FR2927413A1 - Moyens anti-vortex pour plaque collectrice d'echangeur de chaleur - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une boîte collectrice pour échangeur de chaleur brasé, comportant une plaque collectrice (7), au moins un couvercle, ainsi qu'un moyen d'étanchéité élastique (8) situé entre la plaque collectrice (7) et le couvercle, caractérisé en ce que le moyen d'étanchéité (8) consiste en un joint « nappé » de sorte que l'espace (10) entre les extrémités de tubes protubérants et la plaque collectrice (7) est au moins en partie occupé par ledit joint.L'invention se rapporte également à un échangeur de chaleur comportant au moins une boîte collectrice conforme à l'invention.
Description
Moyens anti-vortex pour plaque collectrice d'échangeur de chaleur L'invention se rapporte au domaine des échangeurs de chaleur, en particulier pour véhicules automobiles.
L'invention concerne plus spécifiquement une boîte collectrice montée sur un échangeur de chaleur brasé, c'est-à-dire dont les différents éléments sont fixés définitivement les uns aux autres par une opération de brasage (disposition d'une couche de brasage et passage dans un four de brasage dédié).
Les échangeurs de chaleur pour véhicules automobiles, tels que les radiateurs et échangeurs de suralimentation, utilisent boîtes collectrices, formant une chambre d'admission ou d'évacuation, en une ou plusieurs pièces. Classiquement, ces boîtes collectrices disposent d'au moins deux pièces, l'une de ces deux pièces formant la plaque collectrice et l'autre formant le couvercle destiné à venir se fixer sur la plaque collectrice pour fermer au moins partiellement la boîte collectrice.
Les boîtes collectrices sont généralement de deux types, à savoir du type tout métallique ou du type doté d'un couvercle en plastique. Le type de boîte collectrice tout métallique présente un certain nombre d'avantages par rapport au type de boîte collectrice à couvercle en plastique lequel nécessite la fixation d'un moyen d'étanchéité, classiquement un joint d'étanchéité élastique, pour assurer une liaison parfaitement étanche entre le couvercle et la plaque collectrice.
Pour des raisons de facilité de fabrication, les extrémités de tubes, fixées à la plaque collectrice, dépassent sensiblement de cette dernière. Il en résulte des zones dites mortes situées entre les extrémités de tubes, ainsi que contiguës aux tubes situés en périphérie, (comme illustré sur la figure 1) et qui, du fait de la sortie ou de l'entrée de fluide par les tubes, créent des vortex ou des zones de turbulences importantes. Ces vortex ou turbulences dues à ces zones mortes entraînent une chute souvent importante de pression interne ; cette chute de pression étant préjudiciable pour le rendement ou taux d'écoulement de la boucle d'échange de chaleur, et contribue ainsi à réduire les capacités thermiques de l'échangeur de chaleur.
Pour palier ce problème, on connaît à l'heure actuelle, notamment par le document EP 0990868, une solution qui consiste en des collets inversés, les extrémités de tube ne dépassant alors pas ou peu de la surface interne de la plaque collectrice. Cette solution permet de résoudre le problème technique énoncé ci-dessus mais présente des difficultés particulièrement importantes de faisabilité, conduisant à une perte considérable de boîtes collectrices et d'échangeurs de chaleur.
Une autre solution, divulguée par les documents FR 2783903 et EP 1384968, consiste à fournir une pièce additionnelle à disposer et fixer entre les extrémités de tubes protubérantes par rapport à la plaque collectrice. Cette solution permet également de résoudre le problème technique susvisé mais elle nécessite une pièce additionnelle à assembler dans la boîte collectrice. Ceci conduit à des
3 coûts additionnels conséquents et une perte de temps lors de la fabrication ou le montage de la boîte collectrice. La présente invention vise à remédier aux inconvénients des plaques collectrices de l'art antérieur en proposant une solution pour éviter toutes turbulences ou vortex dues aux extrémités protubérantes de tubes, tout en évitant les difficultés de fabrication/montage ainsi que l'utilisation d'une pièce additionnelle.
Ainsi, l'invention consiste en une boîte collectrice pour échangeur de chaleur brasé, comportant : - au moins une partie dite plaque collectrice destinée à la fixation d'une pluralité de tubes ou analogues dans 15 lesquels circule au moins un fluide, et - au moins une partie dite couvercle destinée à fermer au moins en partie ladite boîte collectrice, lors de sa fixation avec ladite plaque collectrice, ainsi qu' - un moyen d'étanchéité situé entre la plaque collectrice 20 et le couvercle, caractérisée en ce que le moyen d'étanchéité consiste en un joint nappé de sorte que l'espace entre les extrémités de tubes protubérantes par rapport à la plaque collectrice est au moins en partie occupé par ledit joint. 25 L'intérêt de l'invention réside dans l'utilisation d'un élément par ailleurs nécessaire, à savoir le joint d'étanchéité, pour palier aux inconvénients inhérents au montage et à la fixation des tubes dans la plaque 30 collectrice, tout en améliorant significativement l'écoulement du fluide (diminution de la perte de charge).
D'autres aspects avantageux de l'invention sont présentés ci-après : - le joint nappé occupe au moins 50% de l'espace entre les extrémités de tubes protubérants et la plaque collectrice ; - le joint nappé occupe entre 75% et 100% de l'espace 5 entre les extrémités de tubes protubérants et la plaque collectrice ; - le joint nappé est bi-matière, une matière unique étant utilisé pour l'espace central ; - la section des extrémités des tubes est élargie de 10 manière à constituer un moyen de retenue dudit joint. Il doit être noté que la section des extrémités des tubes est élargie de manière à constituer un moyen de retenue dudit joint sans que le joint ne serve d'étanchéité autour des extrémités des tubes. 15 - la plaque collectrice s'étend suivant une surface sensiblement plane de sorte que le moyen d'étanchéité, ou joint nappé , n'est pas disposé dans un renforcement ou gorge dédiée ; - le pas de tube p est avantageusement compris entre 5 et 8 20 millimètres (mm) ; - le moyen d'étanchéité comprend des moyens d'écoulement du fluide destinés à faciliter/améliorer l'écoulement d'un fluide. Le fluide circulant pourra être de différente nature en fonction de l'utilisation de la boîte 25 collectrice, c'est-à-dire pour quels types d'échangeur de chaleur il est utilisé, par exemple du liquide de refroidissement (quasi-essentiellement liquide) pour un radiateur ou du R134A (quasi-essentiellement gazeux) pour un condenseur, ou de l'air pour un radiateur d'air de 30 suralimentation. Selon un mode d'exécution de l'invention, les moyens d'écoulement du fluide consistent en des profils s'étendant sensiblement parallèles aux entrées/sorties du fluide dans les tubes. 35 L'invention se rapporte par ailleurs à un échangeur de chaleur, en particulier pour véhicules automobiles, comportant un faisceau d'échange de chaleur constitué par une pluralité de tubes ou analogues dont les extrémités sont respectivement brasées à deux boîtes collectrices, caractérisé en ce que l'une au moins des deux boîtes collectrices étant telle que définie ci-dessus. 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 coupe d'une plaque collectrice 10 à gorge de l'art antérieur dans lequel on a matérialisé les vortex et turbulences d'écoulement de fluide dus aux extrémités de tubes protubérantes par rapport à la plaque collectrice ;
15 - la figure 2 est une vue en coupe d'une plaque collectrice sans gorge sur laquelle un joint d'étanchéité selon l'invention a été monté ;
- la figure 3 est une vue en coupe d'une plaque collectrice 20 avec gorge ou rainure sur laquelle un joint d'étanchéité a été monté ;
- la figure 4 est une vue en coupe d'une plaque collectrice sans gorge sur laquelle un joint d'étanchéité disposant de 25 moyens pour améliorer l'écoulement laminaire du fluide sortant/entrant dans les tubes.
La figure 1 illustre le phénomène de création de vortex ou turbulence 1 du flux d'écoulement de fluide entre les 30 extrémités protubérantes de tubes 2, ainsi que contigu aux deux extrémités de tubes situées en périphérie.5 Dans cet exemple choisi pour illustrer l'art antérieur, la plaque collectrice possède une gorge ou rainure 4 destinée à loger un joint d'étanchéité 5. Les extrémités de tubes 2 sont par ailleurs evasées 6, ce qui facilite l'entrée/sortie du fluide mais dégrade ou accentue le phénomène de turbulences 1 dans les zones contiguës aux tubes 2.
Pour l'exemple de l'art antérieur ainsi que pour les exemples de réalisations de l'invention, on a choisi de représenter schématiquement quatre tubes 2, ou extrémités de tubes, mais bien entendu, dans la réalité, il sera prévu classiquement un plus grand nombre de tubes 2 suivant la coupe axiale des figures annexées.
Sur la figure 2, la plaque collectrice 7 est différente de celle 3 de l'art antérieur en ce qu'elle ne comporte aucune gorge, rainure ou analogue 4 pour loger le moyen d'étanchéité 5. Par ailleurs, l'objet de l'invention n'étant pas relatif aux tubes, sauf en ce qu'il se rapporte à une fonction dédiée à la présente invention (tenue et contact avec le moyen d'étanchéité 5), les tubes 2 ne sont pas différents ici de ceux 2 de l'art antérieur.
Le joint d'étanchéité 8, vu en coupe dans les figures annexées, s'étend ici suivant un plan et occupe la quasi-totalité de l'espace 10 situé à proximité des tubes 2 et au plus jusqu'au niveau ou la hauteur X'X des extrémités de tubes 2. Ainsi, dans cette réalisation l'espace situé en dessous du niveau de la hauteur X'X des extrémités de tubes 2 (matérialisé par la ligne X'X) est occupé par le moyen d'étanchéité 8 à plus de 50%, plus précisément ici à plus de 80%.
Il n'est pas nécessaire que l'ensemble de l'espace 10 soit occupé par le joint d'étanchéité 8. C'est pourquoi, relativement à la zone 10 inférieure au plan X'X, c'est-à- dire la zone située entre le bord supérieure des tubes 2 et la surface intérieure de la plaque collectrice 7, il est seulement nécessaire d'occuper environ 50ô de cette zone 10 pour éviter les phénomènes de vortex et de turbulences 1 du flux de fluide.
Par ailleurs, le joint d'étanchéité 8 est formé essentiellement de deux parties, une première partie 14 classique suivant le pourtour ou les bords de la plaque collectrice 7 et une deuxième partie 13 entièrement propre à l'invention et située entre les extrémités de tubes 2. Ces première 14 et deuxième 13 parties du moyen d'étanchéité 8 pourront éventuellement être réalisée en deux matières distinctes, avantageusement ces deux parties pourront se fixer, par collage ou par compatibilité de liaisons chimiques, de manière à éventuellement choisir des matières présentant des propriétés élastiques, plastiques voire d'adhésion désirées. Ainsi, on pourra envisager de réaliser la deuxième partie 13 en matériaux caoutchouc, par exemple en latex.
On comprend l'expression de joint d'étanchéité nappé utilisé pour décrire le moyen d'étanchéité 8 selon l'invention car ledit moyen 8 constitue une nappe venant occuper l'espace 10 entre les extrémités protubérantes des tubes 2.
On notera également que sur toutes les figures 2 à 4 illustrant l'invention, les tubes 2 ont leurs extrémités évasées 6 de sorte que les extrémités de tubes 2 sont susceptibles de prendre appui sur le moyen d'étanchéité 8 et former avec celui-ci 8 un lien étroit. Ainsi, il n'y aura pas ou quasiment pas d'espace entre les parois des tubes 2 et le joint d'étanchéité 8, d'où aucune possibilité de formation de vortex/turbulences 1.
Néanmoins, il n'est pas expressément prévu ici que le joint ait une fonction d'étanchéité autour du tube, contrairement aux radiateurs de type mécanique (aucune étape de brasage des éléments constituant le radiateur) dans lesquelles l'étanchéité entre les tubes et le collecteur est faite par le joint nappé. Cette fonction n'est pas nécessaire du fait de la liaison brasée du tube avec le collecteur (radiateur de type brasé). La réalisation d'un trou de dimension supérieure permet d'utiliser des tolérances dimensionnelles plus larges, et donc de réduire le coût du joint. De plus, le jeu situé entre l'extrémité d'un tube et le trou dans le joint, destiné à passer autour du tube, facilite l'insertion du joint autour des extrémités de tubes. Ceci permet de ne pas réduire la cadence de pose du joint par rapport au cas d'un joint ayant pour unique fonction l'étanchéité entre le collecteur et la boîte.
Dans l'exemple de la figure 3, la plaque collectrice 3 comporte une gorge ou rainure 4 destinée à loger le moyen d'étanchéité 15. Ainsi, le pourtour du moyen d'étanchéité 15 étant logé dans la gorge 4, la partie centrale 15' du moyen d'étanchéité 15 doit être élevée au niveau des extrémités de tubes 2. Le moyen d'étanchéité 15 ne s'étend ici pas suivant un plan unique mais plutôt suivant deux plans, normalement parallèles, l'un au niveau de la gorge ou rainure 4, et l'autre au niveau de la partie centrale de la plaque collectrice 3 (partie hors gorge 4 ou partie située entre la ou les gorges périphériques 4). De la même manière que dans la réalisation de la figure 2, l'espace entre les tubes et contigu à ces derniers est occupé principalement par le joint d'étanchéité 15, au moins à hauteur d'environ 50% mais ce pourcentage pouvant aller jusqu'à 80-90%, voire plus.
Dans la réalisation illustrée sur la figure 4, la plaque collectrice 7 ainsi que le moyen d'étanchéité 16 sont identiques à ceux représentés sur la figure 2 mais la réalisation diffère en ce que le moyen d'étanchéité 16 comprend des moyens de guidage 17 ou des moyens facilitant l'écoulement laminaire du fluide entrant ou sortant des tubes 2. Ces moyens 17 sont situés dans la partie supérieure à la hauteur des tubes 2, à savoir la partie du moyen d'étanchéité 16 supérieure au plan X'X, et consistent ici en des formes adaptés au profil d'entrée/sortie des tubes 2. En effet, les tubes 2 étant évasés, les moyens d'écoulement 17 sont idéalement des portions en forme de cône ayant une oblicité, ou pente, sensiblement équivalente et parallèle à l'évasage (pente ou inclinaison de l'évasage) des extrémités de tubes 2. De la sorte, l'écoulement du fluide suit des courbes laminaires, réduisant les pertes de charge en dirigeant l'écoulement de fluide vers les extrémités de tubes 2.
La fixation du couvercle, non représenté sur les figures annexées, à la plaque collectrice est réalisée de manière parfaitement connue et maîtrisée par l'homme du métier, par exemple à l'aide de dents prévues à cet effet sur la plaque collectrice pour être serties sur les bords du couvercle.
Claims (10)
1. Boîte collectrice pour échangeur de chaleur brasé, comportant : - au moins une partie dite plaque collectrice (4, 7) destinée à la fixation d'une pluralité de tubes (2) ou analogues dans lesquels circule au moins un fluide, et - au moins une partie dite couvercle destinée à fermer au moins en partie ladite boîte collectrice, lors de sa fixation avec ladite plaque collectrice (4, 7), ainsi qu' - un moyen d'étanchéité (8, 15, 16) situé entre la plaque collectrice (4, 7) et le couvercle, caractérisée en ce que le moyen d'étanchéité (8, 15, 16) consiste en un joint nappé de sorte que l'espace (10) entre les extrémités de tubes protubérants et la plaque collectrice (4, 7) est au moins en partie occupé par ledit joint.
2. Boîte collectrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que le joint nappé (8, 15, 16) occupe au moins 50% de l'espace (10) entre les extrémités de tubes protubérants et la plaque collectrice (4, 7).
3. Boîte collectrice selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le joint nappé (8, 15, 16) occupe entre 75% et 100% de l'espace (10) entre les extrémités de tubes protubérants et la plaque collectrice (4, 7).
4. Boîte collectrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le joint nappé (8, 15, 16) est bi-matière, une matière unique étant utilisé pour l'espace central (13).
5. Boîte collectrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la 10section des extrémités des tubes est élargie/évasée de manière à constituer un moyen de retenue dudit joint (8, 15, 16).
6. Boîte collectrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la plaque collectrice (7) s'étend suivant une surface sensiblement plane de sorte que le moyen d'étanchéité (4,
7), ou joint nappé , n'est pas disposé dans un renforcement ou gorge dédiée. 7. Boîte collectrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le pas de tube (p) est compris entre 5 et 8 millimètres (mm).
8. Boîte collectrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moyen d'étanchéité (16) comprend des moyens d'écoulement (17) du fluide destinés à faciliter/améliorer l'écoulement d'un fluide.
9. Boîte collectrice selon la revendication 8, caractérisée en ce que les moyens d'écoulement (17) du fluide consistent en des profils s'étendant sensiblement parallèles aux entrées/sorties du fluide dans les tubes (2).
10. Echangeur de chaleur, en particulier pour véhicules automobiles, comportant un faisceau d'échange de chaleur constitué par une pluralité de tubes ou analogues dont les extrémités sont respectivement brasées à deux boîtes collectrices, caractérisé en ce que l'une au moins des deux boîtes collectrices est conforme à l'une des revendications précédentes.35
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