FR2973492A1 - Boite collectrice pour echangeur thermique notamment pour vehicule automobile, et echangeur thermique correspondant - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une boîte collectrice pour échangeur thermique notamment pour véhicule automobile, ledit échangeur comprenant un faisceau d'échange thermique avec une pluralité de tubes (3) d'échange thermique, ladite boîte collectrice comportant un collecteur (9) de fluide à fond plat (13) pour recevoir les extrémités desdits tubes (3), caractérisé en ce que ledit collecteur (9) comporte deux parois latérales (15) s'étendant depuis ledit fond plat (13) en formant respectivement une courbure entre lesdites parois latérales (15) et ledit fond plat (13) de rayon (R) compris entre 1,5 et 4 mm et en ce que ledit collecteur (9) présente un rapport entre la tenue à l'éclatement et la hauteur (h) de ladite boîte collectrice supérieur à 10.

Description

-1- Boîte collectrice pour échangeur thermique notamment pour véhicule automobile, et échangeur thermique correspondant L'invention concerne une boîte collectrice d'un échangeur thermique, notamment 5 pour véhicule automobile. On connait déjà des échangeurs thermiques utilisés dans les véhicules automobiles, par exemple comme condenseur dans un circuit de climatisation. Un tel circuit comporte généralement un compresseur, un condenseur ou refroidisseur de gaz, un détendeur et un évaporateur. Le condenseur est agencé de façon 10 à condenser et/ou refroidir le premier fluide par échange thermique avec le second fluide. Dans ce cas, le premier fluide mis en oeuvre peut être un fluide réfrigérant, tel qu'un fluide à base de fréon, et le second fluide par un fluide de refroidissement tel que de l'air. 15 Généralement, l'échangeur thermique comprend un faisceau de tubes d'échange thermique, et une boîte collectrice. Selon une solution connue, la boîte collectrice est réalisée d'une seule pièce, par exemple par extrusion. On connaît aussi des boîtes collectrices réalisées en deux parties, à savoir 20 comprenant un collecteur pour recevoir les extrémités des tubes et un couvercle venant se fixer sur le collecteur pour fermer la boîte collectrice en assurant l'étanchéité. De façon courante, la boîte collectrice présente une forme générale sensiblement ronde. Cette configuration permet une bonne tenue à l'éclatement. Cependant, cette configuration entraîne une surconsommation de matière des 25 tubes reçus à l'intérieur de la boîte collectrice. De plus de grandes longueurs de tubes à l'intérieur de la boîte collectrice génèrent des problèmes de perte de charge. De plus, cette configuration présente une hauteur importante ce qui rajoute à l'encombrement de l'échangeur. Par ailleurs, on connaît des collecteurs à fond plat. Cependant, pour des raisons 30 de tenue à l'éclatement de tels collecteurs présentent généralement un encombrement 2973492 -2- important. L'invention a donc pour objectif de pallier ces inconvénients de l'art antérieur en proposant un collecteur optimisé pour échangeur thermique permettant une bonne tenue à l'éclatement tout en diminuant l'encombrement général du collecteur et donc de l'échangeur thermique. À cet effet, l'invention a pour objet une boîte collectrice pour échangeur thermique notamment pour véhicule automobile comprenant un faisceau d'échange thermique avec une pluralité de tubes d'échange thermique, ladite boîte collectrice comportant un collecteur de fluide à fond plat pour recevoir les extrémités desdits tubes, caractérisé en ce que ledit collecteur comporte deux parois latérales s'étendant depuis ledit fond plat en formant respectivement une courbure entre lesdites parois latérales et ledit fond plat de rayon compris entre 1,5 et 4 mm et en ce que ledit collecteur présente un rapport entre la tenue à l'éclatement et la hauteur de ladite boîte collectrice supérieur à 10.

Ladite boîte collectrice peut en outre comporter une ou plusieurs caractéristiques suivantes, prises séparément ou en combinaison : ledit rayon est de l'ordre de 2 à 3 mm, ledit collecteur présente une forme générale sensiblement en « U », ledit échangeur comporte un couvercle pour fermer ledit collecteur, de forme 20 complémentaire de la forme dudit collecteur, ledit collecteur présente une hauteur inférieure à 15 mm, ladite hauteur est de l'ordre de 11 mm, ledit collecteur présente une épaisseur comprise entre 1 et 1,2 mm, ledit collecteur présente des collets pour recevoir les extrémités desdits tubes. 25 L'invention concerne aussi un échangeur thermique notamment pour véhicule automobile comprenant un faisceau d'échange thermique avec une pluralité de tubes d'échange thermique, et au moins une boîte collectrice telle que définie ci-dessus. Selon un mode de réalisation, ledit échangeur est un condenseur notamment 30 pour un circuit de climatisation dans un véhicule automobile. 2973492 -3- D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : 5 la figure 1 représente une vue en perspective d'un échangeur thermique, la figure 2a est une vue en coupe d'une boîte collectrice de l'échangeur de la figure 1 comprenant un collecteur à fond plat sensiblement en « U », la figure 2b est une vue en coupe de la boîte collectrice de l'échangeur de la figure 1 comportant un collecteur à fond plat sensiblement en « U » recevant les extrémités 10 de tubes d'un faisceau d'échange de l'échangeur thermique, la figure 3a est un graphe représentant schématiquement l'évolution de la tenue à l'éclatement en fonction du rayon du collecteur à fond plat, la figure 3b est un graphe représentant schématiquement l'évolution de la hauteur du collecteur à fond plat en fonction du rayon du collecteur à fond plat, et 15 la figure 4 représente l'évolution du rapport entre la tenue à l'éclatement et la hauteur du collecteur en fonction du rayon du collecteur à fond plat.

Dans ces figures, les éléments sensiblement identiques portent les mêmes références. On a représenté de façon simplifiée sur la figure 1, un échangeur thermique 1, tel qu'un condenseur d'un circuit de climatisation, comprenant un faisceau formé d'une multiplicité de tubes 3, agencés selon une ou plusieurs rangées de tubes 3.

25 L'échangeur 1 comporte dans l'exemple illustré deux boîtes collectrices 5 de fluide de façon à permettre l'admission d'un fluide pour circuler dans le faisceau, puis l'évacuation du fluide. On prévoit à cet effet des brides 7 d'entrée et de sortie du fluide montées selon l'exemple illustré sur une boîte collectrice 5. 30 2973492 -4- En se référant aux figures 2a et 2b, une boîte collectrice 5 comporte une partie formant collecteur 9 à fond plat pour recevoir les extrémités des tubes 3; une seule extrémité d'un tube 3 est visible sur la figure 2b. La boîte collectrice 5 comporte encore un couvercle 11 pour fermer la boîte 5. 5 Selon le mode de réalisation illustré, le collecteur 9 et le couvercle 11 sont réalisés en deux parties distinctes.

Selon le mode de réalisation illustré, le collecteur 9 présente une épaisseur matière comprise entre 1 et 1,2 mm, par exemple de l'ordre de 1,2 mm. 10 Le collecteur 9 présente par exemple une largeur 1 de l'ordre de 15 mm et une hauteur h de l'ordre de 11 mm. Ces dimensions correspondent aux dimensions de la boîte collectrice 5 fermée. La boîte collectrice 5 présente donc dans cet exemple une largeur 1 de l'ordre de 15 mm et une hauteur h de l'ordre de 11 mm. 15 Une telle boîte collectrice 5 à collecteur 9 à fond plat présente une forme écrasée par rapport à une boîte collectrice à collecteur rond, et présente donc une hauteur h inférieure à la hauteur d'une boîte collectrice à collecteur rond, ce qui permet un gain d'encombrement. Par ailleurs, le collecteur 9 présente à titre d'exemple une forme générale 20 sensiblement en « U » avec une paroi centrale 13 et deux parois latérales 15 qui s'étendent de part et d'autre de la paroi centrale 13. Le collecteur 9 délimite ainsi une cavité 17. Le collecteur 9 est à fond plat, à savoir selon cet exemple que la paroi centrale 13 de la forme en « U » est sensiblement plane. Cette paroi centrale 13 forme le fond 25 plat du collecteur 9. Cette paroi centrale 13 présente une multiplicité de fentes transversales (non visibles sur les figures) parallèles les unes aux autres et dont la forme est adaptée à celle des extrémités de tube 3 qui traversent le collecteur 9. On peut prévoir aussi que les fentes transversales soient bordées de collets 19 30 (figure 2b) pour recevoir les extrémités des tubes 3. 2973492 -5- Les parois latérales 15 s'étendent selon l'exemple illustré sensiblement perpendiculairement à la paroi centrale 13. Le collecteur 9 présente donc une courbure 14 faisant la liaison entre la paroi 5 centrale 13 et la paroi latérale 15.

Au niveau de la courbure 14 entre une paroi latérale 15 et la paroi centrale 13, le collecteur 9 présente un rayon R (figure 2a) compris entre 1,5 et 4 mm. Plus le rayon R est important, plus on renforce la tenue à l'éclatement du 10 collecteur 9. On peut citer notamment des données de calculs réalisés par la Demanderesse, selon lesquels : pour un rayon R de 1 mm, la tenue à l'éclatement est de l'ordre de 90 Bars, pour un rayon R de 2 mm, la tenue à l'éclatement est de l'ordre de 133 Bars, et 15 pour un rayon R de 3 mm, la tenue à l'éclatement est de l'ordre de 147 Bars. Ceci est illustré de façon schématique sur le graphe de la figure 3a avec en abscisse le rayon R en mm et en ordonnée la tenue à l'éclatement P en Bars.

Toutefois, plus le rayon R est important et plus la longueur de dépassement d'un 20 tube 3 à l'intérieur du collecteur 9 est augmentée. En effet, en se référant à nouveau à la figure 2b, chaque tube 3 inséré dans une fente associée du collecteur 9, présente d'une part une hauteur de tube hl entre l'extrémité du tube 3 à l'intérieur du collecteur 9 et l'extrémité latérale de la fente associée, et d'autre part une hauteur de tube h2 à l'intérieur du collecteur 9.

Cette hauteur h2 correspond à la hauteur de tube entre l'extrémité du tube 3 à l'intérieur du collecteur 9 et l'entrée du tube 3 dans la fente associée. La référence pour la deuxième hauteur h2 est par exemple sensiblement le milieu de la fente. Comme l'illustre la figure 2b, la hauteur hl de tube 3 par rapport à l'extrémité latérale de la fente est inférieure à la hauteur h2 de tube 3 à l'intérieur du collecteur 9.

La première hauteur hl est définie pour optimiser les performances de 2973492 -6- l'échangeur, notamment pour des raisons de tenue mécanique, ou de perte de charge. La hauteur hl par rapport à l'extrémité latérale de la fente est donc déterminée et c'est la hauteur h2 de tube 3 à l'intérieur du collecteur 9 qui varie en fonction de la forme du collecteur 9. 5 Plus précisément cette hauteur h2 est d'autant plus petite que le collecteur 9 est plat, c'est-à-dire que le rayon R est petit. En effet, plus l'extrémité latérale de la fente est haute, plus la partie de tube qui dépasse à l'intérieur du collecteur 9 augmente puisque la hauteur hl de tube par rapport à cette extrémité latérale est fixée. L'extrémité latérale de la fente est d'autant plus haute 10 que le rayon R est grand. La hauteur h2 de tube à l'intérieur du collecteur 9 augmente donc avec le rayon R. A contrario, plus l'extrémité latérale de la fente est basse, plus la partie de tube qui dépasse à l'intérieur du collecteur 9 diminue puisque la hauteur hl de tube par rapport à cette extrémité latérale est fixée. L'extrémité latérale de la fente est d'autant 15 plus basse que le rayon R est petit. La hauteur h2 de tube à l'intérieur du collecteur 9 diminue avec le rayon R. Cette augmentation de dépassement d'un tube 3, c'est-à-dire de la hauteur de tube h2 à l'intérieur du collecteur 9, engendre une augmentation de la hauteur h du collecteur 9 importante. 20 L'augmentation de la hauteur de la boîte collectrice avec le rayon R est représentée de façon schématique par une droite linéaire sur le graphe de la figure 3b avec en abscisse le rayon R en mm et en ordonnée la hauteur h de la boîte collectrice 5 en mm.

25 Le rayon R ne doit donc pas être trop important pour ne pas engendrer une surconsommation de matière de tube 3 et par conséquent une augmentation de la hauteur du collecteur 9, donc de la boîte collectrice 5 et donc de 1' encombrement total de l'échangeur 1. En référence aux graphes des figures 3a,3b, lorsque le rayon R est compris entre 30 1,5 et 4 mm, on obtient une bonne tenue à l'éclatement avec une hauteur h de boîte 2973492 -7- collectrice 5 inférieure à 15 mm, par exemple comprise entre 10 et 15 mm. Un tel rayon R permet donc un gain d'encombrement. En effet, comme mentionné précédemment la hauteur h2 de tube à l'intérieur du collecteur 9 diminue plus le collecteur 9 est plat, et par conséquent diminue avec le 5 rayon R. Si on garde la même longueur de tube 3 que dans les solutions de l'art antérieur, lorsque le rayon R diminue la hauteur h2 de tube à l'intérieur du collecteur diminue et donc le ratio entre la hauteur de tube 3 pour l'échange thermique et la hauteur h2 dépassant à l'intérieur du collecteur 9 augmente. 10 C'est donc la hauteur du tube 3 dédiée à l'échange thermique qui augmente sans nécessité de matière supplémentaire. Pour un même encombrement, on améliore donc les performances d'échange thermique. En variante, si c'est la hauteur du tube 3 pour l'échange thermique qui est fixée, 15 la hauteur h2 diminuant avec le rayon R, la longueur totale du tube 3 est diminuée et on obtient un gain de matière.

Cette hauteur h inférieure à 15 mm et le rayon R entre 1,5 et 4 mm permettent de diminuer l'encombrement général de l'échangeur 1 par rapport aux solutions de l'état de 20 l'art tout en assurant une bonne tenue à l'éclatement.

En effet, en faisant un rapport de la tenue à l'éclatement sur la hauteur h de collecteur 9, illustré par la courbe en cloche sur le graphe de la figure 4 avec en abscisse le rayon R en mm et en ordonnée le rapport précité, les rapports ou ratio optimisés, 25 c'est-à-dire le haut de la courbe en cloche, se situent pour un rayon R compris entre 1,5 et 4 mm, et en particulier pour un rayon R de l'ordre de 2 à 4 mm. En effet, avec un rayon R compris entre 1,5 et 4 mm le rapport entre la tenue à l'éclatement et la hauteur de la boîte collectrice est supérieur à 10. La Demanderesse a constaté une solution optimisée pour un rayon R de l'ordre 30 de 2 à 3 mm avec une hauteur h de la boîte collectrice 5 de l'ordre de 11 mm. 2973492 -8- Par ailleurs, en se référant à nouveau aux figures 2a,2b, les parois latérales 15 du collecteur 9 présentent à leurs extrémités, des pattes de sertissage 21 destinées à être repliées vers l'intérieur de la cavité 17 de façon à s'appuyer sur la face externe du 5 couvercle 11.

En ce qui concerne le couvercle 11, ce dernier présente par exemple sensiblement la même épaisseur que le collecteur 9, à savoir ici une épaisseur comprise entre 1 et 1,2 mm. 10 Comme mentionné précédemment le couvercle 11 présente une forme complémentaire du collecteur 9. Selon le mode de réalisation illustré, le couvercle 11 présente également une forme générale sensiblement en « U » avec une paroi centrale 25 et deux parois latérales 27 qui s'étendent de part et d'autre de la paroi centrale 25. 15 La paroi centrale 25 peut être sensiblement plane de façon similaire au fond plat du collecteur 9. Les parois latérales 27 s'étendent selon l'exemple illustré sensiblement perpendiculairement à la paroi centrale 25. Le couvercle peut présenter une courbure 29 faisant la liaison entre la paroi centrale 25 et une paroi latérale 27. 20 Cette courbure 29 est de forme complémentaire de la forme des pattes de sertissage 21 du collecteur 9 pour l'immobilisation du couvercle 29 à l'intérieur de la cavité 17.

Pour permettre l'introduction du couvercle 11 à l'intérieur de la cavité 17 25 délimitée par le collecteur 9, la distance qui sépare les faces externes des parois latérales 27 du couvercle 11 est sensiblement égale, par valeurs inférieures, à la distance qui sépare les faces internes des parois latérales 15 du collecteur 9. On entend par « face externe », une face orientée vers l'extérieur de la cavité 17. Et, on entend par « face interne », une face orientée vers l'intérieur de la cavité 17. 30 De même, la distance qui sépare les faces externes des courbures 29 du 2973492 -9- couvercle 11 est sensiblement égale, par valeurs inférieures, à la distance qui sépare les faces internes des pattes de sertissage 21 du collecteur 9.

On comprend donc qu'un collecteur à fond plat et présentant un rayon R de 5 l'ordre de 1,5 à 4 mm au niveau de la courbure faisant liaison entre le fond plat du collecteur 9 et les parois latérales 15 permet d'obtenir un gain d'encombrement et un rapport optimisé entre la tenue à l'éclatement et la hauteur h de la boîte collectrice 5.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Boîte collectrice pour échangeur thermique notamment pour véhicule automobile comprenant un faisceau d'échange thermique avec une pluralité de tubes (3) d'échange thermique, et ladite boîte collectrice comprenant un collecteur (9) de fluide à fond plat (13) pour recevoir les extrémités desdits tubes (3), caractérisée en ce que: ledit collecteur (9) comporte deux parois latérales (15) s'étendant depuis ledit fond plat (13) en formant respectivement une courbure entre lesdites parois latérales (15) et ledit fond plat (13) de rayon (R) compris entre 1,5 et 4 mm, et en ce que ledit collecteur (9) présente un rapport entre la tenue à l'éclatement et la hauteur (h) de ladite boîte collectrice (5) supérieur à 10.
2. 2. Boîte collectrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit rayon (R) est de l'ordre de 2 à 3 mm.
3. 3. Boîte collectrice selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit collecteur (9) présente une forme générale sensiblement en « U ».
4. 4. Boîte collectrice selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comporte un couvercle pour fermer ledit collecteur (9), de forme complémentaire de la forme dudit collecteur (9).
5. 5. Boîte collectrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle présente une hauteur (h) inférieure à 15 mm.
6. 6. Boîte collectrice selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite hauteur (h) est de l'ordre de 11 mm.
7. 7. Boîte collectrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit collecteur (9) présente une épaisseur (e) comprise entre 1 et 1,2 mm. 2973492 -11-
8. 8. Boîte collectrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit collecteur (9) présente des collets (19) pour recevoir les extrémités desdits tubes (3).
9. 9. Échangeur thermique notamment pour véhicule automobile comprenant un faisceau 5 d'échange thermique avec une pluralité de tubes (3) d'échange thermique, et au moins une boîte collectrice conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.
10. 10. Échangeur thermique selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est un condenseur notamment pour un circuit de climatisation dans un véhicule 10 automobile.