WO2018127642A1 - Boîte collectrice pour échangeur thermique, notamment pour véhicule automobile, échangeur thermique et procédé de fabrication correspondant - Google Patents

Boîte collectrice pour échangeur thermique, notamment pour véhicule automobile, échangeur thermique et procédé de fabrication correspondant Download PDF

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WO2018127642A1
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cavity
vis
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opening
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PCT/FR2017/053656
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Christophe Denoual
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Valeo Systemes Thermiques
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    • F28F2009/0285—Other particular headers or end plates

Definitions

  • Slip box for heat exchanger in particular for a motor vehicle, heat exchanger and corresponding manufacturing method
  • the field of the invention is that of heat exchangers, and more particularly that of collector boxes for heat exchanger.
  • the invention applies in particular, but not exclusively, to heat exchangers mounted in the cooling circuit of the batteries of vehicles with electric or hybrid motorization.
  • a heat exchanger for the automobile comprises, in the usual way, a bundle of heat exchange tubes which are rectilinear and of the same length. These tubes 3 are placed parallel to each other and aligned so as to form a single row in which a coolant, such as brine, is intended to circulate, to allow heat exchange with the surrounding air flow passing between the tubes.
  • a coolant such as brine
  • the tubes are usually joined to each other at each of their ends by a common plate called “collector plate” or “plate with holes” provided with openings receiving the tubes.
  • the tubes are then secured to the plate in a sealed manner, by mechanical forming or by brazing.
  • Such a technique therefore has the first disadvantage of not being adaptable to dimensional variations of the tubes.
  • the perforated plates can in fact be implemented, taking into account the pre-dimensioning of their openings, with tubes of a given section.
  • the header plate is capped by a "fluid box” also called “water box” or “lid”, secured in a sealed manner to the plate.
  • the fluid boxes are also connected to the inlet and outlet pipes of the coolant.
  • the whole forms a collecting box ensuring the collection and the distribution of the heat transfer fluid in the different tubes according to a predetermined circulation diagram.
  • the collector plate has raised edges, a peripheral portion is crimped around the fluid box to close the assembly.
  • the header plate and the fluid box may be brazed in a region around the periphery thereof bearing the crimping teeth.
  • the seal with the outside is then exclusively provided by a seal disposed in a groove of the header plate, this seal being compressed by crimping the plate on the fluid box.
  • the respect of crimping dimensions conditions the compression ratio of the seal, and thus the final seal of the assembly.
  • the crimping operation involves, at the level of the peripheral edge portion of the header plate, the application of a very large force that can cause the deformation of the fluid box and thus prevent subsequent proper soldering .
  • the present invention aims to solve the aforementioned drawbacks.
  • the invention proposes a manifold for a heat exchanger, in particular for a motor vehicle, defining at least one heat transfer fluid circulation cavity and comprising at least one opening for sealingly receiving an end of a heat transfer fluid.
  • heat exchange tube or heat transfer fluid communicating with said at least one cavity.
  • the collecting box consists of at least one strip of material folded on itself about its longitudinal axis, said at least one cavity being closed by the connection of two facing beads formed on the two longitudinal edges of the strip and said at least one opening being formed by two notches vis-à-vis formed symmetrically with respect to said longitudinal axis on the two longitudinal edges of the strip.
  • the invention thus relies on a novel and inventive concept of providing a heat sink of a heat exchanger of simple design (requiring less operations than the known solutions in this case), having excellent sealing and adaptable to different thicknesses heat exchange tubes.
  • the manifold is formed by folding a strip of material (aluminum, for example) whose longitudinal edges each have a bead which are in sealing contact with each other on certain portions. Of the band.
  • edges of the strip have, moreover, at predetermined intervals and symmetrically with respect to the longitudinal axis of the strip, notches which once the folded strip define radial openings in which one end of the tubes can be inserted in a sealed manner.
  • the beads are assembled by brazing.
  • each of the beads is formed by a fold flat to a longitudinal edge of the strip, extending inwardly of the cavity.
  • each of the beads (B) is formed by a first flat fold of a longitudinal edge of the strip, extending towards the interior of the cavity, and at least one second fold to flat extending outwardly of the cavity and being superimposed on the first fold.
  • the longitudinal edges of the strip are thus folded at least once to each form a bead.
  • the number of plies applied to the free edges of the strip is chosen (the thickness of the heat exchanger tubes corresponds to the height of the cavity of the collecting box).
  • the greater the thickness of the tubes the greater the number of folds forming the beads is important.
  • the flat-to-flat juncture of the folded edges of the band optimizes the brazed connection and the seal of the manifold on the zones without tube.
  • said notches each comprise a lug extending in the corresponding notch along the longitudinal axis and forming an abutment for introducing a heat exchange tube.
  • the introduction openings of the tubes of the manifold have pins forming a stop so that it is possible to control the degree of penetration of the tubes in the cavity of the manifold.
  • the lugs are formed in said slots at the first and second free longitudinal edges. According to a particular aspect of the invention, the lugs are formed midway between the bottom of said notches and the first and second free longitudinal edges respectively.
  • said at least one opening has a longitudinal slot shape.
  • the internal section of said at least one opening is substantially identical to the outer section of a heat exchange tube.
  • the invention also relates to a method for manufacturing a heat exchanger collector box, in particular for a motor vehicle, defining at least one circulation cavity for a heat-transfer fluid and comprising at least one opening for receiving an end of a heat exchanger. a heat exchange tube communicating with said at least one cavity, said method comprising:
  • the manufacturing method further comprises:
  • the step of forming a bead comprises a step of folding the longitudinal edges of the strip flat.
  • the beads are thinned, preferably by rolling, before they are brought into contact with each other.
  • the invention also relates to a heat exchanger, particularly for a motor vehicle, comprising at least one header box as described above and at least one heat exchange tube, or obtainable by the method as described above.
  • Figure 2 Partial schematic view of a strip, before shaping, intended to form a manifold according to a first embodiment
  • Figure 3 Schematic view of the successive steps of shaping a manifold according to the invention.
  • FIG. 4A schematic view of a first cross section of a manifold according to a first embodiment, after shaping
  • Figure 4B schematic view of a second cross section of a manifold according to the first embodiment, after shaping
  • FIG. 5 schematic sectional view, along the axis A-A of Figure 4B, the assembly formed by a header box according to a first embodiment and the end of a heat exchange tube;
  • Figure 6A schematic view of a first cross section of a manifold according to a second embodiment, after shaping
  • Figure 6C Partial schematic view of a strip, before shaping, for forming the manifold according to the second embodiment.
  • the general principle of the invention lies in the provision of a collector box obtained from a folded strip and whose free longitudinal edges are foldable around each of the tubes of a heat exchange bundle.
  • a collector box obtained from a folded strip and whose free longitudinal edges are foldable around each of the tubes of a heat exchange bundle.
  • Figure 1 shows a heat exchanger 1 for equipping a hybrid or electric motor vehicle for cooling one or more batteries forming a power source for driving the motor vehicle.
  • the heat exchanger 1 comprises a bundle 2 of tubes, or heat exchange conduits 3, which are rectilinear and of the same length. These tubes 3 are placed parallel to each other and aligned so as to form a single row in which a cooling liquid, such as brine, is intended to circulate.
  • a cooling liquid such as brine
  • the tubes 3 have a cross section of substantially oblong shape.
  • these heat exchange tubes have a cylindrical shape or any other form known from the state of the art.
  • These tubes 3 have, in this example, a plurality of channels (not visible) juxtaposed liquid circulation.
  • the bundle 2 of tubes 3 comprises a first end and a second end.
  • the first end of the bundle 2 of tubes 3 is intended to be assembled with a first manifold 41 and the second end of bundle 2 of tubes 3 is intended to be assembled with a second manifold 42.
  • the manifolds 41, 42 define a volume in which the tubes 3 of the bundle 2 open.
  • Each manifold 41, 42 is thus in fluid communication with the tubes 3.
  • the fluid inlet and the fluid outlet are arranged at the same manifold.
  • This manifold is connected to inlet and outlet pipes (not shown) of a heat transfer fluid.
  • the manifolds 41, 42 thus ensure the distribution and collection of the coolant in the various tubes 3 of the bundle 2, according to a predetermined circulation scheme.
  • the heat transfer fluid can thus absorb heat emitted by the battery to cool it.
  • the heat transfer fluid can also, if necessary, bring heat to warm the battery.
  • the tubes 3 are intended to be in mechanical contact or not with at least one battery of the vehicle, and are advantageously made of a thermally conductive material, such as a metallic material, for example aluminum or aluminum alloy.
  • the heat exchanger 1 is thus positioned directly in contact with the battery or batteries at the bottom of the protective housing and traversed by a heat transfer fluid, or indirectly in contact with the battery or batteries in the case of a heat exchanger placed at the outside of the battery protection box.
  • Figure 2 illustrates a portion of a metal strip for forming a header box 4 according to a first embodiment.
  • the metal strip 5, made of aluminum for example, is of rectangular overall shape and extends along a longitudinal axis X.
  • the strip 5 is composed of a plastic material or any other known material having the mechanical and thermal properties necessary for its shaping and its use for the distribution of heat transfer fluid.
  • This band 5 is divided on either side of the longitudinal axis X into a first part 6a and a second part 6b which each extend transversely to a free edge 7a, 7b respectively.
  • These free edges 7a, 7b comprise several notches, or notches, 8a, 8b which are spaced, regularly, parallel to the longitudinal axis X, and arranged symmetrically with respect to this axis.
  • the free edge 7a of the first portion 6a comprises a notch 8a whose periphery is defined by two lateral portions 8a 'which extend transversely to a longitudinal bottom portion 8a ".
  • the lateral portions 8a define the depth of the notch 8a and its bottom portion 8a "defines the width.
  • notch 8a Opposite the notch 8a is disposed a notch 8b formed in the free edge 7b of the second portion 6b and of identical dimensions.
  • notches 8a, 8b, once the strip 5 shaped so as to form a manifold 4, are intended to form openings, or recess, O introduction and passage of heat exchange tubes 3 (Figure 4C ), these openings O having a contour corresponding to that of a cross section of the tubes 3.
  • the openings O take the form of a slot extending along the longitudinal axis of the manifold 4.
  • the notch 8a is of rectangular shape, the lateral portions 8a 'being perpendicular to the bottom portion 8a ".
  • the bottom portion 8a "additionally has a length equal to or slightly greater than the width of the corresponding tube 3, which is flat type in this example.
  • the inner section of the opening (O) is substantially identical to the outer section of a heat exchange tube (3).
  • the distance separating two consecutive notches 8a, 8b of the same edge 7a, 7b is equal to the distance separating two consecutive tubes 3 of the bundle 2.
  • each of the lateral portions 8a 'of a notch 8a comprises, at the free edge 7a, a stop lug 9 projecting into the notch 8a in the longitudinal direction X.
  • the notches 8b have identical lugs 9. The lugs 9 of the same notch are therefore face.
  • the first and second parts 6a, 6b have, before shaping of the band 5, an axial symmetry with respect to the axis longitudinal X of the strip 5, and after forming the strip 5, a planar symmetry with respect to a longitudinal median plane P of the manifold 4.
  • the free edge 7a, 7b located on each side of a notch 8a, 8b is intended to be folded one or more times flat, so as to form a bead B.
  • each free edge 7a, 7b are intended to come into contact with each other once the band 5 shaped, then to be joined by brazing.
  • a manifold 4 according to the first embodiment is first shaped by successive bends of the strip 5, before it can be assembled with the flat tubes 3 of the heat exchange bundle 2.
  • the rectangular strip 5 is thus pre-cut so as to form notches 8a, 8b.
  • the shaping method of the header box 4 comprises a step S1 of flat folding of the free edges 7a, 7b of the strip 5, followed by a folding step S2 of the strip 5 around its longitudinal axis X.
  • the free edges 7a, 7b extending on either side of the notches 8a, 8b, are folded flat to form respectively a bead B whose thickness is a function of the number of folds done.
  • the thickness of the beads B determines the height of the manifold 4.
  • the free edges 7a, 7b of the strip 5 are thus folded flat once towards the center of the strip 5, that is to say towards the longitudinal axis X.
  • the beads B of each free edge 7a, 7b may be thinned, preferably by rolling, so that the thickness of the beads B is less than twice the thickness of the strip. This makes it possible to have flexibility of adaptation to the height of the heat exchange tubes.
  • the band 5 is then folded (step S2) around its longitudinal axis X so that the beads B are arranged vis-a-vis and brought into contact with each other, as illustrated in FIG. cross-sectional view of Figure 4B.
  • the folded strip 4 defines a longitudinal cavity 10 in which a heat transfer fluid is circulated, and to be distributed in the beam 2 of tubes emerging in the cavity 10. It is noted that this cavity can be divided into several collection chambers and heat transfer fluid.
  • the open end of the tubes 3 is intended to be force-fitted into the radial openings O of the manifold 4 (step S3) which are formed by the notches 8a, 8b arranged facing each other, once the strip 4 has been folded (FIG. 4A and 4C).
  • the collector box 4 thus has, on a lateral edge and in the longitudinal direction, zones with openings O for the passage of a tube 3 and zones without tubes which close the cavity 10 by bringing into contact the beads arranged in to face.
  • step S4 the sealing of the beads B between them and the tubes 3 on the manifold 4 is performed by brazing. Fixing beads B between them and tubes 3 on the manifold 4 can be performed in two separate steps.
  • the distance separating two consecutive notches 8a, 8b is equal to the distance separating two consecutive tubes 3 from the beam 2.
  • the shape of the notches 8a, 8b is complementary to the section of the tubes 3 so as to ensure a good sealing the tube assembly 3 and manifolds 41, 42.
  • this thickness "e" of tube 3 is variable from one beam 2 to another.
  • the lugs 9 formed in the notches 8a, 8b of the strip 5 extend into the cavity 10 at a distance from the O opening passage tube 3.
  • the end of a tube 3 inserted into the opening O abuts against the lugs 9. It is thus possible to control the degree of penetration of the tube 3 in the cavity 10.
  • Alternative embodiment of a collector box
  • the free edges 7a, 7b of each portion 6a, 6b of the strip 5 are folded flat (step SI) twice, symmetrically with respect to the longitudinal axis X of the strip.
  • the first fold is oriented towards the inside of the cavity 10, and the second fold towards the outside of the cavity 10.
  • step S2 After folding in two steps of the band 5 (step S2), and as shown in FIG. 6B, the free edges 7a, 7b are thus oriented towards the outside of the cavity 10.
  • the manifold 4 according to the second embodiment is adapted to be coupled to tubes 3 of greater thickness "e".
  • each of the lateral portions of the notches comprises halfway between its bottom portion and the longitudinal edge of the groove. the band, a stop lug 9 protruding longitudinally.
  • these lugs 9 extend into the cavity 10 at a distance from the opening O of passage of the tube 3.
  • the end of a tube 3 inserted in the opening O abuts against the pins 9. It is thus possible to control the degree of penetration of the tube 3 in the cavity 10.
  • heat exchange tubes are, for example, extruded and comprise a plurality of fluid circulation channels.
  • manifold according to the invention may have one or more cavities, or chambers, coolant circulation.
  • the strip of material to be folded can be obtained by assembling several plates.
  • the beads can be reported on the tape.
  • the heat exchanger may have one or two manifolds in accordance with the invention.

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Abstract

L'invention concerne une boîte collectrice (4) pour un échangeur thermique (1), notamment pour un véhicule automobile, définissant au moins une cavité (10) de circulation d'un fluide caloporteur et comprenant au moins une ouverture (O) pour recevoir de façon étanche une extrémité d'un tube (3) d'échange thermique communiquant avec ladite au moins une cavité (10). Selon l'invention, la boîte collectrice (4) est constituée d'au moins une bande (5) de matière repliée sur elle-même autour de son axe longitudinal (X), ladite au moins une cavité (10) étant fermée par la liaison de deux bourrelets (B) en vis-à-vis formés sur les deux bords longitudinaux (7a, 7b) de la bande (5) et ladite au moins une ouverture (O) étant formée par deux encoches (8a, 8b) en vis-à-vis ménagées de façon symétrique par rapport audit axe longitudinal (X) sur les deux bords longitudinaux (7a, 7b) de la bande (5).

Description

Boîte collectrice pour échangeur thermique, notamment pour véhicule automobile, échangeur thermique et procédé de fabrication correspondant
1. Domaine
Le domaine de l'invention est celui des échangeurs thermiques, et plus particulièrement celui des boîtes collectrices pour échangeur thermique.
L'invention s'applique notamment, mais non exclusivement, aux échangeurs thermiques montés dans le circuit de refroidissement des batteries de véhicules à motorisation électrique ou hybride.
D'autres applications de ces échangeurs thermiques sont également envisageables, sans sortir du cadre de l'invention.
2. Art antérieur
Un échangeur thermique pour l'automobile comprend, de façon usuelle, un faisceau de tubes d'échange thermique qui sont rectilignes et de même longueur. Ces tubes 3 sont placés parallèlement les uns aux autres et alignés de façon à former une rangée unique dans lesquels un fluide caloporteur, tel que de l'eau glycolée, est destiné à circuler, pour permettre un échange thermique avec le flux d'air environnant passant entre les tubes.
Tel que décrit dans le document de brevet US2016091252A, les tubes sont habituellement solidarisés entre eux à chacune de leurs extrémités par une plaque commune dite "plaque collectrice" ou "plaque à trous", pourvue d'ouvertures recevant les tubes.
Les tubes sont ensuite solidarisés à la plaque de manière étanche, par formage mécanique ou bien par brasure. Une telle technique présente donc comme premier inconvénient de ne pas être adaptable à des variations dimensionnelles des tubes.
Les plaques à trous ne peuvent en effet être mises en œuvre, compte tenu du pré-dimensionnement de leurs ouvertures, qu'avec des tubes d'une section donnée.
La plaque collectrice est coiffée par une "boîte à fluide" dite également "boîte à eau" ou « couvercle », solidarisée de manière étanche à la plaque.
Les boîtes à fluide sont également raccordées aux tubulures d'entrée et de sortie du fluide caloporteur. L'ensemble forme une boîte collectrice assurant la collecte et la répartition du fluide caloporteur dans les différents tubes selon un schéma de circulation prédéterminé.
Pour pré-assembler la boîte à fluide et la plaque collectrice, il est connu de les sertir.
Pour cela, la plaque collectrice possède des bords relevés dont une portion périphérique est sertie autour de la boîte à fluide pour fermer l'ensemble.
Lorsqu'elles sont toutes deux en métal, la plaque collectrice et la boîte à fluide peuvent être brasées dans une région du pourtour de cette dernière qui porte les dents de sertissage.
De manière alternative, il est connu d'utiliser des boîtes à fluide (et même des plaques collectrices) en matière plastique, compte tenu de leur faible coût de fabrication et de la possibilité de leur donner aisément des formes très variées.
Dans un tel cas, la brasure n'est plus possible.
L'étanchéité avec l'extérieur est alors exclusivement assurée par un joint disposé dans une gorge de la plaque collectrice, ce joint étant comprimé par le sertissage de la plaque sur la boîte à fluide.
Pour obtenir une étanchéité satisfaisante, il est donc indispensable de contrôler parfaitement l'étape de sertissage.
En particulier, le respect des cotes de sertissage conditionne le taux de compression du joint, et donc l'étanchéité finale de l'ensemble.
Or, ces cotes de sertissage sont difficiles à maîtriser, notamment en raison des tolérances dimensionnelles de la boîte à fluide et de la plaque collectrice.
De plus, l'opération de sertissage implique, au niveau de la portion de bord périphérique de la plaque collectrice, l'application d'un effort très important pouvant occasionner la déformation de la boîte de fluide et ainsi empêcher par la suite un brasage correct.
Le sertissage étant une opération irréversible, la détection d'un défaut d'étanchéité implique de plus la mise au rebut de l'ensemble de l'échangeur.
Une telle technique présente donc comme inconvénient supplémentaire de nécessiter l'implication d'un nombre important de pièces mécaniques, et la mise en œuvre successive de nombreuses étapes d'assemblage qui sont elles-mêmes particulièrement complexes. Le risque de voir l'étanchéité de l'ensemble significativement dégradée reste donc non négligeable.
Un autre inconvénient vient du fait que les tubes présentent des hauteurs différentes, ce qui nécessite de fabriquer des boîtes collectrices pourvues d'ouvertures de dimensions différentes pour recevoir les tubes.
Dans ce contexte, la présente invention vise à résoudre les inconvénients précédemment mentionnés.
3. Résumé
A cet effet, l'invention propose une boîte collectrice pour un échangeur thermique, notamment pour un véhicule automobile, définissant au moins une cavité de circulation d'un fluide caloporteur et comprenant au moins une ouverture pour recevoir de façon étanche une extrémité d'un tube d'échange thermique (ou de circulation de fluide caloporteur) communiquant avec ladite au moins une cavité.
Selon l'invention, la boîte collectrice est constituée d'au moins une bande de matière repliée sur elle-même autour de son axe longitudinal, ladite au moins une cavité étant fermée par la liaison de deux bourrelets en vis-à-vis formés sur les deux bords longitudinaux de la bande et ladite au moins une ouverture étant formée par deux encoches en vis-à-vis ménagées de façon symétrique par rapport audit axe longitudinal sur les deux bords longitudinaux de la bande.
L'invention repose ainsi sur un concept nouveau et inventif consistant à fournir une boîte collectrice d'un échangeur thermique de conception simple (nécessitant moins d'opérations que les solutions connues en l'occurrence), présentant une excellente étanchéité et adaptable à différentes épaisseurs de tubes d'échange thermique.
Pour ce faire, la boîte collectrice est formée par pliage d'une bande de matière (en aluminium, par exemple) dont les bords longitudinaux présentent chacun un bourrelet qui sont mis en contact de façon étanche l'un avec l'autre sur certaines portions de la bande.
Les bords de la bande présentent, par ailleurs, à intervalles prédéterminés et de façon symétrique par rapport à l'axe longitudinal de la bande, des encoches qui une fois la bande repliée définissent des ouvertures radiales dans lesquelles une extrémité des tubes peut être insérée de façon étanche.
Ainsi, grâce à l'invention, il n'est plus nécessaire de fabriquer une boîte à eau/couvercle et une plaque collectrice avant de les sertir l'une sur l'autre, puisqu'il suffit de plier une simple bande pré-découpée pour former la boîte collectrice.
Selon un aspect particulier de l'invention, les bourrelets sont assemblés par brasage.
Ceci ne nécessite pas de liaison à sertir, et le risque de fuite de la boîte est réduit.
Selon un aspect particulier de l'invention, chacun des bourrelets est formé par un pli à plat d'un bord longitudinal de la bande, s'étendant vers l'intérieur de la cavité.
Selon un aspect particulier de l'invention, chacun des bourrelets (B) est formé par un premier pli à plat d'un bord longitudinal de la bande, s'étendant vers l'intérieur de la cavité, et au moins un deuxième pli à plat s'étendant vers l'extérieur de la cavité et étant superposé au premier pli.
Les bords longitudinaux de la bande sont ainsi repliés au moins une fois pour former chacun un bourrelet. C'est en fonction de l'épaisseur de tube qu'est fait le choix du nombre de plis appliqués aux bords libres de la bande (l'épaisseur des tubes échangeurs correspond à la hauteur de la cavité de la boîte collectrice). Ainsi, plus l'épaisseur des tubes est importante, plus le nombre de plis formant les bourrelets est important. Dans une variante, il est possible d'utiliser une épaisseur de bande plus importante pour adapter la boîte à des tubes d'épaisseur plus importante. La jonction plat sur plat des bords repliés de la bande optimise la liaison brasée et l'étanchéité de la boîte collectrice sur les zones sans tube.
Selon un aspect particulier de l'invention, lesdites encoches comprennent chacune un ergot s'étendant dans l'encoche correspondante selon l'axe longitudinal et formant une butée d'introduction d'un tube d'échange thermique.
Ainsi, les ouvertures d'introduction des tubes de la boîte collectrice présentent des ergots formant butée de sorte qu'il est possible de maîtriser le degré de pénétration des tubes dans la cavité de la boîte collectrice.
Selon un aspect particulier de l'invention, les ergots sont formés dans lesdites encoches au niveau des premier et deuxième bords longitudinaux libres. Selon un aspect particulier de l'invention, les ergots sont formés à mi-distance entre le fond desdites encoches et les premier et deuxième bords longitudinaux libres respectivement.
Selon un aspect particulier de l'invention, ladite au moins une ouverture présente une forme de fente longitudinale.
Selon un aspect particulier de l'invention, la section interne de ladite au moins une ouverture est sensiblement identique à la section externe d'un tube d'échange thermique.
L'invention concerne, par ailleurs, un procédé de fabrication d'une boîte collectrice pour échangeur thermique notamment pour un véhicule automobile, définissant au moins une cavité de circulation d'un fluide caloporteur et comprenant au moins une ouverture pour recevoir une extrémité d'un tube d'échange thermique communiquant avec ladite au moins une cavité, ledit procédé comprenant :
• la formation d'un bourrelet sur chacun des deux bords longitudinaux d'une bande de matière présentant des encoches en vis-à-vis ménagées sur les deux bords longitudinaux de la bande de façon symétrique par rapport à l'axe longitudinal,
• le pliage de la bande autour de son axe longitudinal de sorte que lesdits bourrelets sont disposés en vis-à-vis et mis en contact l'un avec l'autre, et que les encoches en vis-à-vis forment ladite au moins une ouverture,
• le brasage de la liaison entre les bourrelets.
Selon un aspect particulier de l'invention, le procédé de fabrication comprend en outre :
• l'insertion de l'extrémité d'au moins un tube d'échange thermique dans ladite au moins une ouverture,
• le brasage de la liaison entre l'extrémité dudit au moins un tube d'échange thermique et la paroi de ladite au moins une ouverture.
Selon un aspect particulier de l'invention, l'étape de formation d'un bourrelet comprend une étape de pliage à plat des bords longitudinaux de la bande.
Selon un aspect particulier de l'invention, les bourrelets sont amincis, préférentiellement par laminage, avant qu'ils ne soient mis en contact l'un avec l'autre. L'invention concerne également un échangeur thermique, notamment pour véhicule automobile, comprenant au moins une boîte collectrice telle que décrite précédemment et au moins un tube d'échange thermique, ou pouvant être obtenu par le procédé tel que décrit précédemment.
4. Figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation particuliers, donnés à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et des figures annexées, à savoir :
- Figure 1 - Vue schématique d'un échangeur thermique selon l'invention ;
Figure 2 - Vue schématique partielle d'une bande, avant sa mise en forme, destinée à former une boîte collectrice selon un premier mode de réalisation;
Figure 3 - Vue schématique des étapes successives de mise en forme d'une boîte collectrice selon l'invention ;
- Figure 4A - Vue schématique d'une première coupe transversale d'une boîte collectrice selon un premier mode de réalisation, après mise en forme ;
Figure 4B - Vue schématique d'une deuxième coupe transversale d'une boîte collectrice selon le premier mode de réalisation, après mise en forme ;
Figure 4C - Vue identique à Figure 4A sans le tube ;
- Figure 5 - Vue schématique en coupe, selon l'axe A-A de la figure 4B, de l'ensemble formé par une boîte collectrice selon un premier mode de réalisation et l'extrémité d'un tube d'échange thermique ;
Figure 6A - Vue schématique d'une première coupe transversale d'une boîte collectrice selon un deuxième mode de réalisation, après mise en forme ;
- Figure 6B - Vue schématique d'une deuxième coupe transversale d'une boîte collectrice selon le deuxième mode de réalisation, après mise en forme ;
Figure 6C - Vue schématique partielle d'une bande, avant sa mise en forme, destinée à former la boîte collectrice selon le deuxième mode de réalisation.
Les différents éléments illustrés par les figures ne sont pas nécessairement représentés à l'échelle réelle, l'accent étant davantage porté sur la représentation du fonctionnement général de l'invention. 5. Description détaillée de modes de réalisation particuliers de l'invention
Le principe général de l'invention réside dans la fourniture d'une boîte collectrice obtenue à partir d'une bande repliée et dont les bords longitudinaux libres sont rabattables autour de chacun des tubes d'un faisceau d'échange thermique. Une telle boîte collectrice a pour avantages d'être adaptable aux variations d'épaisseur des tubes, de présenter une excellente étanchéité, de comprendre un nombre réduit de composants et de pouvoir être aisément mise en forme.
Plusieurs modes de réalisation particuliers de l'invention sont présentés dans la suite de la description. Il est bien entendu que la présente invention n'est nullement limitée par ces modes de réalisation particuliers et que d'autres modes de réalisation peuvent parfaitement être mis en œuvre.
5.1 Structure de l'échangeur thermique
La Figure 1 représente un échangeur thermique 1 destiné à équiper un véhicule automobile de type hybride ou électrique pour refroidir une ou plusieurs batteries formant une source d'énergie pour l'entraînement du véhicule automobile.
L'échangeur thermique 1 comprend un faisceau 2 de tubes, ou conduits, 3 d'échange thermique qui sont rectilignes et de même longueur. Ces tubes 3 sont placés parallèlement les uns aux autres et alignés de façon à former une rangée unique dans lesquels un liquide de refroidissement, tel que de l'eau glycolée, est destiné à circuler.
Dans ce mode de réalisation, les tubes 3 présentent une section droite de forme sensiblement oblongue.
De manière alternative, ces tubes d'échange thermique présentent une forme cylindrique ou toute autre forme connue de l'état de la technique.
Ces tubes 3 présentent, dans cet exemple, une pluralité de canaux (non visibles) juxtaposés de circulation du liquide.
Le faisceau 2 de tubes 3 comprend une première extrémité et une deuxième extrémité.
Comme montré sur la figure 1, la première extrémité du faisceau 2 de tubes 3 est destinée à être assemblée avec une première boîte collectrice 41 et la deuxième extrémité du faisceau 2 de tubes 3 est destinée à être assemblée avec une deuxième boîte collectrice 42.. Les boîtes collectrices 41, 42 définissent un volume dans lesquels débouchent les tubes 3 du faisceau 2.
Chaque boîte collectrice 41, 42 est ainsi en communication fluidique avec les tubes 3.
Selon le mode de réalisation illustré, l'entrée de fluide et la sortie de fluide sont agencées au niveau d'une même boîte collectrice. Cette boîte collectrice est raccordée à des tubulures d'entrée et de sortie (non représentées) d'un fluide caloporteur.
Les boîtes collectrices 41, 42 assurent ainsi la répartition et la collecte du fluide caloporteur dans les différents tubes 3 du faisceau 2, selon un schéma de circulation prédéterminé. Le fluide caloporteur peut ainsi absorber de la chaleur émise par la batterie afin de la refroidir. Le fluide caloporteur peut également, si besoin est, apporter de la chaleur pour réchauffer la batterie.
Les tubes 3 sont destinés à être en contact mécanique ou non avec au moins une batterie du véhicule, et sont avantageusement réalisés dans un matériau conducteur thermique, tel qu'un matériau métallique, par exemple en aluminium ou alliage d'aluminium.
L'échangeur thermique 1 est ainsi positionné directement au contact de la ou des batteries au fond du boîtier de protection et parcouru par un fluide caloporteur, ou indirectement au contact de la ou des batteries dans le cas d'un échangeur thermique placé à l'extérieur du boîtier de protection des batteries.
On décrit ci-après la structure particulière et les étapes de fabrication de chacune des boîtes collectrices 41, 42 de l'échangeur thermique 1.
5.2 Boîte collectrice avant sa mise en forme
La Figure 2 illustre une portion d'une bande 5 métallique destinée à former une boîte collectrice 4 selon un premier mode de réalisation.
La bande 5 métallique, en aluminium par exemple, est de forme globale rectangulaire et s'étend selon un axe longitudinal X.
Selon un mode de réalisation alternatif, la bande 5 est composée d'un matériau plastique ou de tout autre matériau connu présentant les propriétés mécaniques et thermiques nécessaire à sa mise en forme et à son utilisation pour la distribution de fluide caloporteur. Cette bande 5 est divisée de part et d'autre de l'axe longitudinal X en une première partie 6a et une seconde partie 6b qui s'étendent chacune transversalement vers un bord libre 7a, 7b respectivement. Ces bords libres 7a, 7b comprennent plusieurs entailles, ou encoches, 8a, 8b qui sont espacées, de façon régulière, parallèlement à l'axe longitudinal X, et disposés symétriquement par rapport à cet axe.
Sur la vue partielle de la figure 2, le bord libre 7a de la première partie 6a comprend une encoche 8a dont le pourtour est défini par deux portions latérales 8a' qui s'étendent transversalement vers une portion longitudinale de fond 8a".
En d'autres termes, les portions latérales 8a' définissent la profondeur de l'encoche 8a et sa portion de fond 8a" en définit la largeur.
En regard de l'encoche 8a est disposée une encoche 8b formée dans le bord libre 7b de seconde partie 6b et de dimensions identiques.
Ces encoches 8a, 8b, une fois la bande 5 mise en forme de sorte à former une boîte collectrice 4, sont destinées à former des ouvertures, ou évidement, O d'introduction et de passage des tubes 3 d'échange thermique (figure 4C), ces ouvertures O présentant un contour correspondant à celui d'une section droite des tubes 3. Dans cet exemple, les ouvertures O prennent la forme d'une fente s'étendant selon l'axe longitudinal de la boîte collectrice 4.
Selon le premier mode de réalisation, l'encoche 8a est de forme rectangulaire, les portions latérales 8a' étant perpendiculaires à la portion de fond 8a".
La portion de fond 8a" présente de plus une longueur égale ou légèrement supérieure à la largeur du tube 3 correspondant, qui est de type plat dans cet exemple.
La section interne de l'ouverture (O) est sensiblement identique à la section externe d'un tube (3) d'échange thermique.
En outre, la distance séparant deux encoches 8a, 8b consécutives d'un même bord 7a, 7b est égale à la distance séparant deux tubes 3 consécutifs du faisceau 2.
Par ailleurs, selon ce premier mode de réalisation, chacune des portions latérales 8a' d'une encoche 8a comprend, au niveau du bord libre 7a, un ergot 9 de butée faisant saillie dans l'encoche 8a selon la direction longitudinale X. Les encoches 8b présentent des ergots 9 identiques. Les ergots 9 d'une même encoche se font donc face.
Selon ce même mode de réalisation, les première et une seconde parties 6a, 6b présentent, avant mise en forme de la bande 5, une symétrie axiale par rapport à l'axe longitudinal X de la bande 5, et après mise en forme de la bande 5, une symétrie planaire par rapport à un plan médian P longitudinal de la boîte collectrice 4.
Comme on le verra par la suite, le bord libre 7a, 7b situé de chaque côté d'une encoche 8a, 8b est destiné à être plié une ou plusieurs fois à plat, de sorte à former un bourrelet B.
Les bourrelets B de chaque bord libre 7a, 7b sont destinés à venir en contact l'un avec l'autre une fois la bande 5 mise en forme, puis à être solidarisés par brasage.
5.3 Procédé de mise en forme et d'assemblage d'une boîte collectrice avec un faisceau de tubes d'échange thermique
Une boîte collectrice 4 selon le premier mode de réalisation est d'abord mise en forme par pliages successifs de la bande 5, avant de pouvoir être assemblée avec les tubes 3 plats du faisceau 2 d'échange thermique.
La bande 5 rectangulaire est ainsi pré-découpée de sorte à former des encoches 8a, 8b.
Tel qu'illustré par la Figure 3, le procédé de mise en forme de la boîte collectrice 4 comprend une étape SI de pliage à plat des bords libres 7a, 7b de la bande 5, suivie d'une étape de pliage S2 de la bande 5 autour de son axe longitudinal X.
Au cours de l'étape SI de pliage, les bords libres 7a, 7b s' étendant de part et d'autre des encoches 8a, 8b, sont repliés à plat pour former respectivement un bourrelet B dont l'épaisseur est fonction du nombre de plis effectués. L'épaisseur des bourrelets B détermine la hauteur de la boîte collectrice 4.
Selon le premier mode de réalisation illustré sur les figures 4A et 4B, les bords libres 7a, 7b de la bande 5 sont ainsi pliés à plat une seule fois vers le centre de la bande 5, c'est-à-dire vers l'axe longitudinal X.
Optionnellement, les bourrelets B de chaque bord libre 7a, 7b peuvent être amincis, préférentiellement par laminage, de sorte que l'épaisseur des bourrelets B est inférieure à deux fois l'épaisseur de la bande. Ceci permet d'avoir une flexibilité d'adaptation à la hauteur des tubes d'échange thermique.
La bande 5 est alors repliée (étape S2) autour de son axe longitudinal X de manière à ce que les bourrelets B soient disposés en vis-à-vis et mis en contact l'un avec l'autre, tel qu'illustré sur la vue en coupe transversale de la Figure 4B. Une fois la bande 5 pliée (étape S2) de sorte à obtenir la forme finale de la boîte collectrice 4, la bande 4 pliée délimite une cavité 10 longitudinale dans laquelle un fluide caloporteur est amené à circuler, et à être distribué dans le faisceau 2 de tubes débouchant dans la cavité 10. On note que cette cavité peut être divisée en plusieurs chambres de collecte et de distribution de fluide caloporteur.
Les bords libres 7a, 7b de la bande 5 sont ainsi pliés à plat une seule fois vers la cavité 10.
L'extrémité ouverte des tubes 3 est destinée à être emmanchée de force dans les ouvertures O radiales de la boîte collectrice 4 (étape S3) qui sont formés par les encoches 8a, 8b disposées en regard, une fois la bande 4 pliée (Figure 4A et 4C).
La boîte collectrice 4 présente ainsi, sur un bord latéral et dans le sens longitudinal, des zones avec des ouvertures O de passage d'un tube 3 et des zones sans tube qui ferment la cavité 10 par mise en contact des bourrelets disposés en vis-à-vis.
Il est envisageable à ce stade de répéter les étapes précédentes SI à S3 pour l'autre boîte collectrice de l'échangeur thermique 1.
Lors d'une étape S4, la fixation étanche des bourrelets B entre eux et des tubes 3 sur la boîte collectrice 4 est effectuée par brasage. La fixation des bourrelets B entre eux et des tubes 3 sur la boîte collectrice 4 peut être effectuée en deux étapes distinctes.
On note que la distance séparant deux encoches 8a, 8b consécutives est égale à la distance séparant deux tubes 3 consécutifs du faisceau 2. Par ailleurs, la forme des encoches 8a, 8b est complémentaire de la section des tubes 3 de sorte à assurer une bonne étanchéité de l'ensemble tubes 3 et boîtes collectrices 41, 42.
Tel qu'illustré sur la Figure 4B, il est important que la hauteur "h" de la cavité 10 de la boîte collectrice 4 soit égale ou légèrement supérieure à l'épaisseur "e" du tube 3, de manière à ce que l'extrémité de ce dernier puisse aisément être insérée dans la cavité 10 tout en conservant une bonne étanchéité de l'ensemble.
Or, cette épaisseur "e" de tube 3 est variable d'un faisceau 2 à un autre.
C'est donc en fonction de cette épaisseur "e" qu'est fait le choix du nombre de plis appliqués aux bords libres 7a, 7b de la bande 5, dans l'objectif de former un bourrelet B et donc une hauteur "h" de la cavité 10 ayant la dimension souhaitée. La fabrication d'une boîte collectrice à partir d'une bande plate conformément à l'invention permet d'adapter aisément les dimensions de la boîte collectrice à l'épaisseur "e" des tubes 3 d'échange thermique.
Comme illustré sur les Figure 4A et 5, après mise en forme de la boîte collectrice 4 selon le premier mode de réalisation, les ergots 9 formés dans les encoches 8a, 8b de la bande 5 s'étendent dans la cavité 10 à distance de l'ouverture O de passage du tube 3. L'extrémité d'un tube 3 inséré dans l'ouverture O vient en butée contre les ergots 9. Il est ainsi possible de maîtriser le degré de pénétration du tube 3 dans la cavité 10. 5.4 Mode de réalisation alternatif d'une boîte collectrice
Selon un deuxième mode de réalisation, les bords libres 7a, 7b de chaque partie 6a, 6b de la bande 5 sont pliées à plat (étape SI) deux fois, de manière symétrique par rapport à l'axe longitudinal X de la bande.
Le premier pli est orienté vers l'intérieur de la cavité 10, et le deuxième pli vers l'extérieur de la cavité 10.
Après pliage en deux étapes de la bande 5 (étape S2), et tel qu'illustré sur la Figure 6B, les bords libres 7a, 7b sont ainsi orientés vers l'extérieur de la cavité 10.
En comparaison avec le premier mode de réalisation, la boîte collectrice 4 selon le deuxième mode de réalisation est adaptée pour être couplée à des tubes 3 d'une épaisseur "e" plus importante.
Selon ce deuxième mode de réalisation, et tel que représenté par la Figure 6C, chacune des portions latérales des encoches (seule l'encoche 8b est visible sur la figure 6C) comprend à mi-distance entre sa portion de fond et le bord longitudinal de la bande, un ergot 9 de butée faisant saillie longitudinalement.
Tel que représenté sur la Figure 6A, après mise en forme de la bande 5, ces ergots 9 s'étendent dans la cavité 10 à distance de l'ouverture O de passage du tube 3. L'extrémité d'un tube 3 inséré dans l'ouverture O vient en butée contre les ergots 9. Il est ainsi possible de maîtriser le degré de pénétration du tube 3 dans la cavité 10.
On note que les tubes d'échange thermique sont, par exemple, extrudés et comprennent une pluralité de canaux de circulation de fluide.
Par ailleurs, la boîte collectrice conforme à l'invention peut présenter une ou plusieurs cavités, ou chambres, de circulation de fluide caloporteur. La bande de matériau destinée à être pliée peut être obtenue par assemblage de plusieurs plaques.
Les bourrelets peuvent être rapportés sur la bande.
Par ailleurs, l'échangeur thermique peut présenter une ou deux boîtes collectrices conformes à l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
Boîte collectrice (4) pour un échangeur thermique (1), notamment pour un véhicule automobile, définissant au moins une cavité (10) de circulation d'un fluide caloporteur et comprenant au moins une ouverture (O) pour recevoir de façon étanche une extrémité d'un tube (3) d'échange thermique (ou de circulation de fluide caloporteur) communiquant avec ladite au moins une cavité (10), caractérisée en ce qu'elle constituée d'au moins une bande (5) de matière repliée sur elle-même autour de son axe longitudinal (X), ladite au moins une cavité (10) étant fermée par la liaison de deux bourrelets (B) en vis-à-vis formés sur les deux bords longitudinaux (7a, 7b) de la bande (5) et ladite au moins une ouverture (O) étant formée par deux encoches (8a, 8b) en vis-à-vis ménagées de façon symétrique par rapport audit axe longitudinal (X) sur les deux bords longitudinaux (7a, 7b) de la bande (5).
Boîte collectrice (4) selon la revendication 1, caractérisée en ce que les bourrelets (B) sont assemblés par brasage.
Boîte collectrice (4) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chacun des bourrelets (B) est formé par un pli à plat d'un bord longitudinal (7a, 7b) de la bande (5), s' étendant vers l'intérieur de la cavité (10).
Boîte collectrice (4) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chacun des bourrelets (B) est formé par un premier pli à plat d'un bord longitudinal (7a, 7b) de la bande (5), s' étendant vers l'intérieur de la cavité (10), et au moins un deuxième pli à plat s'étendant vers l'extérieur de la cavité (10) et étant superposé au premier pli.
Boîte collectrice (4) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdites encoches (8a, 8b) comprennent chacune un ergot (9) s'étendant dans l'encoche (8a, 8b) correspondante selon l'axe longitudinal (X) et formant une butée d'introduction d'un tube(3) d'échange thermique.
Boîte collectrice (4) selon la revendication 5, caractérisée en ce que les ergots (9) sont formés dans lesdites encoches (8a, 8b) au niveau des premier et deuxième bords longitudinaux (7a, 7b) libres. Boîte collectrice (4) selon la revendication 5, caractérisée en ce que les ergots (9) sont formés à mi-distance entre le fond desdites encoches (8a, 8b) et les premier et deuxième bords longitudinaux (7a, 7b) libres respectivement.
Boîte collectrice (4) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ladite au moins une ouverture (O) présente une forme de fente longitudinale.
Boîte collectrice (4) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la section interne de ladite au moins une ouverture (O) est sensiblement identique à la section externe d'un tube (3) d'échange thermique.
Procédé de fabrication d'une boîte collectrice (4) pour échangeur thermique notamment pour un véhicule automobile, définissant au moins une cavité (10) de circulation d'un fluide caloporteur et comprenant au moins une ouverture (O) pour recevoir une extrémité d'un tube (3) d'échange thermique communiquant avec ladite au moins une cavité (10), ledit procédé comprenant : la formation d'un bourrelet (B) sur chacun des deux bords longitudinaux (7a, 7b) d'une bande (5) de matière présentant des encoches (8a, 8b) en vis-à-vis ménagées sur les deux bords longitudinaux (7a, 7b) de la bande (5) de façon symétrique par rapport à l'axe longitudinal (X),
le pliage de la bande (S2) autour de son axe longitudinal (X) de sorte que lesdits bourrelets (B) sont disposés en vis-à-vis et mis en contact l'un avec l'autre, et que les encoches (8a, 8b) en vis-à-vis forment ladite au moins une ouverture (O), le brasage (S4) de la liaison entre les bourrelets (B).
Procédé de fabrication selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
l'insertion (S3) de l'extrémité d'au moins un tube (3) d'échange thermique dans ladite au moins une ouverture (O),
le brasage (S4) de la liaison entre l'extrémité dudit au moins un tube (3) d'échange thermique et la paroi de ladite au moins une ouverture (O). Procédé de fabrication selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que l'étape de formation d'un bourrelet (B) comprend une étape de pliage à plat des bords longitudinaux (7a, 7b) de la bande (5).
Procédé de fabrication selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que les bourrelets sont amincis, préférentiellement par laminage, avant qu'ils ne soient mis en contact l'un avec l'autre.
Echangeur thermique (1), notamment pour véhicule automobile, comprenant au moins une boîte collectrice (4) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 et au moins un tube (3) d'échange thermique, ou pouvant être obtenu par le procédé selon l'une des revendications 10 à 13.
PCT/FR2017/053656 2017-01-06 2017-12-18 Boîte collectrice pour échangeur thermique, notamment pour véhicule automobile, échangeur thermique et procédé de fabrication correspondant WO2018127642A1 (fr)

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