WO2012038125A1 - Boîte collectrice et échangeur de chaleur correspondant - Google Patents

Boîte collectrice et échangeur de chaleur correspondant Download PDF

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WO2012038125A1
WO2012038125A1 PCT/EP2011/063035 EP2011063035W WO2012038125A1 WO 2012038125 A1 WO2012038125 A1 WO 2012038125A1 EP 2011063035 W EP2011063035 W EP 2011063035W WO 2012038125 A1 WO2012038125 A1 WO 2012038125A1
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heat exchanger
tubes
collars
box according
header
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Gérard Gille
Patrick Boisselle
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Valeo Systemes Thermiques
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    • F28F2255/00—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes
    • F28F2255/02—Flexible elements

Definitions

  • the invention relates to a manifold for a heat exchanger, in particular for a motor vehicle.
  • the invention also relates to a corresponding heat exchanger.
  • Heat exchangers used in motor vehicles are already known, for example for cooling the engine coolant.
  • such a heat exchanger comprises a bundle of tubes and fins interposed between the tubes, and a header.
  • this manifold comprises at least two parts: a header plate receiving the ends of the tubes and a cover which is fixed on the header plate to at least partially close the manifold.
  • the manifold plate may be provided with crimping means adapted to bear against a peripheral rim of the cover by compressing a seal.
  • the collector plates must meet mechanical resistance criteria during crimping on the cover and pressure and endurance constraints. For this purpose, it is preferable to use metal collector plates, in particular of aluminum.
  • the header plate is usually provided with collars crossed by the ends of the tubes of the bundle.
  • the invention therefore aims to provide a manifold for heat exchanger with tubes arranged in a tight pitch meeting the pressures of pressure and endurance.
  • the subject of the invention is a header for a heat exchanger comprising a cover, a header plate having a plurality of collets for receiving the ends of tubes of a bundle of tubes of the heat exchanger, characterized in that said collecting plate is made in two parts: a first frame part made of a metallic material and attached to the cover, and a second part made of plastic material forming said collars.
  • Said manifold may further comprise one or more of the following features, taken separately or in combination:
  • said first part is made of aluminum
  • said second part is formed by overmolding on said first part and in that said second part has overmolding contours;
  • said first part comprises crimping means on the lid
  • said collars have a substantially oval shape
  • the heat exchanger comprises a bundle of tubes arranged in two rows, and said collars have a substantially double oval shape for receiving the ends of the two rows of tubes;
  • said overmolding contours of the first part define cycloids
  • said collars are arranged in a pitch of less than 7.92 mm.
  • the invention also relates to a heat exchanger comprising a bundle of heat exchange tubes and two manifolds receiving the ends of said tubes as defined above.
  • Said heat exchanger may be of mechanical assembly heat exchanger type.
  • FIG. 1 represents a heat exchanger
  • FIG. 2 is an exploded view of one of the manifolds of the exchanger of FIG. 1,
  • FIG. 3 represents a first metal part of a collector plate of a heat exchanger collector box
  • FIG. 4 shows the collector plate of FIG. 1 with a plastic overmoulding forming collars for receiving the ends of the tubes of a bundle of the heat exchanger
  • FIG. 5 is an enlarged partial view of FIG.
  • the invention relates to a heat exchanger 1 for a motor vehicle, in particular for cooling the engine coolant.
  • the invention applies for a mechanical assembly heat exchanger.
  • such a heat exchanger 1 comprises:
  • a beam formed of a multiplicity of tubes (not shown), arranged in one or more rows of tubes, this beam is in the illustrated example housed in a housing 3, and
  • Two manifolds 5 each comprising a header plate 100 and a cover 200 (see Figure 2) attached to the header plate 100.
  • FIG. 3 shows a collector plate 100.
  • This collector plate 100 comprises a first metal portion 101a, for example made of aluminum, and a second part 101b (FIG. 4) made of plastic, so as to form collars 103 suitable for receive the ends of the tubes of the bundle (not shown).
  • the tubes can for example be mechanically assembled to the header plate 100 by plastic deformation.
  • the first portion 101a forms a frame attached to the cover of the manifold.
  • the first part is folded over its periphery and has crimping tabs 105, which can be folded down on the cover 200.
  • the latter has a clean peripheral rim to abut against a seal (not shown) between the cover 200 and the collector plate 1 during crimping.
  • the first part 101a has a parallelepipedal general shape in which is formed an opening 107 for the passage of the ends of the heat exchange tubes of the beam.
  • the shape of this opening 107 is suitable for tubes having an oval section.
  • the longitudinal contours 109 of this opening 107 define for example respectively a cycloid with a plurality of circular arcs 111.
  • the opening 107 is configured for the passage of the ends of two parallel rows of tubes (not shown) of the beam.
  • the lateral contours 113 of the opening 107 define for example also a cycloid with two circular arcs 115.
  • the lateral contour 113 has only one circular arc 115.
  • any other form of the aperture 107 and contours 109,113 can be provided as long as this shape is suitable for the passage of the tubes.
  • a material resistant to the use temperatures of the heat exchanger and also to the cooling liquid is preferably chosen in the case of a heat exchanger for cooling the coolant. of the motor.
  • An example is a polyamide filled with glass fibers.
  • This second plastic part 101b can be assembled to the first part of the metal by any known assembly such as a mechanical assembly crimping type, or by gluing.
  • the second portion 101b is made by plastic overmolding on the first portion 101a.
  • the first metal portion 101a has hook holes 117 into which the plastic material is inserted, thus allowing the second plastic portion 101b to be locked to the first metal portion and thus to mechanical retention in use.
  • contours 109,113 of the aperture 107 of the first metal part may then form overmolding contours.
  • the collars 103 have, according to the illustrated embodiment, a double oval shape so as to receive the ends of two rows of oval section tubes.
  • This double oval shape is substantially a form of nephroid, that is to say a collar 103 has two oval orifices 117a, 117b communicating.
  • the collars 103 may have a simple oval shape.
  • the shape of the collars 103 is complementary to that of the ends of the tubes.
  • the collars 103 may have any other shape such as rectangular or elliptical.
  • the collars 103 being overmolded on the metal plate 101a, it eliminates the stamping step of the collars on the first portion 101a requiring a predefined metal material thickness.
  • the pitch P between collars 103 is equal to the sum of the width A of a collar 103 and the thickness e B of material between two snares 103 (relation (1)):
  • the assembly for example the overmolding of a plastic material 101b forming the collars 103 on the frame 101a makes it possible to obtain a collector plate 100 with two subjects:
  • a first metal portion 101a (FIG. 3) forming a frame, for example substantially planar and parallelepipedal, is produced, and one or more openings 107 are made for the passage of the ends of the tubes (not shown) of the bundle of the heat exchanger 1.
  • the edges are raised to form a peripheral rim and crimping tabs 105 are produced, for example.
  • a plastic 101b is made (FIG. 2) so as to form the collars 103 and assembled to the first metal portion 101a; this second part 101b being for example made by plastic overmolding on the metal part 101a.
  • the collars 103 can thus have a tight pitch and are ready to receive the ends of the tubes of the bundle (not shown).
  • the cover is placed on the first portion 101a so that its rim comes to be housed in the annular space defined by the raised peripheral edge of the first portion 101a and the crimp lugs 105 not folded.
  • the crimping operation is carried out by folding the lugs 105 which ensures the compression of the seal (not shown).
  • the collars 103 receive the ends of the tubes of the beam (not shown) for a mechanical assembly of the tubes.

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Abstract

L'invention concerne une boîte collectrice pour échangeur de chaleur comprenant un couvercle, une plaque collectrice (100) présentant une pluralité de collets (103) pour recevoir les extrémités de tubes d'un faisceau de tubes de l'échangeur de chaleur. Selon l'invention, ladite plaque collectrice (100) est réalisée en deux parties : une première partie (101a) formant cadre réalisée en un matériau métallique et fixée au couvercle, et une deuxième partie (101b) réalisée en matière plastique formant lesdits collets (103).

Description

Boîte collectrice et échangeur de chaleur correspondant
L'invention concerne une boîte collectrice pour un échangeur de chaleur, en particulier pour véhicule automobile.
L'invention concerne aussi un échangeur de chaleur correspondant.
On connaît déjà des échangeurs de chaleur utilisés dans les véhicules automobiles, par exemple pour refroidir le liquide de refroidissement du moteur.
Généralement, un tel échangeur de chaleur comprend un faisceau de tubes et d'ailettes intercalées entre les tubes, et une boîte collectrice. De façon connue, cette boîte collectrice comprend au moins deux parties : une plaque collectrice recevant les extrémités des tubes et un couvercle venant se fixer sur la plaque collectrice pour fermer au moins partiellement la boîte collectrice. Pour cela, la plaque collectrice peut être munie de moyens de sertissage propres à venir en appui contre un rebord périphérique du couvercle en assurant la compression d'un joint d'étanchéité.
Les plaques collectrices doivent répondre à des critères de tenue mécanique lors du sertissage sur le couvercle et à des contraintes de pression et d'endurance. Pour cela, on utilise de préférence des plaques collectrices métalliques, notamment en aluminium.
Dans les échangeurs de chaleur connus, la plaque collectrice est habituellement munie de collets traversés par les extrémités des tubes du faisceau.
Pour améliorer les performances de tels échangeurs de chaleur, on augmente de plus en plus le nombre de tubes du faisceau. Cependant cette densification des tubes est limitée par la proximité des collets sur la plaque collectrice et donc l'épaisseur de ces collets, notamment lorsque la plaque collectrice et ses collets sont métalliques.
En effet, pour une plaque collectrice tout en aluminium, le pas F dépend de la largeur d'un collet, de l'épaisseur matière e et du coefficient de laminage k : P' = A' + 2ek
Pour les échangeurs de chaleur avec un collecteur en aluminium, l'épaisseur minimale d'aluminium utilisée est de 1,2 mm, et le coefficient de laminage est de 0,8, la largeur standard de collet A' étant de 6mm, on ne peut donc obtenir comme pas P' minimal qu'un pas de 7,92 mm : P = A' + 2ek = 6 + 2*1,2*0,8 = 7,92 mm L'invention a donc pour objectif de proposer une boîte collectrice pour échangeur de chaleur avec des tubes agencés selon un pas serré répondant aux contraintes de pression et d'endurance.
À cet effet, l'invention a pour objet une boîte collectrice pour échangeur de chaleur comprenant un couvercle, une plaque collectrice présentant une pluralité de collets pour recevoir les extrémités de tubes d'un faisceau de tubes de l'échangeur de chaleur, caractérisée en ce que ladite plaque collectrice est réalisée en deux parties : une première partie formant cadre réalisée en un matériau métallique et fixée au couvercle, et une deuxième partie réalisée en matière plastique formant lesdits collets.
Ladite boîte collectrice peut en outre comporter une ou plusieurs caractéristiques suivantes, prises séparément ou en combinaison :
- ladite première partie est en aluminium;
- ladite deuxième partie est formée par surmoulage sur ladite première partie et en ce que ladite deuxième partie présente des contours de surmoulage;
- ladite première partie comporte des moyens de sertissage sur le couvercle;
- lesdits collets présentent une forme sensiblement ovale;
- l'échangeur de chaleur comporte un faisceau de tubes agencés selon deux rangées, et lesdits collets présentent une forme sensiblement en double ovale pour la réception des extrémités des deux rangées de tubes;
- lesdits contours de surmoulage de la première partie définissent des cycloïdes;
- lesdits collets sont agencés selon un pas inférieur à 7,92 mm.
L'invention concerne aussi un échangeur de chaleur comportant un faisceau de tubes d'échange de chaleur et deux boîtes collectrices recevant les extrémités desdits tubes telles que définies ci-dessus.
Ledit échangeur peut être de type échangeur à assemblage mécanique.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 représente un échangeur de chaleur,
- la figure 2 est une vue éclatée d'une des boîtes collectrices de l'échangeur de la figure 1,
- la figure 3 représente une première partie métallique d'une plaque collectrice d'une boîte collectrice pour échangeur de chaleur,
- la figure 4 représente la plaque collectrice de la figure 1 avec un surmoulage en matière plastique formant des collets pour la réception des extrémités des tubes d'un faisceau de l'échangeur de chaleur,
- la figure 5 est une vue partielle agrandie de la figure 4.
Dans ces figures, les éléments sensiblement identiques portent les mêmes références.
L'invention concerne un échangeur de chaleur 1 pour véhicule automobile, notamment pour refroidir le liquide de refroidissement du moteur.
En particulier, l'invention s'applique pour un échangeur de chaleur à assemblage mécanique.
En se référant à la figure 1 , un tel échangeur de chaleur 1 comprend :
- un faisceau formé d'une multiplicité de tubes (non représentés), agencés selon une ou plusieurs rangées de tubes, ce faisceau est dans l'exemple illustré logé dans un boîtier 3, et
- deux boîtes collectrices 5 comprenant chacune une plaque collectrice 100 et un couvercle 200 (voir figure 2) fixé sur le plaque collectrice 100.
On a représenté sur la figure 3 une plaque collectrice 100. Cette plaque collectrice 100 comporte une première partie 101a métallique, par exemple en aluminium, et une deuxième partie 101b (figure 4) en matière plastique, de façon à former des collets 103 propres à recevoir les extrémités des tubes du faisceau (non représenté).
Les tubes (non représentés) peuvent par exemple être assemblés mécaniquement à la plaque collectrice 100 par déformation plastique.
La première partie 101a forme un cadre fixé au couvercle de la boîte collectrice. À titre d'exemple, la première partie la est repliée sur son pourtour et présente des pattes de sertissage 105, susceptibles d'être rabattues sur le couvercle 200. Ce dernier présente un rebord périphérique propre à venir en appui contre un joint d'étanchéité (non représenté) entre le couvercle 200 et la plaque collectrice 1 lors du sertissage.
La première partie 101a présente une forme générale parallélépipédique dans laquelle est formée une ouverture 107 pour le passage des extrémités des tubes d'échange de chaleur du faisceau. Dans l'exemple illustré, la forme de cette ouverture 107 est adaptée pour des tubes présentant une section de forme ovale.
On peut prévoir toute autre forme complémentaire de la forme des extrémités des tubes.
Les contours longitudinaux 109 de cette ouverture 107 définissent par exemple respectivement une cycloïde avec une pluralité d'arcs de cercle 111.
Selon le mode de réalisation illustré, l'ouverture 107 est configurée pour le passage des extrémités de deux rangées parallèles de tubes (non représentés) du faisceau. À cet effet, les contours latéraux 113 de l'ouverture 107 définissent par exemple également une cycloïde avec deux arcs de cercle 115.
Bien entendu, on peut prévoir un échangeur de chaleur avec une seule rangée de tubes. Dans ce cas, le contour latéral 113 ne comporte qu'un seul arc de cercle 115.
Bien sûr, on peut prévoir toute autre forme de l'ouverture 107 et des contours 109,113 du moment que cette forme est adaptée pour le passage des tubes.
En ce qui concerne, la deuxième partie 101b plastique, on choisit de préférence un matériau résistant aux températures d'utilisation de l'échangeur de chaleur et également au liquide de refroidissement dans le cas d'un échangeur de chaleur pour refroidir le liquide de refroidissement du moteur. On peut citer en exemple un polyamide chargé fibres de verre.
Cette deuxième partie plastique 101b peut être assemblée à la première partie la métallique par tout assemblage connu tel qu'un assemblage mécanique de type sertissage, ou encore par collage.
De façon avantageuse, la deuxième partie 101b est réalisée par un surmoulage plastique sur la première partie 101a. Dans ce cas, la première partie 101a métallique présente des trous d'accroché 117 dans lesquels s'insère la matière plastique, permettant ainsi un blocage de la deuxième partie 101b plastique sur la première partie la métallique et donc un maintien mécanique en utilisation.
En outre, les contours 109,113 de l'ouverture 107 de la première partie la métallique peuvent alors former des contours de surmoulage.
En se référant aux figures 4 et 5, les collets 103 présentent selon le mode de réalisation illustré, une forme en double ovale de manière à recevoir les extrémités de deux rangées de tubes de section ovale. Cette forme en double ovale est sensiblement une forme de néphroïde, c'est-à-dire qu'un collet 103 présente deux orifices ovales 117a, 117b communiquant.
Comme mentionné précédemment, on peut prévoir une seule rangée de tubes, dans ce cas les collets 103 peuvent présenter une forme ovale simple.
En outre, la forme des collets 103 est complémentaire de celle des extrémités des tubes. En conséquence, les collets 103 peuvent présenter toute autre forme telle que rectangulaire ou encore elliptique.
Les collets 103 étant surmoulés sur la plaque métallique 101a, on s'affranchit de l'étape d'emboutissage des collets sur la première partie 101a nécessitant une épaisseur de matière métallique prédéfinie.
En effet, comme on le voit mieux sur la figure 5, le pas P entre collets 103 (et donc des tubes) est égale à la somme de la largeur A d'un collet 103 et de l'épaisseur eB de matière entre deux collets 103 (relation (1)):
(1) P = A + ep
Ainsi, à titre d'exemple, pour une largeur standard de collet de 6 mm et une épaisseur par exemple de 0,5 mm entre deux collets 103, on peut obtenir un pas de 6,5mm :
(1) P = A + ep = 6 + 0,5 = 6,5 mm
L'assemblage, par exemple le surmoulage d'une matière plastique 101b formant les collets 103 sur le cadre 101a permet d'obtenir une plaque collectrice 100 avec deux matières :
- l'une 101a métallique permettant de sertir le couvercle 200 de la boîte collectrice 5 et de résister aux contraintes, et
- l'autre 101b plastique permettant de respecter un pas serré de collets 103 et donc de tubes.
On peut ainsi adapter le pas des collets 103 et donc le pas des tubes.
La fabrication d'un telle plaque collectrice 100 pour échangeur de chaleur 1 s'effectue de la manière suivante.
On réalise une première partie métallique 101a (figure 3) formant cadre, par exemple sensiblement plane et parallélépipédique, et on réalise une ou plusieurs ouvertures 107 pour le passage des extrémités des tubes (non représentés) du faisceau de l'échangeur de chaleur 1.
On surélève les bords de façon à former un rebord périphérique et on réalise par exemple des pattes de sertissage 105.
On réalise une matière plastique 101b (figure 2) de façon à former les collets 103 et on l'assemble à la première partie 101a métallique; cette deuxième partie 101b étant par exemple réalisée par surmoulage plastique sur la partie métallique 101a. Les collets 103 peuvent ainsi avoir un pas serré et sont prêts à recevoir les extrémités des tubes du faisceau (non représenté).
Par la suite, pour l'assemblage de la boîte collectrice, on dispose un joint d'étanchéité (non représenté) sur le contour périphérique de la première partie 101a.
Ensuite, on met en place le couvercle sur la première partie 101a de manière que son rebord vienne se loger dans l'espace annulaire délimité par le bord périphérique surélevé de la première partie 101a et les pattes de sertissage 105 non rabattues.
Après, on procède à l'opération de sertissage en rabattant les pattes 105 ce qui assure la compression du joint d'étanchéité (non représenté). Pour l'assemblage de l'échangeur de chaleur 1, les collets 103 reçoivent les extrémités des tubes du faisceau (non représenté) pour un assemblage mécanique des tubes.
Bien entendu, certaines étapes d'assemblage peuvent être interverties.
On comprend donc qu'avec une telle boîte collectrice, et en particulier avec une plaque collectrice 100 bi-matière, on peut resserrer le pas des collets 103 en matière plastique tout en répondant aux exigences de tenue mécanique grâce à la première partie métallique la formant cadre.

Claims

REVENDICATIONS
1. Boîte collectrice pour échangeur de chaleur comprenant un couvercle, une plaque collectrice (100) présentant une pluralité de collets (103) pour recevoir les extrémités de tubes d'un faisceau de tubes de l'échangeur de chaleur, caractérisée en ce que ladite plaque collectrice (100) est réalisée en deux parties :
- une première partie (101a) formant cadre, réalisée en un matériau métallique et fixée au couvercle, et
- une deuxième partie (101b) réalisée en matière plastique formant lesdits collets (103).
2. Boîte collectrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite première partie (101a) est en aluminium.
3. Boîte collectrice selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que ladite deuxième partie (101b) est formée par surmoulage sur ladite première partie (101a) et en ce que ladite deuxième partie (101b) présente des contours (109,113) de surmoulage.
4. Boîte collectrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite première partie (101a) comporte des moyens de sertissage (105) sur le couvercle.
5. Boîte collectrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdits collets (103) présentent une forme sensiblement ovale.
6. Boîte collectrice selon la revendication 5 pour échangeur de chaleur comportant un faisceau de tubes agencés selon deux rangées, caractérisée en ce que lesdits collets (103) présentent une forme sensiblement en double ovale pour la réception des extrémités des deux rangées de tubes.
7. Boîte collectrice selon la revendication 3 prise en combinaison avec la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits contours (109,113) de surmoulage de la première partie (101a) définissent des cycloïdes.
8. Boîte collectrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdits collets (103) sont agencés selon un pas inférieur à 7,92 mm.
9. Échangeur de chaleur comportant un faisceau de tubes d'échange de chaleur et deux boîtes collectrices (5) recevant les extrémités desdits tubes, caractérisé en ce que lesdites boîtes collectrices (5) sont conformes à l'une quelconque des revendications précédentes.
10. Échangeur de chaleur selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est un échangeur à assemblage mécanique.
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