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Échangeur de chaleur à tubes souples, notamment pour véhicule
automobile
L'invention se rapporte aux échangeurs de chaleur, en
particulier pour véhicule automobile.
Elle concerne plus particulièrement un échangeur de chaleur
du type comprenant un faisceau formé uniquement de tubes
souples en matière plastique, ainsi que deux blocs d'extré-
mité joignant ces tubes.
On connaît déjà des échangeurs de chaleur de ce type, que
l'on appelle aussi "échangeurs sans ailettes", étant donné
que le faisceau est formé uniquement de tubes souples, encore
appelés capillaires. Ces derniers peuvent avoir un faible
diamètre, typiquement de l'ordre de 1 ou 2 millimètres et
sont habituellement réalisés par extrusion d'une matière
thermoplastique, par exemple d'un polyamide.
De tels échangeurs de chaleur peuvent être utilisés dans
l'industrie automobile pour constituer, par exemple, un
radiateur de refroidissement du moteur, un radiateur de
chauffage de l'habitacle, un refroidisseur de l'air de
suralimentation, ou encore un condenseur d'un circuit de
climatisation.
L'avantage de ces tubes souples est qu'ils permettent de
réaliser des échangeurs de chaleur dont le faisceau peut
présenter des formes particulières, y compris des formes
courbes ou cintrées, pour pouvoir se loger dans un emplace-
ment approprié du véhicule automobile. En outre, ils ont
l'avantage d'être plus légers que les échangeurs de chaleur
conventionnels à tubes métalliques, et ils sont en outre plus
résistants aux chocs, du fait de leur possibilitë de déforma-
tion.
Toutefois, la réalisation de tels échangeurs de chaleur à
tubes souples pose certains problèmes, étant donné qu'il
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n'est pas toujours possible d'appliquer les techniques
habituelles utilisées dans la fabrication des échangeurs de
chaleur traditionnels à tubes et à ailettes métalliques.
Dans les échangeurs de chaleur connus à tubes souples, les
blocs d'extrémité comprennent chacun un collecteur en forme
de plaque pourvu d'ouvertures recevant individuellement les
tubes du faisceau. Cette solution nécessite des opérations de
montage délicat compte tenu de la finesse des tubes et de
leur grand nombre.
Un autre problème lié à ces échangeurs de chaleur connus est
du à la souplesse des tubes. En effet, ceux-ci ont tendance
à se rapprocher les uns des autres en faisant obstacle au
passage du flux d'air qui doit balayer le faisceau. I1 est
donc nécessaire de prévoir des moyens pour maintenir les
tubes espacés. La conception de tels moyens espaceurs pose de
nombreux problèmes compte tenu de la finesse des tubes et de
leur nombre élevé.
Un autre problême posé par ces échangeurs de chaleur connus
réside dans le maintien des tubes qui non seulement sont
souples, mais aussi peuvent avoir des formes non linéaires.
L' invention a notamment pour but de surmonter les inconvé-
nients précités.
Elle propose à cet effet un échangeur de chaleur du type
précitë, lequel comprend au moins un espaceur disposé en un
endroit choisi entre les blocs d'extrémité et comportant des
ouvertures de passage des tubes pour assurer le maintien des
tubes avec un pas ou espacement choisi.
I1 en résulte que les tubes du faisceau sont maintenus
espacés les uns des autres, de sorte que le faisceau peut
être correctement balayé par un flux d'air.
Dans une forme de réalisation de l'invention, chaque espaceur
est réalisé sous la forme d'une plaque généralement plane
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pourvue d'une pluralité de trous individuels espacés les uns
des autres et propres à être traversés chacun par un tube du
faisceau.
Dans une autre forme de réalisation, chaque espaceur est
réalisé sous la forme d'une plaque généralement plane pourvue
d'une pluralité d'ouvertures oblongues espacées les unes des
autres et propres à être traversées chacune par une série
alignées de tubes du faisceau.
Dans cette dernière forme de réalisation, l'échangeur
comprend avantageusement au moins un premier espaceur ayant
des premières ouvertures oblongues propres à être traversées
chacune par une rangée de tubes et au moins un deuxième
espaceur ayant des deuxièmes ouvertures oblongues propres à
être traversées chacune par une colonne de tubes, les premiê-
res ouvertures oblongues et les deuxiêmes ouvertures oblon-
gues s'étendent dans des directions orthogonales.
Cette deuxième forme de réalisation permet un montage plus
aisé que la précédente, étant donné que les tubes sont
introduits par séries alignées et non pas individuellement.
Selon une autre caractêristique de l'invention, chaque
espaceur est fixé entre deux traverses (encore appelées
joues) encadrant le faisceau. Ces traverses contribuent au
maintien du faisceau et â la rigidité de l'ensemble.
Avantageusement, chaque espaceur et les traverses sont formés
en une matière plastique, en particulier une matiêre thermo-
plastique telle qu'un polyamide.
Chaque espaceur peut être fixé aux traverses soit par des
moyens mécaniques, en particulier par encliquetage, soit
encore par collage ou par soudage.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, chaque
espaceur est placé dans une orientation choisie pour canali-
ser un flux d'air balayant le faisceau de tubes.
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Dans la description qui suit, faite seulement à titre
d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels .
- la figure 1 est une vue en perspective d'un échangeur de
chaleur â tubes souples selon une première forme de réalisa
tion de l'invention ;
- la figure 2 est une vue partielle en plan prise dans la
direction de la flèche II de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue en plan, dans la direction de la
flèche III de la figure 1, avec arrachement partiel ;
- la figure 4 est une vue en plan d'un espaceur dans une
forme de réalisation de l'invention ;
- les figures 5 et 6 sont des vues en perspective de deux
espaceurs dans une autre forme de réalisation de l'inven-
tion ;
- la figure 7 est une vue analogue â la figure 3 dans une
deuxiême forme de réalisation de l'invention ; et
- la figure 8 est une vue en perspective d'un échangeur de
chaleur selon cette deuxième forme de réalisation.
On se réfère tout d' abord à la figure 1 qui représente un
échangeur de chaleur qui, dans l'exemple, est propre à
constituer un refroidisseur d'air de suralimentation pour un
moteur de véhicule automobile.
Cet échangeur comprend un faisceau 10 formé uniquement de
tubes souples 12, encore appelés capillaires, dont le
diamêtre est généralement de l'ordre du millimètre. Ces tubes
sont réalisés par extrusion d'une matière thermoplastique, en
particulier d'un polyamide. Comme on peut le voir sur la
figure 1, ces tubes ne sont pas linéaires, mais ont au
contraire une forme cintrée particulière qui, dans l'exemple,
permet d'intégrer l'échangeur de chaleur dans un logement
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défini derrière le bouclier avant (non représenté) du
vëhicule.
Les tubes 12 ont des extrémités respectives 14 et 16 agencées
5 de telle manière que les extrémités 14 sont regroupées les
unes contre les autres pour former un paquet introduit dans
une tubulure 18. De manière correspondante, les extrémités 16
des tubes sont regroupées les unes contre les autres pour
former un paquet qui est introduit dans une autre tubulure
20.
Ces tubulures 18 et 20 font partie respectivement de deux
blocs d'extrémité 22 et 24. On décrira maintenant plus
particulièrement la structure du bloc d'extrémité 22 en
référence aux figures 2 et 3. La tubulure 18 affecte, dans
l'exemple, une forme générale cylindrique circulaire délimi-
tant un passage intérieur 26 de forme générale cylindrique
circulaire dans lequel les extrémités 14 des tubes sont
emmanchées. Dans la partie courante du faisceau, comprise
entre les extrémités 14 et 16, les tubes sont espacés les uns
des autres, par des moyens qui seront décrits plus loin.
Par contre, dans les tubulures 18 et 20, les extrémités des
tubes sont regroupées pour former un paquet qui est introduit
dans la tubulure.
La tubulure 18 comporte une entrée conique 28 ( figure 3 ) pour
faciliter l'introduction des extrémités des tubes préalable-
ment regroupêes en paquet. A son autre extrémité, la tubulure
comporte un bourrelet extêrieur de retenue 30 (figures 2 et
3) qui peut servir au raccordement d'un conduit ou tuyau
souple (non représenté) maintenu par un collier approprié.
Chacune des tubulures 18 et 20 est réalisée par moulage d'une
matière plastique, avantageusement une matiëre thermoplasti-
que telle qu'un polyamide. Dans l'exemple, chacune de ces
tubulures est venue de moulage avec une plaque support 32,
respectivement 34 qui s'êtend dans une direction gênéralement
perpendiculaire aux axes respectifs x7~ et YY des tubulures 18
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et 20. Pour assurer le maintien des tubes et l'étanchéité
entre les tubes et l'intérieur de la tubulure correspondante,
on applique un adhésif 35 dont on aperçoit une partie sur la
figure 3, dans la zone annulaire comprise entre l'entrée
conique 28 et les tubes du faisceau.
Cet adhésif, qui est par exemple du type silicone, peut être
appliqué de différentes maniêres. Une des solutions envisa-
geables est de l'injecter, après introduction des extrémités
des tubes dans la tubulure correspondante. Une autre solution
consiste à déposer l'adhésif d'abord autour des tubes, avant
d'engager les extrémités des tubes dans les tubulures
correspondantes.
Comme on peut le voir sur la figure 1, les blocs d'extrémité
22 et 24 sont fixés entre deux traverses 36 et 38, encore
appelées "joues" ou "flancs". Ces traverses encadrent le
faisceau 10. Elles sont réalisées sous la forme de deux
plaques généralement planes s'étendant parallëlement entre
elles. Dans l'exemple, ces plaques ont une forme particulière
qui permet de conformer le faisceau 10 â la forme désirée.
Ces traverses 36 et 38 sont avantageusement réalisées par
moulage d'une matière plastique, en particulier d'un polyami-
de.
Les traverses 36 et 38 ont des formes homologues. Ainsi, la
traverse 36 comporte une âme centrale 40 de forme arquée
raccordée à deux parties d'extrémité 42 et 44 qui sont
sensiblement parallèles entre elles et qui servent de support
respectivement aux blocs d'extrémité 22 et 24, de manière à
donner à ces blocs une orientation choisie. Dans l'exemple,
les axes respectifs XX et YY des tubulures 18 et 20 sont
sensiblement parallèles.
Comme on peut le voir sur la figure 1, la plaque support 32
du bloc d'extrémité 22 comporte deux pattes opposées 46 ayant
la forme de crochets tournés l'un vers l'autre, qui permet-
tent une fixation mécanique de la plaque support 32 sur
l'extrémité 42 de la traverse 36. Cette plaque support est
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fixée par des moyens analogues à la traverse 38. I1 en est de
même pour la plaque support 34 du bloc d'extrémité 24.
En outre, l'échangeur de chaleur comprend une pluralité
d'espaceurs 50 disposés chacun en des endroits choisis entre
les blocs d'extrémité 22 et 24. Chaque espaceur 50 est
réalisé sous la forme d'une plaque qui s'étend perpendiculai-
rement entre les traverses 36 et 38 et qui est fixée â ces
derniêres par des moyens appropriés. En outre, ces espaceurs
sont traversés chacun par les tubes 12 du faisceau 10.
Dans la forme de réalisation de la figure 4, l'espaceur 50
comporte des ouvertures individuelles 52 pour le passage des
tubes du faisceau. Ces ouvertures, de forme circulaire, sont
en nombre correspondant à celui des tubes du faisceau
(plusieurs centaines dans l'exemple représenté). Ces ouvertu-
res 52 sont alignées en colonnes et en rangées et elles
définissent globalement, par leur enveloppe, une forme
généralement elliptique ou ovale. Dans cette forme de
réalisation, il est donc nécessaire d'enfiler chacun des
tubes 12 dans les trous respectifs 52 de chacun des espaceurs
50, ces derniers étant ensuite placés en des endroits
appropriës entre les traverses 36 et 38.
Dans l'exemple, chacun des espaceurs 50 comporte, d'un côté,
une paire de pattes 54 en forme de becs opposés et, de
l'autre côté, une autre paire de pattes 56, également en
forme de becs opposés. Ces paires de pattes permettent la
fixation mécanique des espaceurs 50 entre les traverses 36 et
38 par encliquetage ou analogue.
Dans la forme de réalisation des figures 5 et 6, on utilise
au moins un premier espaceur 58 et un deuxième espaceur 60
ayant sensiblement la même forme. L'espaceur 58 possède des
ouvertures oblongues 62 propres â être traversées chacune par
une série alignée de tubes du faisceau, dans l'exemple une
rangée de tubes. Par contre, le deuxième espaceur 60 possède
des ouvertures oblongues 64 propres à être traversées chacune
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par une série alignée de tubes, dans l'exemple une colonne de
tubes.
Comme on peut le voir sur les figures 5 et 6, les ouvertures
oblongues 62 et les ouvertures oblongues 64 s'étendent dans
des directions orthogonales. La forme de réalisation des
figures 5 et 6 facilite le montage des tubes, étant donné
qu'ils peuvent être introduits en séries alignées (rangées ou
colonnes) au travers des espaceurs 58 et 60, au lieu d'être
introduits individuellement dans des ouvertures 52 dans le
cas de l'espaceur 50.
Les espaceurs 58 et 60 sont fixés aux traverses 36 et 38 par
des pattes 54 et 56 analogues à celles de l'espaceur 50
décrit plus haut.
En variante, les espaceurs 50, 58 et 60 peuvent être fixés
aux traverses par d' autres moyens, en particulier par collage
ou par soudage.
Comme on peut le voir sur la figure 1, les espaceurs 50 sont
non seulement placés en des endroits choisis, mais aussi avec
des orientations choisies, ce qui permet de canaliser un flux
d'air F traversant le faisceau.
I1 est avantageux également pour canaliser le flux d'air de
donner une forme particuliêre aux traverses 36 et 38. Ainsi,
comme on peut le voir plus particulièrement sur la figure 7,
ces traverses ont des profils conformés pour favoriser le
guidage du flux d'air F. En particulier, les traverses 36 et
38 ont des bords d'attaque respectifs 66 et 68 de forme
arrondie dirigés à l'encontre du flux d'air. Ceci facilite le
guidage du flux d'air F qui peut ensuite balayer convenable-
ment les tubes du faisceau, lesquels sont maintenus avec un
espacement régulier grâce aux espaceurs 50 ou bien 58 et 60.
Dans la forme de réalisation de la figures 8, on retrouve une
structure générale analogue à celle de la figure 1.
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Les principales différences résident dans la manière dont les
espaceurs 50 sont fixês aux traverses 36 et 38. Dans l'exem
ple, ces espaceurs ont des pattes 70 pour l'encliquetage avec
la traverse 36 et des pattes 72 pour l'encliquetage avec la
traverse 38.
Par ailleurs, la traverse 36 comporte deux pattes de fixation
74 et 76 venues de moulage avec elle. Ces pattes sont
destinées soit à la fixation de la traverse sur la structure
du véhicule, soit à la fixation d'accessoires sur l'échangeur
de chaleur. L'autre traverse 38 peut, le cas échéant, compor-
ter au moins une patte de fixation analogue.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux formes de
réalisation décrites précédemment à titre d'exemple et
s'étend à d'autres variantes.
On comprendra que l'échangeur de chaleur peut être réalisé
selon une multitude de configurations possibles.
