WO2018206895A1 - Echangeur thermique, notamment pour la régulation thermique de batteries, et procédé de fabrication correspondant - Google Patents

Echangeur thermique, notamment pour la régulation thermique de batteries, et procédé de fabrication correspondant Download PDF

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WO2018206895A1
WO2018206895A1 PCT/FR2018/051149 FR2018051149W WO2018206895A1 WO 2018206895 A1 WO2018206895 A1 WO 2018206895A1 FR 2018051149 W FR2018051149 W FR 2018051149W WO 2018206895 A1 WO2018206895 A1 WO 2018206895A1
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WO
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tube
heat exchanger
cover
collector
seal
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Application number
PCT/FR2018/051149
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Inventor
Frédéric TISON
Alain Pourmarin
Christophe Denoual
Original Assignee
Valeo Systemes Thermiques
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
    • F28D1/053—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being straight
    • F28D1/0535—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being straight the conduits having a non-circular cross-section
    • F28D1/05366—Assemblies of conduits connected to common headers, e.g. core type radiators
    • F28D1/05383—Assemblies of conduits connected to common headers, e.g. core type radiators with multiple rows of conduits or with multi-channel conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/0219—Arrangements for sealing end plates into casing or header box; Header box sub-elements
    • F28F9/0224—Header boxes formed by sealing end plates into covers
    • F28F9/0226—Header boxes formed by sealing end plates into covers with resilient gaskets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
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    • F28F9/16—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling
    • F28F9/165—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling by using additional preformed parts, e.g. sleeves, gaskets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F1/022—Tubular elements of cross-section which is non-circular with multiple channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28F2230/00—Sealing means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F2275/00—Fastening; Joining
    • F28F2275/08—Fastening; Joining by clamping or clipping
    • F28F2275/085—Fastening; Joining by clamping or clipping with snap connection

Definitions

  • the field of the invention is that of heat exchangers, in particular for motor vehicles.
  • the invention finds a particularly advantageous application in the field of thermal control devices for batteries of motor vehicles with electric and / or hybrid motorization.
  • the electrical energy of electrically and / or hybrid powered vehicles is provided by one or more batteries.
  • the battery is generally formed of a plurality of electric energy storage cells arranged in a protective housing to form a so-called battery pack.
  • a problem is that during operation, the battery is heated and may be damaged.
  • the battery life can decrease sharply.
  • the thermal regulation of the battery is, therefore, an important point.
  • Such exchangers conventionally comprise a bundle of tubes interconnecting at least two collector boxes in which are connected, in a fixed and sealed manner, corresponding ends of the tubes.
  • a heat transfer fluid namely a refrigerant in the case of a direct cooling or a cooling fluid in the case of indirect cooling, can then circulate in the exchanger, more precisely through the manifolds and tubes which are in contact with the different electric cells, so as to regulate their temperature by thermal conduction.
  • each of the manifolds in which the tubes of the bundle open out comprises a collecting plate having orifices for passage of the tubes.
  • collector plate is capped by a lid or “fluid box” so that the collector and the fluid box define a common volume into which the corresponding ends of the tubes open, and by which are if necessary the inlet and the outlet of the coolant.
  • the lid is, for example; provided with connections to intake and fluid collection lines.
  • Its interior volume can furthermore be subdivided into a plurality of distinct subvolumes allowing to gather together certain groups of tubes of the bundle so as to define a predetermined fluid circulation configuration in the heat exchanger, with several back and forth fluid coolant in the bundle of tubes.
  • brazed assembly where all the elements of the exchanger is passed through a brazing furnace allowing a filler metal to achieve both the joining various elements (collectors, covers, tube bundle, etc.) and their sealing.
  • brazing of the elements of the cooler tends to degrade the mechanical strength of the tubes, their resistance to pressure and their resistance to internal and external corrosion.
  • the heat transfer between the batteries and the cooler is not homogeneous, so that the heat exchanger does not ensure optimum regulation of the temperature of the batteries. .
  • the object of the invention is to improve the mechanical strength of the tubes of a heat exchanger in order to optimize, in a particular application, the thermal regulation of the battery (s) of a motor vehicle with electric motorization and / or hybrid.
  • the invention relates to a heat exchanger for a motor vehicle, the heat exchanger comprising at least one tube of circulation of a heat-transfer fluid whose ends penetrate into a collecting box, each of said manifolds comprising a manifold having a first orifice for passing said at least one tube, and a lid having a second orifice for passing said at least one tube and delimiting at least one heat transfer fluid circulation chamber wherein said at least one tube opens.
  • said at least one tube and said lid are mechanically assembled with said manifold, and said manifold comprises at least one seal disposed on the one hand between said lid and said at least one tube and on the other part between said collector and said cover.
  • the invention thus proposes a heat exchanger in which all the elements of the exchanger are mechanically and sealingly secured.
  • This same seal also ensures the seal between the lid and the corresponding collector, and thus avoids, or at least minimizes, the risk of coolant leakage.
  • the performance of the heat exchanger is greatly improved.
  • Such a heat exchanger finds a particularly advantageous application in the thermal regulation of batteries of motor vehicles with electric motor and / or hybrid. It can also be used as a radiator in an air conditioning system of a vehicle.
  • said at least one seal has at least one through hole of said at least one tube.
  • said at least one seal comprises a base and at least one nipple extending from said base, said at least one hole passing through said base and said nipple.
  • said base of said at least one seal is housed in a recess of said cover so as to be sandwiched between the cover and said manifold.
  • said nipple of said at least one seal is housed at least partly in said second port of said cover.
  • said at least one tube is mounted tightly in said passage hole of said seal, so that the nipple of the seal is compressed between the inner wall of said second orifice of said cover and the outer wall of said tube.
  • said nipple of said at least one seal is of oblong section.
  • the first orifice of the manifold, the second orifice of the lid and the hole of said at least one seal are of oblong section.
  • the assembly between said cover and said manifold is achieved by latching means.
  • the latching means comprise teeth carried by the manifold for cooperating with grooves provided on said cover.
  • the assembly between said lid and said manifold is made by crimping two opposite edges of said manifold around two opposite edges of said lid.
  • said collector comprises a collar through which the first orifice for passing said at least one tube passes.
  • the inner surface of the first orifice comprises at the level of the collar at least one deformation of said at least one tube in said collar.
  • a crimping can be performed between the manifold collars and the corresponding tubes to counteract the movements of the components between them under the effect of the internal pressure of the heat exchanger and the mechanical stresses exerted during assembly of the exchanger thermal, its mounting and its use in the vehicle.
  • the mechanical connections between the components of the heat exchanger are dissociated from the sealing zone.
  • the restriction of the first orifice is obtained by a magnetic pulse process or by well deformation of the wall of the collar.
  • said at least one tube is assembled to the collar by welding or gluing.
  • said at least one conduit comprises a plurality of heat transfer fluid circulation channels.
  • said lid comprises at least two heat transfer fluid circulation chambers.
  • the second chamber is defined inside the first chamber.
  • the second chamber is defined outside the first chamber.
  • said lid comprises at least one fluidic communication orifice between the first and the second chamber.
  • the invention also relates to a method of assembling a heat exchanger for a motor vehicle comprising at least one heat transfer fluid circulation tube whose ends penetrate into a collecting box, each of said manifolds comprising a collector having a first orifice for passing said at least one tube, and a lid having a second orifice for passing said at least one tube and delimiting at least one circulation chamber for the coolant in which said at least one tube opens out.
  • the method comprises the following steps:
  • At least one tube is forced into the first orifice of said manifold and into the hole of said seal so that a first end of said at least one tube protrudes from the nipple of the seal, - assemble the collector with at least one tube by crimping, welding or gluing a collar of the collector in which the first orifice is formed on said at least one tube,
  • the cover is force-fitted on the seal so that the nipple of the seal comes to be positioned in the second orifice of said cover,
  • the collector is mechanically assembled on the cover, so that the at least one tube opens into the circulation chamber for the coolant of said cover,
  • said at least one tube is simultaneously secured to the first and second header of said heat exchanger.
  • the method of manufacturing such a heat exchanger therefore does not require, for the assembly of the elements between them, brazing, that is to say material supply, since the assembly is mechanical.
  • This method also has the advantage of not requiring an expensive and complex heating installation in a neutral and confined atmosphere.
  • FIG. 1 is a perspective view of a heat exchanger according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is a partial exploded view of a header box of a heat exchanger according to the invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a header box of a heat exchanger according to the invention.
  • FIG. 4 is a longitudinal sectional view and partial of a header of a heat exchanger according to the invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a header of a heat exchanger according to a particular embodiment of the invention.
  • - Figure 6 comprises several schematic sectional views A to D of a heat exchanger cover according to the invention comprising two circulation chambers of the heat transfer fluid; and - Figure 7 is a schematic perspective view of a heat exchanger cover according to the invention comprising two heat transfer fluid circulation chambers and an opening for fluid communication between these two chambers.
  • Figure 1 is a perspective view of a heat exchanger 1 according to one embodiment of the invention.
  • Such a heat exchanger is intended to equip a hybrid or electric motor vehicle, in particular for cooling one or more batteries, each constituted by a plurality of electric energy storage cells, forming a source of energy for training of the motor vehicle.
  • the heat exchanger 1 is positioned directly in contact with the battery or batteries at the bottom of a 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 the battery protection box.
  • the heat exchanger 1 comprises a first collector box 41 formed of a lid-shaped element generally designated "fluid box" 31 associated with a metal plate, generally called a collector, 21, and a second manifold 42 formed of a lid-shaped member 32 associated with a metal plate or manifold 22, each manifold being intended to collect and distribute the coolant, such as brine.
  • a first collector box 41 formed of a lid-shaped element generally designated "fluid box" 31 associated with a metal plate, generally called a collector, 21, and a second manifold 42 formed of a lid-shaped member 32 associated with a metal plate or manifold 22, each manifold being intended to collect and distribute the coolant, such as brine.
  • the heat exchanger 1 further comprises a bundle of rectilinear tubes or conduits 11 of the same length, extending perpendicularly to the longitudinal axis of the collectors 21, 22 and covers 31, 32, for the circulation of the coolant.
  • the tubes 11 have a substantially oblong cross section.
  • At least one of the flat portions of the tubes 11 is intended to be in mechanical contact or not with at least one electric energy storage cell (not shown).
  • Each tube 11 is here extruded aluminum and comprises a first end and a second end.
  • the first end of the tube bundle 11 is intended to be assembled with the first collector 21 and the second end of the bundle of tubes 11 is intended to be assembled with the second collector 22.
  • each collector 21, 22 joins the ends of the tubes 11 of the bundle, each cover 31, 32 being sealingly connected to the collector 21, 22 by its peripheral rim.
  • the assembly constituted by the collector 21, 22 and the cover 31, 32 corresponding defines a volume in which the tubes 11 of the bundle open.
  • the heat exchanger 1 further comprises an inlet fluid connection 410 and a fluidic outlet connection 420 of the heat transfer fluid arranged on at least one manifold.
  • the inlet fluidic connection 410 is located at a longitudinal end of the manifold 41 and the outlet fluid connection 420 is located on the manifold 42, at the opposite end of the manifold 41. .
  • the various elements (collectors, manifolds and tubes) of the heat exchanger 1 are joined together mechanically and sealingly by interposition of a seal 51, 52 ensuring the seal between each cover 31, 32 and the ends of the tubes 11, on the one hand, and between each collector 21, 22 and the corresponding cover 31, 32, on the other hand.
  • the constituent elements of the second manifold 42 namely the manifold 22, the cover 32 and the seal 52, are similar to the constituent elements of the first manifold 41.
  • FIG. 2 is an exploded and partial view of the first manifold
  • the channels 111 of a tube 11 are separated by reinforcing legs which ensure the mechanical strength of the tube under pressure (that is to say, which minimize the deformation of the conduit 11 under pressure) .
  • a portion of the collector 21, which is substantially rectangular in shape, is also shown in Figure 2. It comprises a central wall 212 whose two opposite edges (the upper and lower edges in Figure 2) are extended by wings 213, 213 curved from one side of the wall Central 212.
  • the collector 21 has a substantially U-shaped section.
  • a collar 214 of oblong shape extends from a second side of the central wall 212. This collar 214 defines an oblong hole 210 for introduction and passage of the duct 11, which is itself of oblong section.
  • the axis of the oblong orifice 210 is perpendicular to the longitudinal axis of the collector 21, the oblong orifice 210 opening into the central wall 212.
  • the height of the collar 214 may be constant or variable on its periphery.
  • the two wings 213, 213 ' are inclined at an angle of between 90 ° and 110 °, preferably 100 °, relative to the plane of the central wall 212 and extend in the opposite direction of the collar 214.
  • Each wing 213, 213 'bears on its opposite lateral edges two detent teeth 218, 219 and 216, 217 respectively which project towards the space between the two wings 213, 213' (these teeth are thus arranged in vis-a-vis).
  • the lid 31 comprises a cylindrical chamber 316 in which is intended to circulate the heat transfer fluid and a base comprising two feet 311 (upper and lower in FIG. ) separated by a central recess 312.
  • the feet 311 and the recess 312 extend along the longitudinal axis of the cover 31.
  • the cover 31 also has an oblong hole 310 extending along the longitudinal axis of the cover 31 and opening on the one hand into the chamber 316 and on the other hand at the recess 312 of the base.
  • the cover 31 has, at the level of the feet 311, grooves 313, 313 'of complementary shape to the detent teeth 216, 217, 218, 219 carried by the collector 21.
  • the ratchet teeth 216, 217 and 218, 219 cooperate with the grooves 313 'and 313 respectively.
  • the first manifold 41 comprises at least one seal 51 which is disposed between the cover 31 and the collector 21.
  • the seal 51 is partially shown in FIG.
  • It comprises a base 510 of substantially rectangular shape from which extends perpendicularly a nipple 511 oblong sealing substantially complementary to the orifice 310 of the lid 31.
  • the seal 51 has a hole 512, of complementary shape to the duct 11, formed in the base 510 and the nipple 511.
  • the seal 51 is advantageously made of elastomeric material. It can thus be made of EPDM (for "ethylene-propylene-diene monomer").
  • the cover 31 comprises a plurality of orifices 310 distributed over its length
  • the manifold 21 also comprises a plurality of orifices 210 distributed along its length and that the seal 51 has several teats 511 along its length (or that several seals each having a teat are implemented), so that each tube 11 of the heat exchanger 1 is associated with an orifice 310 of the lid 31, an orifice 210 of the manifold 21 and a nipple 511 of the seal 51.
  • Figures 3 and 4 are sectional views showing the assembly of a tube 11 on the first manifold 41.
  • the base 510 of the seal 51 is pressed firstly against the central wall 212 of the collector 21 and secondly against the inner surface of the recess 312 of the cover 31 of so that it is kept compressed between the cover 31 and the collector 21.
  • the nipple 511 of the seal 51 is forcibly housed in the hole 310 of the cover 31 and partly beyond the orifice 310 so that extend partially in the cylindrical chamber 316 of the lid 31.
  • the tube 11 passes through the orifice 210 of the collar 214 and the hole 512 of the seal 51 so as to open into the cylindrical chamber 316 of the cover 31.
  • the passage of the tube 11 in the seal 51 makes it possible to compress radially the external wall of the nipple 511 against the inner wall of the orifice 310 of the cover 31 so as to guarantee the sealing of the connection tube 11 / cover 31 .
  • the tube 11 is preloaded in the nipple 511 of the seal 51 in the area of the lid 31.
  • the radial compression ratio of the nipple 511 of the seal 51 in the orifice 310 of the cover 31 is preferably between 5 and 60%, for example between 15 and 40%, and especially between 25 and 30%.
  • This ratio is equal to the difference between the thickness of the wall of the nipple 511 before assembly and that after assembly, divided by the thickness of the wall of the nipple 511 before assembly.
  • the seal 51 is compressed on the one hand in the space between the outer wall of the tube 11 and the orifice 310 of the lid 31 and on the other hand between the central wall 212 of the collector 21 and the inner surface of the recess 312 of the cover 31.
  • the tube 11 is mechanically assembled with the first manifold 41 so as to prevent the sliding, under the effect of the pressurization of the coolant, of the assembly constituted by the seal 51, the collector 21 and the cover 31 relative to the tube 11.
  • Such recesses 215 are deep enough to deform the inner wall of the collar 214 and the outer wall of the duct 11 without closing off one of the channels 111 of the duct 11.
  • the width of the orifice 210 is reduced punctually at the level of the collar 214 so as to block any displacement in translation of the tubes 11 and thus to immobilize the longitudinal positioning of the tubes 11 in the chamber 316 of the cover 31.
  • This stop tube is a simple and reliable solution for the mechanical strength of the tube on the collector.
  • Figures 3 and 4 illustrate a first mechanical assembly solution of the collector 21 on the cover 31.
  • the collector 21 carries ratchet teeth 216, 217, 218, 219 intended to be housed in the grooves 313, 313 'of the feet 311 of the lid 31.
  • the manifold is thus fixed on the lid by clipping.
  • the collector 21 carries out the mechanical connection between the tubes 11 and the cover 31. It also ensures that the seal 51 is held in position in the cover 31 and ensures that the collecting box 41 is sealed at the level of the connecting cover 31 / manifold 21 by compressing the seal 51.
  • FIG. 5 illustrates a second mechanical assembly solution of the collector 21 on the cover 31.
  • the opposite wings of the collector 21 are flat and therefore do not bear ratchet teeth.
  • the longitudinal ends of the wings 213, 213 'opposite the lid 31 are folded into the grooves 313, 313' of the feet 311 of the lid 31.
  • the collector is thus fixed on the cover by crimping.
  • FIG. 6 show particular embodiments in which the cover 31 comprises two heat transfer fluid circulation ducts.
  • a dividing wall 314 which is rectilinear or curved, is extruded into the profile of the cover 31 to form a first duct and a second duct, the latter being able to serve either as a transfer duct or heat transfer fluid return to locate the inlet and the outlet of the coolant on the same side of the heat exchanger.
  • a second duct 31 'contiguous to the cover 31 is coextruded to form a return duct, transfer or bypass.
  • the diameter and location of the second conduit 31 'relative to the cover 31 may vary. Communication ports between the pipes can be made by machining or cutting.
  • the second duct 31 ' is juxtaposed with the lid 31.
  • a fluidic communication orifice 315 made by machining or cutting allows the coolant to flow from the first duct to the second duct, and / or vice versa. .
  • one of the ends of the tube 11 comes into contact with an adjustable and removable stop so as to delimit the portion of the tube 11 which is intended to fit into the manifold 41.
  • At least one holding element is pressed against the tube 11 so as to immobilize it.
  • the manifold assembly 21 / seal 51 is placed in a fitting head.
  • the head of the boot makes it possible to position the base 510 of the seal 51 against the central wall 212 of the collector 21 and to align the first orifice 210 of the collector 21 with the hole 520 of the seal 51.
  • the alignment is achieved by a punch being introduced into the hole 520 of the seal 51 and then into the first orifice 210 of the manifold 21.
  • a punch being introduced into the hole 520 of the seal 51 and then into the first orifice 210 of the manifold 21.
  • the manifold assembly 21 / seal 51 is force-fitted onto the end of the tube 11 so that the end of the tube 11 crosses the first orifice 210 of the collector 21 and the hole 520 of the seal 51, and protrudes from the nipple 510.
  • the collector assembly 21 / seal 51 is secured, by crimping, welding or gluing, to the tube 11.
  • a mechanical stress applied to the collar 214 of the collector 21 forms one or more deformations of the inner wall of the collar 214 towards the tube 11 so that the inner wall of the collar 214 enters the outer wall of the tubell.
  • the mechanical stress applied is determined so that the deformation of the inner wall of the collar 214 does not cause the closure of one of the channels of the tube 11.
  • the cover 31 is force-fitted onto the seal 51 so that the pacifier 511 enters the second port 310 of the cover 31 until the base 510 is pressed against the inner surface of the cover. the recess 312 of the cover 31.
  • the nipple 511 seals between the tube 11 and the lid 31, between the lid 31 and the collector 21.
  • the collector 31 is assembled mechanically (by clipping or crimping) on the cover 21.
  • the assembly is carried out by latching means 216, 217, 218, 219 carried by the wings 213, 213 'of the collector 21 and fitting into the grooves 313, 313' of the cover 31. .
  • the assembly is performed by folding the longitudinal ends of the flanges 213, 213 'opposite the collector 21 in the grooves 313, 313' of the cover 31.
  • the mechanical assembly of the entire heat exchanger 1 is relatively easy and provides a good level of tightness inside the manifolds 41, 42 where circulates the heat transfer fluid.
  • the heat exchanger of the invention can be used to heat or cool one or more batteries according to the conditions and needs, so as to regulate their temperature.
  • a coolant flowing through the heat exchanger can in this case absorb the heat emitted by the battery or batteries to cool them or, if necessary, it can bring them heat if the temperature of the battery or batteries is insufficient for its / their smooth operation.
  • such a heat exchanger can also be used as a radiator in a vehicle.
  • the approach of the invention thus makes it possible to avoid internal pollution by the residual brazing flux which reacts with the cooling liquid by degrading its anti-corrosion and gelling properties, which can lead to a loss of thermal performance of the cooler (heat exchanger) by plugging the channels of the tubes.
  • the mechanical assembly also allows the use of complex-shaped covers made by plastic molding which allows the easy connection of the cover to the cooling loop and its fixation (unlike soldered exchangers which require the addition of metal tubing and fastening lugs on the extruded, stamped or rolled aluminum covers).
  • covers, or water boxes may be made of aluminum material (of the 3003 type, for example) or plastic (of the PA66GF30 type, for example). example).
  • the aluminum material makes it possible to design parts with small thicknesses.
  • the plastic material makes it easy to produce complex shapes, making it easier to attach the cooler to a battery box and to connect tubing.
  • the tubes which are preferably extruded aluminum, can be cut to the desired length.
  • the tubes may have other section shapes, such as a circular or oval section, for example.
  • the multichannel tubes are electro-welded but do not present in this case reinforcement leg between the channels.
  • the fluidic inlet and outlet connections of the coolant can be arranged respectively on each of the two manifolds (as in the embodiment described above) or, on the same manifold.
  • the fluidic connections are located substantially in the center, along the longitudinal axis, of one of the manifolds and are made by stitching and then connected by brazing, gluing, welding or any other means to secure them while ensuring their tightness.
  • the mechanical assembly also makes it possible to reduce the material thicknesses of the tubes and to reduce the number of partitions in the channels of the tubes.
  • a seal may comprise one or more teats.

Abstract

L'invention concerne un échangeur thermique (1) pour un véhicule automobile, l'échangeur thermique (1) comprenant au moins un tube (11) de circulation d'un fluide caloporteur dont les extrémités pénètrent dans une boîte collectrice (41, 42), chacune desdites boîtes collectrices (41, 42) comprenant un collecteur (21, 22) présentant un premier orifice (210) de passage dudit au moins un tube (11), et un couvercle (31, 32) présentant un deuxième orifice (310) de passage dudit au moins un tube (11) et délimitant au moins une chambre (316) de circulation du fluide caloporteur dans lequel ledit au moins un tube (11) débouche. Selon l'invention, ledit au moins un tube (11) et ledit couvercle (31, 32) sont assemblés mécaniquement avec ledit collecteur (21, 22), et ladite boîte collectrice (41, 42) comprend au moins un joint d'étanchéité (51) disposé d'une part entre ledit couvercle (31, 32) et ledit au moins un tube (11) et d'autre part entre ledit collecteur (21, 22) et ledit couvercle (31, 32).

Description

Echangeur thermique, notamment pour la régulation thermique de batteries, et procédé de fabrication correspondant 1. Domaine technique de l'invention
Le domaine de l'invention est celui des échangeurs thermiques, en particulier pour véhicules automobiles.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des dispositifs de régulation thermique des batteries des véhicules automobiles à motorisation électrique et/ou hybride.
2. Etat de la technique
L'énergie électrique des véhicules à motorisation électrique et/ou hybride est fournie par une ou plusieurs batteries.
Dans ce type de véhicule, la batterie est généralement formée d'une pluralité de cellules de stockage d'énergie électrique disposées dans un boîtier de protection afin de former ce que l'on appelle un pack batterie.
Un problème posé réside dans le fait que durant son fonctionnement, la batterie est amenée à chauffer et risque ainsi de s'endommager.
Par ailleurs, en cas de température trop basse, l'autonomie de la batterie peut décroître fortement.
La régulation thermique de la batterie est, par conséquent, un point important.
Il est donc nécessaire d'utiliser des échangeurs thermiques afin de maintenir la batterie à une température acceptable, à savoir entre 20°C et 40°C afin d'assurer la fiabilité, l'autonomie, et la performance du véhicule, tout en optimisant la durée de vie de la batterie.
De tels échangeurs comprennent classiquement un faisceau de tubes reliant entre elles au moins deux boîtes collectrices dans lesquels sont raccordées, de façon fixe et étanche, des extrémités correspondantes des tubes.
Un fluide caloporteur, à savoir un fluide frigorigène dans le cas d'un refroidissement direct ou un fluide de refroidissement dans le cas d'un refroidissement indirect, peut alors circuler dans l'échangeur, plus précisément à travers les boîtes collectrices et les tubes qui sont en contact avec les différentes cellules électriques, de manière à réguler leur température par conduction thermique.
De façon connue, chacune des boîtes collectrices dans laquelle débouchent les tubes du faisceau comporte une plaque collectrice présentant des orifices de passage des tubes.
Cette plaque collectrice, généralement désignée "collecteur", est coiffée par un couvercle ou "boîte à fluide" de manière à ce que le collecteur et la boite à fluide définissent un volume commun dans lequel débouchent les extrémités correspondantes des tubes, et par lequel sont opérées le cas échéant l'entrée et la sortie du fluide caloporteur.
Le couvercle est, par exemple; pourvu de raccordements à des conduites d'admission et de collecte de fluide.
Son volume intérieur peut en outre être subdivisé en une pluralité de sous-volumes distincts permettant de réunir ensemble certains groupes de tubes du faisceau de manière à définir une configuration de circulation de fluide prédéterminée dans l'échangeur thermique, avec plusieurs allers et retours de fluide caloporteur dans le faisceau de tubes.
L'une des techniques d'assemblage couramment utilisée à cet effet est l'assemblage brasé, où l'ensemble des éléments de l'échangeur est passé dans un four de brasage permettant à un métal d'apport de réaliser à la fois la solidarisation des divers éléments (collecteurs, couvercles, faisceau de tubes, etc.) et leur étanchéité. Cependant, il a été constaté que le brasage des éléments du refroidisseur tend à dégrader la résistance mécanique des tubes, leur tenue à la pression et leur tenue à la corrosion interne et externe.
Cette dégradation de la résistance mécanique peut conduire à une déformation des tubes lorsque ces derniers sont parcourus par un fluide sous pression.
Par ailleurs, lorsque les tubes présentent une section circulaire, il a été observé des défauts de rectitude des génératrices du tube cylindrique suite au brasage.
De la même façon, lorsque les tubes présentent une surface plane orientée vers les batteries (ce qui est le cas des tubes de section oblongue, par exemple), de sorte à avoir une large surface d'échange de la chaleur, il a été observé des défauts de planéité de cette surface plane.
Du fait de ces défauts de rectitude ou de planéité des tubes dus au brasage, le transfert thermique entre les batteries et le refroidisseur n'est pas homogène, si bien que l'échangeur thermique n'assure pas une régulation optimale de la température des batteries.
Pour éviter ces défauts lors du brasage, il a été proposé d'augmenter le nombre de supports du châssis de brasage positionnés sous le tube à braser.
Cette solution présente toutefois l'inconvénient d'augmenter les coûts du châssis et, par conséquent, les coûts de fabrication.
3. Exposé de l'invention
L'invention a pour but d'améliorer la résistance mécanique des tubes d'un échangeur thermique dans le but d'optimiser, dans une application particulière, la régulation thermique de la ou des batteries d'un véhicule automobile à motorisation électrique et/ou hybride.
A cet effet, l'invention a pour objet un échangeur thermique pour un véhicule automobile, l'échangeur thermique comprenant au moins un tube de circulation d'un fluide caloporteur dont les extrémités pénètrent dans une boîte collectrice, chacune desdites boîtes collectrices comprenant un collecteur présentant un premier orifice de passage dudit au moins un tube, et un couvercle présentant un deuxième orifice de passage dudit au moins un tube et délimitant au moins une chambre de circulation du fluide caloporteur dans lequel ledit au moins un tube débouche.
Selon l'invention, ledit au moins un tube et ledit couvercle sont assemblés mécaniquement avec ledit collecteur, et ladite boîte collectrice comprend au moins un joint d'étanchéité disposé d'une part entre ledit couvercle et ledit au moins un tube et d'autre part entre ledit collecteur et ledit couvercle.
L'invention propose ainsi un échangeur thermique dans lequel l'ensemble des éléments de l'échangeur sont solidarisés mécaniquement et de manière étanche.
La liaison mécanique et l'étanchéité entre chaque collecteur et les tubes ou conduits de l'échangeur thermique sont assurées par la compression d'un joint d'étanchéité entre ces deux composants.
Ce même joint, assure également l'étanchéité entre le couvercle et le collecteur correspondant, et évite ainsi, ou à tout le moins minimise, le risque de fuites de fluide caloporteur.
Grâce à cet assemblage mécanique, on ne dégrade pas la résistance mécanique des tubes (contrairement à un assemblage par brasage) et on limite les éventuels défauts de planéité des tubes. On peut en outre appliquer une protection anti-corrosion sur la surface des tubes avant assemblage.
Cette solution d'étanchéité est en outre peu encombrante.
Les performances de l'échangeur thermique s'en trouvent grandement améliorées.
Un tel échangeur thermique trouve une application particulièrement avantageuse dans la régulation thermique des batteries des véhicules automobiles à motorisation électrique et/ou hybride. Il peut également être utilisé comme radiateur dans un système de climatisation d'un véhicule.
Selon un aspect particulier de l'invention, ledit au moins un joint d'étanchéité présente au moins un trou de passage dudit au moins un tube.
Selon un aspect particulier de l'invention, ledit au moins un joint d'étanchéité comprend une embase et au moins une tétine s'étendant à partir de ladite embase, ledit au moins un trou traversant ladite embase et ladite tétine.
Selon un aspect particulier de l'invention, ladite embase dudit au moins un joint d'étanchéité est logée dans un évidement dudit couvercle de sorte à être pris en sandwich entre le couvercle et ledit collecteur.
Selon un aspect particulier de l'invention, ladite tétine dudit au moins un joint d'étanchéité est logée au moins en partie dans ledit deuxième orifice dudit couvercle.
Selon un aspect particulier de l'invention, ledit au moins un tube est monté serré dans ledit trou de passage dudit joint d'étanchéité, de sorte que la tétine du joint d'étanchéité est comprimée entre la paroi intérieure dudit deuxième orifice dudit couvercle et la paroi extérieure dudit tube.
Selon un aspect particulier de l'invention, ladite tétine dudit au moins un joint d'étanchéité est de section oblongue.
Selon un aspect particulier de l'invention, le premier orifice du collecteur, le deuxième orifice du couvercle et le trou dudit au moins un joint d'étanchéité sont de section oblongue.
Selon un aspect particulier de l'invention, l'assemblage entre ledit couvercle et ledit collecteur est réalisé par des moyens d'encliquetage.
Selon un aspect particulier de l'invention, les moyens d'encliquetage comprennent des dents portées par le collecteur destinées à coopérer avec des rainures ménagées sur ledit couvercle.
Selon un aspect particulier de l'invention, l'assemblage entre ledit couvercle et ledit collecteur est réalisé par sertissage de deux bords opposés dudit collecteur autour de deux bords opposés dudit couvercle.
Selon un aspect particulier de l'invention, ledit collecteur comprend un collet traversé par le premier orifice de passage dudit au moins un tube.
Selon un aspect particulier de l'invention, la surface intérieure du premier orifice comprend au niveau du collet au moins une déformation de retenue dudit au moins un tube dans ledit collet.
Ainsi, un sertissage peut être réalisé entre les collets du collecteur et les tubes correspondants pour parer aux déplacements des composants entre eux sous l'effet de la pression interne de l'échangeur thermique et des sollicitations mécaniques exercées durant l'assemblage de l'échangeur thermique, son montage et son utilisation dans le véhicule.
Ces butées de tube sont obtenues de façon simple et permettent une tenue mécanique fiable des tubes sur le collecteur, notamment lorsqu'il s'agit de tubes extrudés.
De façon avantageuse, les liaisons mécaniques entre les composants de l'échangeur thermique sont dissociées de la zone d'étanchéité.
Dans des variantes de réalisation, la restriction du premier orifice est obtenue par un procédé d'impulsion magnétique ou par bien par déformation de la paroi du collet.
Selon un aspect particulier de l'invention, ledit au moins un tube est assemblé au collet par soudure ou collage.
Selon un aspect particulier de l'invention, ledit au moins un conduit comprend une pluralité de canaux de circulation du fluide caloporteur.
Selon un aspect particulier de l'invention, ledit couvercle comprend au moins deux chambres de circulation du fluide caloporteur.
Selon un aspect particulier de l'invention, la deuxième chambre est définie à l'intérieur de la première chambre.
Selon un aspect particulier de l'invention, la deuxième chambre est définie à l'extérieur de la première chambre.
Selon un aspect particulier de l'invention, ledit couvercle comprend au moins un orifice de communication fluidique entre la première et la deuxième chambre.
L'invention concerne également un procédé d'assemblage d'un échangeur thermique pour un véhicule automobile comprenant au moins un tube de circulation d'un fluide caloporteur dont les extrémités pénètrent dans une boîte collectrice, chacune desdites boîtes collectrices comprenant un collecteur présentant un premier orifice de passage dudit au moins un tube, et un couvercle présentant un deuxième orifice de passage dudit au moins un tube et délimitant au moins une chambre de circulation du fluide caloporteur dans lequel ledit au moins un tube débouche.
Selon l'invention, le procédé comprend les étapes suivantes :
- on positionne au moins un joint d'étanchéité présentant une embase et une tétine sur le collecteur de sorte que le premier orifice dudit collecteur est aligné avec un trou dudit joint d'étanchéité,
- on emmanche à force au moins un tube dans le premier orifice dudit collecteur et dans le trou dudit joint d'étanchéité de sorte qu'une première extrémité dudit au moins un tube dépasse de la tétine du joint d'étanchéité, - on assemble le collecteur avec au moins un tube par sertissage, soudure ou collage d'un collet du collecteur dans lequel est formé le premier orifice sur ledit au moins un tube,
- on emmanche à force le couvercle sur le joint d'étanchéité de sorte que la tétine du joint d'étanchéité vienne se positionner dans le deuxième orifice dudit couvercle,
- on assemble mécaniquement le collecteur sur le couvercle, de sorte à ce que ledit au moins un tube débouche dans la chambre de circulation du fluide caloporteur dudit couvercle,
- on répète les étapes précédentes pour solidariser ledit au moins un tube à la deuxième boîte collectrice dudit échangeur thermique.
Selon un aspect particulier de l'invention, ledit au moins un tube est solidarisé simultanément à la première et à la deuxième boîte collectrice dudit échangeur thermique.
Le procédé de fabrication d'un tel échangeur thermique ne requiert donc pas, pour l'assemblage des éléments entre eux, de brasure, c'est-à-dire d'apport de matière, puisque l'assemblage est mécanique.
Ce procédé présente en outre l'avantage de ne pas nécessiter une installation coûteuse et complexe de chauffage dans une atmosphère neutre et confinée.
Liste des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et des dessins annexés, parmi lesquels :
- la figure 1 est une vue en perspective d'un échangeur thermique selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 est une vue partielle et éclatée d'une boîte collectrice d'un échangeur thermique conforme à l'invention ;
- la figure 3 est une vue en coupe transversale d'une boîte collectrice d'un échangeur thermique conforme à l'invention ;
- la figure 4 est une vue en coupe longitudinale et partielle d'une boîte collectrice d'un échangeur thermique conforme à l'invention ;
- la figure 5 est une vue en coupe transversale d'une boîte collectrice d'un échangeur thermique selon un mode de réalisation particulier de l'invention ;
- la figure 6 comprend plusieurs vues en coupe schématiques A à D d'un couvercle d'échangeur thermique conforme à l'invention comprenant deux chambres de circulation du fluide caloporteur ; et - la figure 7 est une vue en perspective schématique d'un couvercle d'échangeur thermique conforme à l'invention comprenant deux chambres de circulation du fluide caloporteur et une ouverture de communication fluidique entre ces deux chambres.
Description détaillée de l'invention
La figure 1 est une vue en perspective d'un échangeur thermique 1 selon un mode de réalisation de l'invention.
Un tel échangeur thermique est destiné à équiper un véhicule automobile de type hybride ou électrique, notamment pour refroidir une ou plusieurs batteries, constituées chacune d'une pluralité de cellules de stockage d'énergie électrique, formant une source d'énergie pour l'entraînement du véhicule automobile.
L'échangeur thermique 1 est positionné directement au contact de la ou des batteries au fond d'un 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.
Comme illustré sur la figure 1, l'échangeur thermique 1 comprend une première boîte collectrice 41 formée d'un élément en forme de couvercle généralement désigné "boîte à fluide" 31 associé à une plaque métallique, généralement appelée collecteur, 21, et une deuxième boîte collectrice 42 formée d'un élément en forme de couvercle 32 associé à une plaque métallique ou collecteur 22, chaque boîte collectrice étant destinée à collecter et à répartir le fluide caloporteur, tel que de l'eau glycolée.
L'échangeur thermique 1 comprend en outre un faisceau de tubes ou conduits 11 rectilignes et de même longueur, s'étendant perpendiculairement à l'axe longitudinal des collecteurs 21, 22 et des couvercles 31, 32, destiné à la circulation du fluide caloporteur. Dans ce mode de réalisation, les tubes 11 présentent une section droite de forme sensiblement oblongue.
Dans ce mode de réalisation, au moins une des partie planes des tubes 11 est destinée à être en contact mécanique ou non avec au moins une cellule de stockage d'énergie électrique (non représentée).
Chaque tube 11 est ici en aluminium extrudé et comprend une première extrémité et une deuxième extrémité.
La première extrémité du faisceau de tubes 11 est destinée à être assemblée avec le premier collecteur 21 et la deuxième extrémité du faisceau de tubes 11 est destinée à être assemblée avec le deuxième collecteur 22.
Ainsi, chaque collecteur 21, 22 réunit les extrémités des tubes 11 du faisceau, chaque couvercle 31, 32 étant relié de manière étanche au collecteur 21, 22 par son rebord périphérique.
L'ensemble constitué par le collecteur 21, 22 et le couvercle 31, 32 correspondant définit un volume dans lesquels débouchent les tubes 11 du faisceau.
Chaque boîte collectrice 41, 42 est ainsi en communication fluidique avec les tubes 11. L'échangeur thermique 1 comprend en outre une connexion fluidique d'entrée 410 et une connexion fluidique de sortie 420 du fluide caloporteur agencées sur au moins une boîte collectrice.
Dans le mode de réalisation illustré, la connexion fluidique d'entrée 410 est située à une extrémité longitudinale de la boîte collectrice 41 et la connexion fluidique de sortie 420 est située sur la boîte collectrice 42, à l'extrémité opposée de la boîte collectrice 41.
Ainsi, le fluide caloporteur est introduit dans la première boîte collectrice
41 par la connexion fluidique d'entrée 410, puis est distribué dans les tubes 11 via le premier collecteur 21. Le fluide circule dans les tubes 11 puis débouche dans la seconde boîte collectrice 42 via le second collecteur 22 pour finalement être évacué par la connexion fluidique de sortie 420 de la deuxième boîte collectrice 42.
Comme on le verra par la suite, les divers éléments (collecteurs, boîtes collectrices et tubes) de l'échangeur thermique 1 sont solidarisés ensemble mécaniquement et de manière étanche par interposition d'un joint d'étanchéité 51, 52 assurant l'étanchéité entre chaque couvercle 31, 32 et les extrémités des tubes 11, d'une part, et entre chaque collecteur 21, 22 et le couvercle 31, 32 correspondant, d'autre part.
Afin de faciliter la compréhension de l'invention, seuls les éléments constitutifs de la première boîte collectrice 41 sont décrits et illustrés ci-après.
Bien entendu, les éléments constitutifs de la deuxième boîte collectrice 42, à savoir le collecteur 22, le couvercle 32 et le joint d'étanchéité 52, sont similaires aux éléments constitutifs de la première boîte collectrice 41.
La figure 2 est une vue éclatée et partielle de la première boîte collectrice
41.
Ainsi, seul un tube 11 de l'échangeur thermique 1 est partiellement représenté. Ce dernier présente une pluralité de canaux 111 juxtaposés de circulation du fluide caloporteur (visibles sur la figure 4).
Dans ce mode de réalisation, les canaux 111 d'un tube 11 sont séparés par des jambes de renfort qui assurent la tenue mécanique du tube à la pression (c'est-à-dire qui minimisent la déformation du conduit 11 sous la pression). Une partie du collecteur 21, qui est de forme sensiblement rectangulaire, est également représentée sur la figure 2. Il comprend une paroi centrale 212 dont deux bords opposés (les bords supérieur et inférieur sur la figure 2) sont prolongés par des ailes 213, 213' recourbées depuis un premier côté de la paroi centrale 212. Ainsi, le collecteur 21 présente une section sensiblement en forme de U.
Un collet 214 de forme oblongue s'étend depuis un deuxième côté de la paroi centrale 212. Ce collet 214 définit un orifice 210 oblong d'introduction et de passage du conduit 11, qui est lui-même de section oblongue.
L'axe de l'orifice 210 oblong est perpendiculaire à l'axe longitudinal du collecteur 21, l'orifice oblong 210 débouchant dans la paroi centrale 212.
La hauteur du collet 214 peut être constante ou variable sur sa périphérie. Les deux ailes 213, 213' sont inclinées selon un angle compris entre 90° et 110°, de préférence 100°, par rapport au plan de la paroi centrale 212 et s'étendent le sens opposé du collet 214.
Chaque aile 213, 213' porte sur ses bords latéraux opposés deux dents d'encliquetage 218, 219 et 216, 217 respectivement qui font saillie en direction de l'espace situé entre les deux ailes 213, 213' (ces dents sont donc disposées en vis-à-vis).
De la même façon, une partie du couvercle 31 est également représentée sur la figure 2. Il comprend une chambre 316 de forme cylindrique dans laquelle est destiné à circuler le fluide caloporteur et une embase comprenant deux pieds 311 (supérieur et inférieur sur la figure 2) séparés par un évidement 312 central.
Les pieds 311 et l'évidement 312 s'étendent selon l'axe longitudinal du couvercle 31.
Le couvercle 31 présente en outre un orifice 310 oblong s'étendant selon l'axe longitudinal du couvercle 31 et débouchant d'une part dans la chambre 316 et d'autre part au niveau de l'évidement 312 de l'embase.
Par ailleurs, le couvercle 31 présente, au niveau des pieds 311, des rainures 313, 313' de forme complémentaire aux dents d'encliquetage 216, 217, 218, 219 portées par le collecteur 21. Ainsi, à l'état assemblé, les dents d'encliquetage 216, 217 et 218, 219 coopèrent avec les rainures 313' et 313 respectivement.
Par ailleurs, la première boîte collectrice 41 comprend au moins un joint d'étanchéité 51 qui est disposé entre le couvercle 31 et le collecteur 21.
Le joint d'étanchéité 51 est partiellement représenté sur la figure 2.
Il comprend une embase 510 de forme sensiblement rectangulaire à partir de laquelle s'étend perpendiculairement une tétine 511 d'étanchéité de forme oblongue sensiblement complémentaire à l'orifice 310 du couvercle 31.
Le joint d'étanchéité 51 présente un trou 512, de forme complémentaire au conduit 11, ménagé dans l'embase 510 et la tétine 511.
Le joint d'étanchéité 51 est avantageusement réalisé en matériau élastomère. Il peut ainsi être réalisé en EPDM (pour "éthylène-propylène-diène monomère").
Bien que ceci ne soit pas visible sur la figure 2, on comprend que le couvercle 31 comprend plusieurs orifices 310 répartis sur sa longueur, que le collecteur 21 comprend également plusieurs orifices 210 répartis sur sa longueur et que le joint d'étanchéité 51 présente plusieurs tétines 511 sur sa longueur (ou bien que plusieurs joints d'étanchéité présentant chacun une tétines soient mis en oeuvre), de sorte que chaque tube 11 de l'échangeur thermique 1 soit associé à un orifice 310 du couvercle 31, un orifice 210 du collecteur 21 et une tétine 511 du joint d'étanchéité 51.
Ceci permet d'assurer l'étanchéité de l'échangeur thermique 1 qui est assemblé mécaniquement, comme détaillé par la suite, et non pas par brasage conformément à l'art antérieur.
Les figures 3 et 4 sont des vues en coupe montrant l'assemblage d'un tube 11 sur la première boîte collectrice 41. Tel qu'illustré sur ces figures, l'embase 510 du joint d'étanchéité 51 est plaquée d'une part contre la paroi centrale 212 du collecteur 21 et d'autre part contre la surface intérieure de l'évidement 312 du couvercle 31 de sorte qu'il est maintenu comprimé entre le couvercle 31 et le collecteur 21. La tétine 511 du joint d'étanchéité 51 est logée à force dans l'orifice 310 du couvercle 31 et dépasse en partie de l'orifice 310 de sorte à s'étendre en partie dans la chambre 316 cylindrique du couvercle 31.
Le tube 11 traverse l'orifice 210 du collet 214 et le trou 512 du joint d'étanchéité 51 de sorte à déboucher dans la chambre 316 cylindrique du couvercle 31.
Le passage du tube 11 dans le joint d'étanchéité 51 permet de comprimer radialement la paroi externe de la tétine 511 contre la paroi interne de l'orifice 310 du couvercle 31 de sorte à garantir l'étanchéité de la liaison tube 11/couvercle 31.
Autrement dit, le tube 11 est monté en précontrainte dans la tétine 511 du joint d'étanchéité 51 dans la zone du couvercle 31.
Le taux de compression radiale de la tétine 511 du joint d'étanchéité 51 dans l'orifice 310 du couvercle 31 est compris de préférence entre 5 et 60%, par exemple entre 15 et 40%, et notamment entre 25 et 30%.
Ce ratio est égal à la différence entre l'épaisseur de la paroi de la tétine 511 avant montage et celle après montage, divisée par l'épaisseur de la paroi de la tétine 511 avant montage.
Autrement dit, à l'état assemblé du tube 11 sur la boîte collectrice 41, le joint d'étanchéité 51 se trouve comprimé d'une part dans l'espace compris entre la paroi extérieure du tube 11 et l'orifice 310 du couvercle 31 et d'autre part entre la paroi centrale 212 du collecteur 21 et la surface intérieure de l'évidement 312 du couvercle 31.
Ainsi, le joint d'étanchéité 51 assure l'étanchéité des liaisons tube
11/couvercle 31 et couvercle 31/collecteur 21. Par ailleurs, le tube 11 est assemblé mécaniquement avec la première boîte collectrice 41 de sorte à empêcher le glissement, sous l'effet de la mise sous pression du fluide caloporteur, de l'ensemble constitué par le joint d'étanchéité 51, le collecteur 21 et le couvercle 31 par rapport au tube 11.
En outre, un tel assemblage mécanique permet d'empêcher le déplacement du tube 11 lors du montage et l'utilisation de l'échangeur thermique 1.
Comme illustré sur la figure 4, un tel assemblage mécanique est obtenu par la mise en œuvre de plusieurs renfoncements 215 sur le pourtour de la paroi extérieure du collet 214 du collecteur 21.
De tels renfoncements 215 sont suffisamment profonds pour déformer la paroi intérieure du collet 214 et la paroi extérieure du conduit 11 sans pour autant obturer l'un des canaux 111 du conduit 11.
On diminue ainsi ponctuellement la largeur de l'orifice 210 au niveau du collet 214 de sorte à bloquer tout déplacement en translation des tubes 11 et donc d'immobiliser le positionnement longitudinal des tubes 11 dans la chambre 316 du couvercle 31.
Cette butée de tube est une solution simple et fiable pour la tenue mécanique du tube sur le collecteur.
Elle est particulièrement adaptée aux tubes extrudés.
Par ailleurs, les liaisons mécaniques entre les composants de l'échangeur thermiques sont dissociées de la zone d'étanchéité. Les figures 3 et 4 illustrent une première solution d'assemblage mécanique du collecteur 21 sur le couvercle 31.
Comme décrit précédemment, le collecteur 21 porte des dents d'encliquetage 216, 217, 218, 219 destinées à venir se loger dans les rainures 313, 313' des pieds 311 du couvercle 31. Le collecteur est ainsi fixé sur le couvercle par clipsage.
Le collecteur 21 réalise la liaison mécanique entre les tubes 11 et le couvercle 31. Il assure, par ailleurs, le maintien en position du joint d'étanchéité 51 dans le couvercle 31 et garantit l'étanchéité de la boîte collectrice 41 au niveau de la liaison couvercle 31/collecteur 21 par compression du joint 51.
La figure 5 illustre une deuxième solution d'assemblage mécanique du collecteur 21 sur le couvercle 31.
Dans ce mode de réalisation, les ailes opposées du collecteur 21 sont planes et ne portent donc pas de dents d'encliquetage.
Pour solidariser le collecteur 21 au couvercle 31, les extrémités longitudinales des ailes 213, 213' opposées du couvercle 31 sont rabattues dans les rainures 313, 313' des pieds 311 du couvercle 31. Le collecteur est ainsi fixé sur le couvercle par sertissage.
Les vues (A) à (D) de la figure 6 présentent des modes de réalisation particuliers dans lesquels le couvercle 31 comprend deux conduits de circulation du fluide caloporteur.
Sur les vues (C) et (D), une cloison séparatrice 314, qui est rectiligne ou courbe, est extrudée dans le profil du couvercle 31 pour former un premier conduit et un deuxième conduit, ce dernier pouvant servir soit de canalisation de transfert ou de retour de fluide caloporteur pour localiser l'entrée et la sortie du fluide caloporteur du même côté de l'échangeur thermique.
Sur les vues (A) et (B), un deuxième conduit 31' contigu au couvercle 31 est co-extrudé pour former une canalisation de retour, de transfert ou de by-pass.
Le diamètre et l'emplacement du deuxième conduit 31' par rapport au couvercle 31 peuvent varier. Des orifices de communication entre les canalisations peuvent être réalisés par usinage ou par découpe.
Sur la vue schématique de la figure 7, le deuxième conduit 31' est juxtaposé au couvercle 31. Un orifice 315 de communication fluidique réalisé par usinage ou par découpe permet au fluide caloporteur de circuler du premier conduit vers le deuxième conduit, et/ou inversement.
Procédé de fabrication de l'échanqeur thermique
On décrit maintenant un exemple de procédé de fabrication d'un échangeur thermique conforme à l'invention.
Au cours d'une première étape, une des extrémités du tube 11 entre en contact avec une butée réglable et amovible de sorte à délimiter la portion du tube 11 qui est destinée à s'insérer dans la boîte collectrice 41.
Lorsque l'extrémité du tube 11 entre en contact avec la butée, au moins un élément de maintien est pressé contre le tube 11 de sorte à l'immobiliser.
Au cours d'une deuxième étape, l'ensemble collecteur 21/joint d'étanchéité 51 est placé dans une tête de chaussage.
La tête de chaussage permet de positionner l'embase 510 du joint d'étanchéité 51 contre la paroi centrale 212 du collecteur 21 et d'aligner le premier orifice 210 du collecteur 21 avec le trou 520 du joint d'étanchéité 51.
Préférentiellement, l'alignement est réalisé par un poinçon s'introduisant dans le trou 520 du joint d'étanchéité 51 puis dans le premier orifice 210 du collecteur 21. Un tel moyen de positionnement permet d'éviter la chute du joint d'étanchéité 51 du collecteur 21 lors de l'étape suivante du procédé de fabrication.
Dans une troisième étape, l'ensemble collecteur 21/joint d'étanchéité 51 est inséré à force sur l'extrémité du tube 11 de sorte que l'extrémité du tube 11 traverse le premier orifice 210 du collecteur 21 puis le trou 520 du joint d'étanchéité 51, et dépasse de la tétine 510.
Dans une quatrième étape, l'ensemble collecteur 21/joint d'étanchéité 51 est solidarisé, par sertissage, soudure ou collage, au tube 11.
Par exemple, une contrainte mécanique appliquée sur le collet 214 du collecteur 21 forme une ou plusieurs déformations de la paroi interne du collet 214 vers le tube 11 de sorte à ce que la paroi interne du collet 214 pénètre dans la paroi externe du tubell.
La contrainte mécanique appliquée est déterminée de sorte que la déformation de la paroi interne du collet 214 ne provoque pas l'obturation d'un des canaux du tube 11.
Dans une cinquième étape, le couvercle 31 est inséré à force sur le joint d'étanchéité 51 de sorte que la tétine 511 pénètre dans le deuxième orifice 310 du couvercle 31 jusqu'à ce que l'embase 510 soit plaquée contre la surface intérieure de l'évidement 312 du couvercle 31.
Ainsi, la tétine 511 assure l'étanchéité entre le tube 11 et le couvercle 31, entre le couvercle 31 et le collecteur 21.
Dans une sixième étape, en fin de course, le collecteur 31 est assemblé mécaniquement (par clipsage ou sertissage) sur le couvercle 21.
Dans un mode de réalisation préférentiel, l'assemblage est réalisé par des moyens d'encliquetage 216, 217, 218, 219 portés par les ailes 213, 213' du collecteur 21 et s'insérant dans les rainures 313, 313' du couvercle 31.
Dans une alternative, l'assemblage est réalisé en rabattant les extrémités longitudinales des ailes 213, 213' opposées du collecteur 21 dans les rainures 313, 313' du couvercle 31.
Les mêmes étapes sont mises en œuvre pour assembler les autres tubes 11 à la première boîte collectrice 41, et pour assembler l'autre extrémité des tubes 11 à la deuxième boîte collectrice 42. Ces étapes sont de préférence mises en œuvre simultanément des deux côtés des tubes 11.
Ainsi, l'assemblage mécanique de l'ensemble de l'échangeur thermique 1 est relativement aisé et permet d'obtenir un bon niveau d'étanchéité à l'intérieur des boîtes collectrices 41, 42 où circule le fluide caloporteur.
Il n'est donc pas nécessaire de recourir au brasage pour assurer la tenue mécanique à la pression et l'étanchéité de l'échangeur thermique selon l'invention, ce qui garantit la planéité de la surface plane des tubes 11.
Par conséquent, les échanges thermiques entre les tubes de l'échangeur thermique et les cellules de stockage d'énergie électrique (quand l'échangeur thermique est destiné à réguler thermiquement une ou des batteries) sont optimisés.
Autres aspects et variantes
On note que dans une application, l'échangeur thermique de l'invention peut être utilisé pour chauffer ou refroidir une ou plusieurs batteries selon les conditions et les besoins, de sorte à réguler leur température.
Un fluide caloporteur parcourant l'échangeur thermique peut dans ce cas absorber la chaleur émise par la ou les batteries afin de les refroidir ou, selon les besoins, il peut leur apporter de la chaleur si la température de la ou des batteries est insuffisante pour son/leur bon fonctionnement.
Selon les besoins, un tel échangeur thermique peut également être utilisé en tant que radiateur dans un véhicule.
Outre le fait que l'assemblage mécanique des composants d'un échangeur thermique conforme à l'invention permet de ne pas dégrader les propriétés mécaniques des tubes et d'améliorer la planéité des surfaces des tubes en contact avec les batteries (ou en regard des ces dernières), une telle approche présente d'autres avantages par rapport à un échangeur thermique de l'art antérieur assemblé par brasage.
L'approche de l'invention permet ainsi d'éviter la pollution interne par le flux résiduel de brasage qui réagit avec le liquide de refroidissement en dégradant ses propriétés anti-corrosion et de gélification, ce qui peut aboutir à une perte de performance thermique du refroidisseur (échangeur thermique) par bouchage des canaux des tubes.
L'assemblage mécanique permet en outre l'utilisation de couvercles de forme complexe réalisées par moulage plastique ce qui permet la connexion aisée du couvercle à la boucle de refroidissement et sa fixation (contrairement aux échangeurs brasés qui nécessitent l'ajout de tubulures métalliques et de pattes de fixation sur les couvercles en aluminium extrudé, embouti ou roulé).
Par ailleurs, les couvercles, ou boîtes à eau, peuvent être en matière aluminium (du type 3003, par exemple) ou plastique (du type PA66GF30, par exemple). La matière aluminium permet de concevoir des pièces présentant de faibles épaisseurs.
La matière plastique permet de réaliser facilement des formes complexes, facilitant ainsi la fixation du refroidisseur sur un boîtier de batteries et le raccordement de tubulures.
Les tubes, qui sont de préférence en aluminium extrudé, peuvent être coupés à la longueur voulue.
Les tubes peuvent présenter d'autres formes de section, comme une section circulaire ou ovale, par exemple.
Dans une variante de réalisation, les tubes multicanaux sont électro-soudés mais ne présentent pas dans ce cas de jambe de renfort entre les canaux.
Les connexions fluidiques d'entrée et de sortie du fluide caloporteur peuvent être disposées respectivement sur chacune des deux boîtes collectrices (comme dans le mode de réalisation décrit précédemment) ou alors, sur la même boîte collectrice.
Dans cette variante, les connexions fluidiques sont situées sensiblement au centre, selon l'axe longitudinal, de l'une des boîtes collectrices et sont réalisées par piquage puis raccordées par brasage, collage, soudage ou tout autre moyen permettant de les solidariser tout en garantissant leur étanchéité.
L'assemblage mécanique permet, par ailleurs, de réduire les épaisseurs de matière des tubes et de diminuer le nombre de cloisons dans les canaux des tubes.
Par ailleurs, un joint d'étanchéité peut comporter une ou plusieurs tétines.
En alternative au sertissage des tubes multi-canaux dans le collecteur, il est possible d'envisager :
- un soudage par transparence des parties droites des collets du collecteur sur les tubes multi-canaux à l'aide d'un faisceau laser (les parois du tube multicanaux peuvent être épaissies localement dans la zone à souder pour faciliter cette opération) ; - une restriction des collets du collecteur sur les tubes multi-canaux par une technique d'impulsion magnétique ;
- un collage entre les collets du collecteur et les tubes multi-canaux.
En alternative à l'extrusion aluminium des couvercles, il peut être envisagé de fabriquer ceux-ci à partir d'un extrudé plastique.
Bien évidemment, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment et fournis uniquement à titre d'exemple.
Elle englobe diverses modifications, formes alternatives et autres variantes que pourra envisager l'homme du métier dans le cadre de la présente invention et notamment toutes combinaisons des différents modes de réalisation décrits précédemment, pouvant être pris séparément ou en association.

Claims

REVENDICATIONS
1. Echangeur thermique (1) pour un véhicule automobile, l'échangeur thermique (1) comprenant au moins un tube (11) de circulation d'un fluide caloporteur dont les extrémités pénètrent dans une boîte collectrice (41, 42), chacune desdites boîtes collectrices (41, 42) comprenant un collecteur (21, 22) présentant un premier orifice (210) de passage dudit au moins un tube (11), et un couvercle (31, 32) présentant un deuxième orifice (310) de passage dudit au moins un tube (11) et délimitant au moins une chambre (316) de circulation du fluide caloporteur dans lequel ledit au moins un tube (11) débouche,
caractérisé en ce que ledit au moins un tube (11) et ledit couvercle (31, 32) sont assemblés mécaniquement avec ledit collecteur (21, 22),
et en ce que ladite boîte collectrice (41, 42) comprend au moins un joint d'étanchéité (51) disposé d'une part entre ledit couvercle (31, 32) et ledit au moins un tube (11) et d'autre part entre ledit collecteur (21, 22) et ledit couvercle (31, 32).
2. Echangeur thermique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit au moins un joint d'étanchéité (51) présente au moins un trou (512) de passage dudit au moins un tube (11).
3. Echangeur thermique (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit joint d'étanchéité (51) comprend une embase (510) et au moins une tétine (511) s'étendant à partir de ladite embase (510), ledit au moins un trou (512) traversant ladite embase (510) et ladite tétine (511).
4. Echangeur thermique (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite embase (510) dudit au moins un joint d'étanchéité (51) est logée dans un évidement (312) dudit couvercle (31, 32) de sorte à être pris en sandwich entre le couvercle (31, 32) et ledit collecteur (21, 22).
5. Echangeur thermique (1) selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que ladite tétine (511) dudit au moins un joint d'étanchéité (51) est logée au moins en partie dans ledit deuxième orifice (310) dudit couvercle (31, 32).
6. Echangeur thermique (1) selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que ledit au moins un tube (11) est monté serré dans ledit trou (512) de passage dudit joint d'étanchéité (51), de sorte que la tétine (511) du joint d'étanchéité (51) est comprimée entre la paroi intérieure dudit deuxième orifice (310) dudit couvercle (31, 32) et la paroi extérieure dudit tube (11).
7. Echangeur thermique (1) selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que ladite tétine (511) dudit au moins un joint d'étanchéité (51) est de section oblongue.
8. Echangeur thermique (1) selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que le premier orifice (210) du collecteur (21, 22), le deuxième orifice (310) du couvercle (31, 32) et le trou (512) dudit au moins un joint d'étanchéité (51) sont de section oblongue.
9. Echangeur thermique (1) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'assemblage mécanique entre ledit couvercle (31, 32) et ledit collecteur (21, 22) est réalisé par des moyens d'encliquetage.
10. Echangeur thermique (1) selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens d'encliquetage comprennent des dents (216, 217, 218, 219) portées par le collecteur (21, 22) destinées à coopérer avec des rainures (313, 313') ménagées sur ledit couvercle (31, 32).
11. Echangeur thermique (1) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'assemblage mécanique entre ledit couvercle (31, 32) et ledit collecteur (21, 22) est réalisé par sertissage de deux bords (213, 213') opposés dudit collecteur (21, 22) autour de deux bords opposés dudit couvercle (31, 32).
12. Echangeur thermique (1) selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que ledit collecteur (21, 22) comprend un collet (214) traversé par le premier orifice (210) de passage dudit au moins un tube (11).
13. Echangeur thermique (1) selon la revendication 12, caractérisé en ce que la surface intérieure du premier orifice (210) comprend au niveau du collet (214) au moins une déformation (215) de retenue dudit au moins un tube (11) dans ledit collet (214).
14. Echangeur thermique (1) selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit au moins un tube (11) est assemblé au collet (214) par soudure ou collage.
15. Echangeur thermique (1) selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que ledit au moins un conduit (11) comprend une pluralité de canaux (111) de circulation du fluide caloporteur.
16. Echangeur thermique (1) selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que ledit couvercle (31, 32) comprend au moins deux chambres de circulation du fluide caloporteur.
17. Echangeur thermique (1) selon la revendication 16, caractérisé en ce que la deuxième chambre est définie à l'intérieur de la première chambre.
18. Echangeur thermique (1) selon la revendication 16, caractérisé en ce que la deuxième chambre est définie à l'extérieur de la première chambre.
19. Echangeur thermique (1) selon l'une des revendications 16 à 18, caractérisé en ce que ledit couvercle (31, 32) comprend au moins un orifice de communication fluidique (315) entre la première et la deuxième chambre.
20. Procédé d'assemblage d'un échangeur thermique (1) pour un véhicule automobile comprenant au moins un tube (11) de circulation d'un fluide caloporteur dont les extrémités pénètrent dans une boîte collectrice (41, 42), chacune desdites boîtes collectrices (41, 42) comprenant un collecteur (21, 22) présentant un premier orifice (210) de passage dudit au moins un tube (11), et un couvercle (31, 32) présentant un deuxième orifice (310) de passage dudit au moins un tube (11) et délimitant au moins une chambre (316) de circulation du fluide caloporteur dans lequel ledit au moins un tube (11) débouche,
caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- on positionne au moins un joint d'étanchéité (51) présentant une embase (510) et une tétine (511) sur le collecteur (21, 22) de sorte que le premier orifice (210) dudit collecteur est aligné avec un trou (520) dudit joint d'étanchéité (51), - on emmanche à force au moins un tube (11) dans le premier orifice (210) dudit collecteur (21, 22) et dans le trou (520) dudit joint d'étanchéité (51) de sorte qu'une première extrémité dudit au moins un tube (11) dépasse de la tétine (510) du joint d'étanchéité (51),
- on assemble le collecteur (21, 22) avec au moins un tube (11) par sertissage, soudure ou collage d'un collet (214) du collecteur (21, 22) dans lequel est formé le premier orifice (210) sur ledit au moins un tube (11),
- on emmanche à force le couvercle (31, 32) sur le joint d'étanchéité (51) de sorte que la tétine (511) du joint d'étanchéité (51) vienne se positionner dans le deuxième orifice (310) dudit couvercle (31, 32),
- on assemble mécaniquement le collecteur (21, 22) sur le couvercle (31, 32), de sorte à ce que ledit au moins un tube (11) débouche dans la chambre (316) de circulation du fluide caloporteur dudit couvercle (31, 32),
- on répète les étapes précédentes pour solidariser ledit au moins un tube (11) à la deuxième boîte collectrice (41, 42) dudit échangeur thermique (1).
21. Procédé d'assemblage selon la revendication 20, caractérisé en ce que ledit au moins un tube (11) est solidarisé simultanément à la première et à la deuxième boîte collectrice (41, 42) dudit échangeur thermique (1).
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