portion 86 deeper.
La figure 12 illustre une autre variante dans laquelle les canaux 70 ont une section intérieure variable réalisée par un seul usinage, donc par un seul outil. Le fond de chaque canal présente une partie inclinée 87 définie par une pente d'angle A3 et une partie 89 de profondeur constante. On comprend que l'outil d'usinage doit être déplacé de façon contrôlée par rapport à la barre métallique pour contrôler la profondeur d'usinage. FIG. 12 illustrates another variant in which the channels 70 have a variable inner section made by a single machining, and therefore by a single tool. The bottom of each channel has an inclined portion 87 defined by a slope of angle A3 and a portion 89 of constant depth. It is understood that the machining tool must be moved in a controlled manner relative to the metal bar to control the machining depth.
Le recours à des canaux de section interne variable, donc de profondeur variable, permet à chaque fois de contrôler le débit du fluide dans les tubes qui débouchent dans les canaux en question. The use of channels of variable internal section, so of varying depth, allows each time to control the flow of fluid in the tubes that open into the channels in question.
La figure 13 montre, de façon schématique, la distribution d'un fluide pour un échangeur à quatre passes, i:i un évaporateur, dans lequel on a représenté schématiquement les couvercles 44 et 50. Le fluide pénètre dans la boîte collectrice associée au couvercle 44 comme montré par la FIG. 13 shows, schematically, the distribution of a fluid for a four-pass exchanger, an evaporator, in which the covers 44 and 50 are shown schematically. The fluid enters the collecting box associated with the cover 44 as shown by the
16 flèche F1. Il débouche dans des canaux 70.1 de profondeur décroissante. 16 arrow F1. It opens into 70.1 channels of decreasing depth.
Le fluide parcourt ensuite une partie des tubes 18 d'une première rangée correspondant à une première passe P~. pour déboucher dans une série de canaux 70.2 à profil variable du couvercle 50. Ces canaux 70.2 s'étendent sur toL.te la longueur du couvercle 50 et ont un profil analogue à celui de la figure 10. Le fluide quitte ensuite les canaux 70. 2 par une autre partie des tubes de la première rangée pour constituer une deuxième passe P2 et gagner ainsi des canaux 70.3 du couvercle 44 qui, dans l'exemple, ont une section intérieure constante. Le fluide passe de ces canaux '70.3 à d'autres canaux 70.4 comme montré par la flèche F2. Ces canaux 70.4 ont également une section intérieure constante. The fluid then travels a portion of the tubes 18 of a first row corresponding to a first pass P ~. The channels 70.2 extend over the length of the cover 50 and have a profile similar to that of FIG. 10. The fluid then leaves the channels 70. 2 by another part of the tubes of the first row to form a second pass P2 and thus gain channels 70.3 of the cover 44 which, in the example, have a constant inner section. The fluid flows from these channels 70 to other channels 70.4 as shown by the arrow F2. These channels 70.4 also have a constant inner section.
Le fluide quitte ensuite la boîte collectrice supérieure en parcourant une partie des tubes de la deuxième rangée pour constituer une troisième passe P3 et gagner des canaux 70.5 s'étendant également sur toute la longueur du couverc_e 50. Ces canaux 70.5 ont un profil analogue aux canaux 70.2. Le fluide quitte ensuite la boîte collectrice inférieure pour constituer une quatrième passe P4 en passant au travers d'une partie des tubes de la deuxième rangée. Le :fluide gagne ainsi des canaux 70.6 ayant une section intérieure variable analogue à celle des canaux 70.1. Le fluide quitte ensuite l'échangeur de chaleur comme montré par la :flèche F3. The fluid then leaves the upper header by traversing a portion of the second row of tubes to form a third pass P3 and gain channels 70.5 also extending over the entire length of cover 50. These channels 70.5 have a channel-like profile. 70.2. The fluid then leaves the lower manifold to form a fourth pass P4 through a portion of the tubes of the second row. The fluid thus gains 70.6 channels having a variable inner section similar to that of the channels 70.1. The fluid then leaves the heat exchanger as shown by the arrow F3.
Ainsi, il est possible de travailler sur la répartition du fluide dans les canaux en réalisant des canaux à section intérieure variable. On peut contrôler et équilibrer le débit du fluide dans les différentes passes Pl à F4, et ceci en jouant sur la vitesse du fluide grâce aux différentes sections intérieures des canaux. Thus, it is possible to work on the distribution of the fluid in the channels by making channels with variable inner section. It is possible to control and balance the flow rate of the fluid in the various passes P 1 to F 4, and this by varying the speed of the fluid by virtue of the different internal sections of the channels.
Les composants de la boîte collectrice (plaque collectrice 26, plaque de distribution 38 et couvercle 44) sont réalisés chacun à partir d'une plaque métallique, de préférence en alliage d'aluminium, avec une épa:Lsseur suffisante pour résister aux pressions importantes du fluide réfrigérant. Le fait de réaliser plusieurs bossages 68 sur le couvercle permet de former des canaux 70 de petit volume limitant l'effet de la pression du fluide sur les composants de la plaque collectrice. The components of the manifold (manifold plate 26, distribution plate 38 and cover 44) are each made from a metal plate, preferably aluminum alloy, with a shoulder: it is sufficient to withstand the important pressures of the refrigerant. The fact of making several bosses 68 on the cover makes it possible to form small volume channels 70 limiting the effect of the pressure of the fluid on the components of the collector plate.
Ces composants sont destinés à être assemblés par brasage 15 une fois un assemblage provisoire obtenu par sertissage. Il est donc nécessaire de prévoir un placage de brasure. These components are intended to be assembled by brazing once a provisional assembly obtained by crimping. It is therefore necessary to provide a braze plating.
Le procédé de fabrication de la boîte collectrice 14 comprend essentiellement les opérations suivantes : The method of manufacturing the header box 14 essentially comprises the following operations:
a) réaliser une plaque collectrice 26 ou 46 ; a) producing a collector plate 26 or 46;
b) réaliser des moyens de distribution, ici une plaque de distribution 38 ou 48 ; b) achieve distribution means, here a distribution plate 38 or 48;
c) réaliser un couvercle 44 ou 50 à partir d'une barre métallique comme défini plus haut; et c) making a cover 44 or 50 from a metal bar as defined above; and
d) assembler le couvercle sur la plaque collectrice avec 30 insertion des moyens de distribution en sorte que les passages de communication 40 ou 42 débouchent d'une part sur les canaux de distribution 38 ou 48 et d'autre part sur les ouvertures 28 de la plaque collectrice 26 ou 46. 20 25 Dans le mode de réalisation précédent, l'opération b) comprend la préparation d'une plaque de distribution 38 ou 48 qui délimite les passages de communication 40 et 42, tandis que l'opération d) comprend l'interposition de la plaque de distribution entre la plaque collectrice 26 ou 46 et la face intérieure 72 du couvercle. d) assembling the cover on the header plate with insertion of the distribution means so that the communication passages 40 or 42 open on the one hand to the distribution channels 38 or 48 and on the other hand to the openings 28 of the In the above embodiment, operation b) comprises the preparation of a distribution plate 38 or 48 which delimits the communication passages 40 and 42, while the operation d) comprises the interposition of the distribution plate between the header plate 26 or 46 and the inner face 72 of the cover.
Ensuite, le couvercle 14 est serti sur la plaque 10 collectrice 26 au moyen des organes de sertissage :0, en enfermant la plaque de distribution. Then, the cover 14 is crimped onto the header plate 26 by means of crimping members: 0, enclosing the distribution plate.
On se réfère maintenant à la figure 14 qui concerne une autre forme de réalisation dans laquelle le couvercle 88 15 s'apparente au couvercle 44 décrit précédemment et corlporte deux séries de canaux 70A et 70B sous la forme de gorges longitudinales parallèles réalisées dans la direction longitudinale de la barre métallique. Le couvercle cor-iporte en outre des passages de communication 90 et 92 qui sont 20 fonctionnellement analogues aux passages de communication 40 et 42 décrits précédemment. Toutefois, ces passades de communication 90 et 92 sont ici des gorges transversales parallèles réalisées par usinage dans la direction transversale de la barre métallique, en débouchant d'une 25 part sur les canaux de distribution 70A et 70B et d'autre part sur la face intérieure 94 du couvercle (figures 15 et 16). Les passages de communication 90 et 92 sont espacés d'un pas P correspondant à celui des tubes. Referring now to Figure 14 which relates to another embodiment in which the cover 88 is similar to the cover 44 described above and corlporte two series of channels 70A and 70B in the form of parallel longitudinal grooves made in the longitudinal direction of the metal bar. The cover further includes communication passages 90 and 92 which are functionally similar to the previously described communication passages 40 and 42. However, these communication passes 90 and 92 are here parallel transverse grooves made by machining in the transverse direction of the metal bar, opening on the one hand on the distribution channels 70A and 70B and on the other hand on the face 94 inside the lid (Figures 15 and 16). The communication passages 90 and 92 are spaced apart by a pitch P corresponding to that of the tubes.
30 Il en résulte qu'il n'est plus nécessaire d'intercaler une plaque de distribution entre le couvercle et la plaque collectrice, ce qui supprime un composant. L'opération d'assemblage d) comprend donc l'assemblage direct de la plaque collectrice 28 ou 46 contre la face intérieure 94 du couvercle 88. Le couvercle est donc serti directement sur la plaque collectrice. As a result, it is no longer necessary to insert a distribution plate between the cover and the header plate, thereby eliminating a component. The assembly operation d) thus comprises the direct assembly of the header plate 28 or 46 against the inner face 94 of the cover 88. The cover is then crimped directly onto the header plate.
Dans la forme de réalisation des figures 14 à :L6, l'usinage des gorges du couvercle est effectué en deux étapes: 1) usinage des gorges longitudinales (canaux 70A et 70B), 2) usinage des gorges transversales (passages 90 et 92). In the embodiment of FIGS. 14 to 6, the machining of the grooves of the cover is carried out in two steps: 1) machining of the longitudinal grooves (channels 70A and 70B), 2) machining of the transverse grooves (passages 90 and 92) .
Le couvercle 88 regroupe ainsi les fonctions de passage et de distribution du fluide. Ceci permet de diminu=_r le nombre de pièces de l'échangeur de chaleur, de faciliter le procédé d'assemblage et de diminuer les risques de i_uite. De plus la face intérieure 94 du couvercle 88 peut être usinée en formant des évidements ou gradins 96 (figures 15 et 16) formant des butées pour l'introduction des tubes 18. Une fois la boîte collectrice ainsi assemblée, l'ensemble de l'échangeur de chaleur peut être assemblé. Les composants du faisceau 12 (tubes et intercalaires) sont disposés les uns contre les autres et les extrémités des tubes sont placées, d'un côté, dans les ouvertures de la boîte collectrice 14 et, du côté opposé, dans les ouvertures de la boîte collectrice 16. Quelle que soit la forme de réalisation de la boîte collectrice, The cover 88 thus groups the functions of passage and distribution of the fluid. This makes it possible to reduce the number of parts of the heat exchanger, to facilitate the assembly process and to reduce the risks of failure. In addition the inner face 94 of the cover 88 can be machined by forming recesses or steps 96 (Figures 15 and 16) forming stops for the introduction of the tubes 18. Once the manifold thus assembled, the whole of the heat exchanger can be assembled. The components of the bundle 12 (tubes and spacers) are arranged against each other and the ends of the tubes are placed, on one side, in the openings of the manifold 14 and, on the opposite side, in the openings of the box 16. Whatever the embodiment of the header,
l'ensemble de l'échangeur de chaleur peut être ensuite brasé, en une seule opération, par passage dans un four de brasage approprié. Lors du brasage, un placage de brasure vient assurer une liaison entre les différents composants. the whole of the heat exchanger can then be brazed, in a single operation, by passing through a suitable brazing furnace. During soldering, solder plating provides a connection between the various components.
Il est possible, en variante, de braser les Boîtes collectrices séparément avant de les assembler au faisceau et d'effectuer un brasage de l'ensemble de l'échangeur. It is possible, in a variant, to braze the collector boxes separately before assembling them to the bundle and brazing the entire heat exchanger.
La boîte collectrice 16 est réalisée d'une façon analogue à la boîte collectrice 14, sauf qu'elle ne comporte pas de prolongement pour le montage de tubulures d'entrée et de sortie de fluide. The manifold 16 is made in a similar manner to the manifold 14, except that it does not have an extension for mounting fluid inlet and outlet manifolds.
La boîte collectrice de l'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation. Elle trouve une application principale aux échangeurs de chaleur parcourus par un fluide réfrigérant sous haute pression, en particulier aux évaporateurs de climatisation parcourus par un fluide à l'état supercritique comme le CO2, tels que ceux destinés aux véhicules automobiles. The manifold of the invention is capable of many variants. It finds a main application to heat exchangers traversed by a high-pressure refrigerant, in particular to air-conditioning evaporators traversed by a supercritical fluid such as CO2, such as those intended for motor vehicles.
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