|
(11) | EP 0 826 943 B1 |
| (12) | FASCICULE DE BREVET EUROPEEN |
|
|
| (54) |
Assemblage d'un collecteur à base d'aluminium et de tubes pour échangeur de chaleur et procédé de fabrication d'un tel assemblage Anordnung für einen Wärmetauscher bestehend aus einem Verteiler auf Aluminiumbasis und Rohren und Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung Assembly for a heat exchanger comprising an aluminium based manifold and tubes and process for manufacturing such an assembly |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
| Il est rappelé que: Dans un délai de neuf mois à compter de la date de publication de la mention de la délivrance de brevet européen, toute personne peut faire opposition au brevet européen délivré, auprès de l'Office européen des brevets. L'opposition doit être formée par écrit et motivée. Elle n'est réputée formée qu'après paiement de la taxe d'opposition. (Art. 99(1) Convention sur le brevet européen). |
[0001] L'invention concerne un assemblage d'un collecteur à base d'aluminium et de tubes pour échangeur de chaleur, le collecteur comprenant une face externe revêtue d'un placage externe et une multiplicité d'ouvertures propres à recevoir chacune une extrémité d'un des tubes de section prédéfinie et recouverte extérieurement d'un placage externe.
[0002] Le document DE 41 29 573 A décrit un assemblage de ce type, dans lequel les ouvertures sont entourées chacune d'un collet, ce qui permet d'obtenir un contact surfacique entre le collet et le tube qu'il reçoit. Toutefois, ce document ne donne aucune précision sur la manière dont sont réalisés les ouvertures et les collets correspondants.
[0003] Par ailleurs, le document US-A-4 234 041 décrit un collecteur dans lequel sont formées des ouvertures entourées chacune par un collet. Dans ce document, on réalise chacune des ouvertures avec enlèvement de matière. Plus particulièrement, on forme d'abord deux découpes espacées, puis on exécute une fente entre les deux découpes, ce qui permet de réaliser deux segment qui sont ensuite forçés vers l'extérieur pour former deux parois latérales opposées du collet.
[0004] Dans les collecteurs actuels, à base d'aluminium, la solidarisation des tubes relativement au collecteur, s'effectue au niveau des ouvertures par soudage ou brasage.
[0005] Or, les ouvertures de ce type de collecteur sont généralement réalisées par découpe, avec enlèvement de matière. Le contact entre l'extrémité d'un tube, revêtue d'un placage externe, et le collecteur, s'effectue par conséquent sur la périphérie de l'ouverture dans laquelle ladite extrémité est introduite. Le contact s'effectue donc au niveau de l'épaisseur de la paroi du collecteur, laquelle n'est pas revêtue de placage du fait de la découpe.
[0006] Il en résulte que l'étanchéité, obtenue par le joint de brasure au niveau de chaque ouverture, n'est pas parfaite. Il peut donc survenir des fuites et des problèmes de corrosion dont les conséquences peuvent être graves.
[0007] Par ailleurs, en raison des limitations de poids et d'encombrement que l'on rencontre dans les compartiments moteurs des véhicules actuels, les constructeurs sont obligés d'utiliser des matériaux légers et de faible épaisseur. Or, les matériaux de faible épaisseur utilisés ne présentent pas toujours des caractéristiques de résistance mécanique, notamment, suffisantes pour les tenues en pression cyclée.
[0008] Pour remédier à cet inconvénient, on réalise certains collecteurs dans un alliage d'aluminium et de magnésium dont la résistance mécanique est bien supérieure à celle de l'aluminium pur.
[0009] Or, il est apparu que, lors de l'opération de brasage, une partie du magnésium diffusait vers le joint de brasure, réduisant ainsi la mouillabilité des surfaces à braser. Il en résulte une réduction notable de l'étanchéité du joint de brasure qui peut induire des fuites et accentuer la corrosion.
[0010] Un but de l'invention est donc de proposer un assemblage du type décrit dans l'introduction qui ne présente pas les inconvénients précités.
[0011] L'invention propose à cet effet un assemblage d'un collecteur à base d'aluminium et de tubes, dans lequel chaque ouverture est réalisée par crevage sans enlèvement de matière puis conformage d'une zone choisie du collecteur, laquelle zone est emboutie de sorte que la face externe du collecteur délimite en ladite zone un collet de section transversale interne sensiblement identique à la section prédéfinie de l'extrémité d'un des tubes, de sorte que, après introduction du tube dans l'ouverture du collet, un contact surfacique entre les placages externes respectifs du collet et de l'extrémité dudit tube est obtenu.
[0012] On entend par crevage sans enlèvement de matière, un poinçonnage particulier qui facilite la réalisation du collet, permettant ainsi d'obtenir un excellent joint d'étanchéité par brasure.
[0013] Avantageusement, les placages externes du collecteur et de l'extrémité du tube sont des alliages d'aluminium et de silicium.
[0014] Préférentiellement, la face interne du collecteur, qui est opposée à sa face externe, est revêtue d'un placage interne, comme par exemple un alliage d'aluminium et de zinc dont les propriétés anti-corrosives sont bien connues. Cela contribue à renforcer la protection de l'échangeur de chaleur contre la corrosion.
[0015] Dans une forme de réalisation préférentielle, le collecteur est réalisé dans un alliage d'aluminium et de magnésium, le pourcentage de magnésium étant de préférence supérieur à 2%. Cela permet de renforcer notablement la résistance mécanique du collecteur, comparativement à un collecteur en aluminium pur.
[0016] Selon une autre caractéristique de l'invention, on prévoit, entre la face externe du collecteur et son placage externe, un placage intermédiaire réalisé, par exemple, dans un alliage d'aluminium et de zinc.
[0017] Un tel placage intermédiaire permet de limiter, voire stopper, la diffusion du magnésium vers le placage externe, contribuant ainsi à renforcer encore plus la qualité du joint d'étanchéité obtenu par brasure.
[0018] L'invention concerne également un procédé de fabrication de l'assemblage d'un collecteur à base d'aluminium et de tubes pour échangeur de chaleur du type décrit ci-dessus, le procédé comprenant les étapes suivantes :
a) réaliser les ouvertures dans des zones choisies du collecteur avec un outil comprenant un poinçon muni d'une extrémité tranchante prolongée par un corps de section transversale identique à celle d'une extrémité de tube, ainsi qu'une matrice munie d'au moins un trou de section sensiblement égale à la section transversale du corps du poinçon augmentée de l'épaisseur du collecteur, la réalisation des ouvertures comprenant les étapes :
1.) placer la matrice en regard d'une face interne du collecteur, opposée à sa face externe, de sorte que ledit trou soit placé au dessus d'une zone choisie, puis appliquer l'extrémité tranchante du poinçon sur la face externe du collecteur, au niveau de la zone choisie, de façon à faire pénétrer la face interne du collecteur dans le trou,
2.) crever ladite zone par poinçonnage sans enlèvement de matière pour ébaucher une
ouverture et faire pénétrer dans le trou la matière formant le collecteur et délimitant
ladite ouverture, de sorte qu'un collet se forme, puis, faire coulisser le corps dudit
poinçon dans le trou de sorte que le collet et son ouverture présentent une section
transversale interne identique à la section prédéfinie de l'extrémité d'un tube destinée
à être solidarisé au collecteur au niveau d'une ouverture , et
le procédé de fabrication dudit assemblage comprenant l'étape additionnelle :
b) introduire le tube dans l'ouverture du collet de telle sorte qu'un contact surfacique entre les placages externes respectifs du collet et l'extrémité du tube est obtenu.
[0019] Préférentiellement, entre les étapes a) et b), on prévoit une étape a') dans laquelle on emboutit la zone choisie, d'une première part, du côté de la face externe du collecteur, de façon à réaliser sur ladite face interne une première empreinte en relief de dimensions sensiblement égales à celles du corps du poinçon, puis d'une seconde part, du côté de la face interne du collecteur, de façon à réaliser sur ladite face externe une seconde empreinte en relief entourant une partie au moins de la première empreinte.
[0020] Dans la description qui suit, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1A illustre une première étape de réalisation d'un collecteur selon l'invention dans une vue en coupe longitudinale;
- les figures 1B et 1C illustrent une seconde étape de réalisation d'un collecteur selon l'invention dans des vues en coupe longitudinale et transversale;
- les figures 1D et lE illustrent une troisième étape de réalisation d'un collecteur selon l'invention dans des vues en coupe transversale et longitudinale;
- la figure 2 illustre en vue du dessus un poinçon permettant de réaliser les ouvertures d'un collecteur selon l'invention;
- la figure 3 illustre, en coupe transversale, un premier type de collecteur équipé de tubes; et
- les figures 4A et 4B illustrent un second mode de réalisation d'un collecteur selon l'invention, équipé de tubes, la figure 4B étant un agrandissement d'une partie de la figure 4A.
[0021] On se réfère tout d'abord aux figures 1A à 1E, et 2 pour décrire les principales étapes d'un procédé d'obtention d'ouvertures dans un collecteur à base d'aluminium.
[0022] Pour réaliser un collecteur selon l'invention, on part d'une plaque sensiblement plane, à base d'aluminium 1. On revêt la surface externe 2 d'un placage externe 3, de préférence en alliage d'aluminium et de silicium.
[0023] Préférentiellement, on revêt également la face interne 4 d'un placage interne, anti-corrosif, comme par exemple un alliage d'aluminium et de zinc.
[0024] Puis, à l'aide d'une machine-outil appropriée, on emboutit, en des zones choisies, une partie centrale 6 de la plaque 1 de façon à y former une première empreinte 7 en relief du côté de la face interne 4.
[0025] Cette première empreinte 7 en relief présente des dimensions sensiblement égales aux dimensions d'une extrémité de tube 8 (voir figure 3), et d'un poinçon (voir figure 2) destiné à réaliser des ouvertures 17 sur lesquelles on reviendra plus loin. La première empreinte 7 est de forme sensiblement ovale de grand côté (longitudinal) L et de petit côté (transversal) ℓ.
[0027] On réalise ensuite (voir figures 1B et 1C), toujours par emboutissage, une seconde empreinte 9 en relief sur la face externe 2 de la plaque, autour d'une partie au moins de la première empreinte 7, de façon à former au moins sur les côtés longitudinaux L de la première empreinte 7 deux rainures. Bien entendu, la rainure qui se trouve située entre deux premières empreintes 7 parallèles et voisines forme seconde empreinte 9 pour chacune desdites premières empreintes.
[0028] La longueur L' de l'extension longitudinale de la seconde empreinte est sensiblement supérieure à L.
[0029] Bien entendu, les première et seconde empreintes peuvent être réalisées en une seule et unique étape à l'aide d'une machine-outil appropriée.
[0030] Puis, comme illustré sur la figure 1D, on utilise un autre outil 11 comprenant au moins un poinçon 10 (sur la figure 1D, deux poinçons sont illustrés), ainsi qu'une matrice 12 dans laquelle se trouvent réalisés autant de trous 13 qu'il y a de poinçons 10 prévus, lesdits trous 13 étant agencés pour permettre le coulissement des poinçons 10.
[0031] Chaque poinçon 10 comprend une partie d'extrémité effilée et tranchante 14 prolongée par un corps 15 de section transversale sensiblement identique à la forme de la première empreinte 7, ainsi qu'à la section transversale externe d'une extrémité de tube 8.
[0032] Chaque trou 13 de la matrice 12 présente une forme adaptée à celle du corps 15 d'un poinçon 10, mais légèrement supérieure pour des raisons que l'on expliquera plus loin.
[0034] Tout d'abord, on positionne la matrice 12 de l'outil 11 de façon que chacun de ses trous soit placé au-dessus d'une première empreinte 7, au contact de la face interne 4. Puis on déplace les poinçons 10 sensiblement perpendiculairement au plan défini par la plaque collectrice 1, et parallèlement à l'axe des trous 13, jusqu'à ce que leurs extrémités 14 respectives soient au contact de la face externe conformée 2 au niveau des premières empreintes 7.
[0035] A l'aide des extrémités tranchantes 14, on crève la plaque 2, sans enlever de matière, ce qui ébauche les futures ouvertures 17.
[0036] Ensuite, on force le passage du corps 15 du poinçon 10 au travers de l'ébauche d'ouverture en continuant à faire coulisser ledit poinçon à l'intérieur du trou 13 (voir figures 1D et 1E). En raison des dimensions du trou 13, une partie du matériau constituant la plaque 1 est entraînée par le poinçon 10 à l'intérieur dudit trou 13, formant ainsi un collet repoussé 16 de dimension égale à la section transversale du corps 15 du poinçon 10. D'autre part, cela conforme l'ouverture 17, préalablement ébauchée par le crevage, aux dimensions du corps de poinçon, et par conséquent aux dimensions des extrémités de tubes 8 qu'il est censé recevoir.
[0037] La partie centrale 6 du collecteur 1 est alors munie de ses ouvertures, et par conséquent les extrémités 8 de tubes peuvent être introduites dans celles-ci, comme illustré sur la figure 3.
[0038] Une fois l'extrémité du tube introduite dans une ouverture 17, on réalise un contact surfacique entre le placage externe 3 de la face externe 2 de la plaque 1 qui délimite le collet 16, et le placage externe 19 de la paroi 18 délimitant l'extrémité 8 du tube.
[0039] Ce contact surfacique est réalisé sur plusieurs millimètres de haut, ce qui permet, lors de l'étape de brasage, d'obtenir un joint d'étanchéité très performant.
[0040] On se réfère maintenant aux figures 4A et 4B pour décrire une variante de collecteur selon l'invention.
[0041] En raison de la relative fragilité des collecteurs en aluminium pur, ceux-ci peuvent être réalisés dans un alliage d'aluminium et de magnésium. De préférence, le pourcentage de magnésium est choisi supérieur à 2%.
[0042] Ce type de collecteur offre des caractéristiques de résistance mécanique notablement supérieures à celles que présentent les collecteurs en aluminium pur.
[0043] Cependant, le magnésium contenu dans l'alliage a tendance à diffuser, lors de l'étape de brasure, en direction, notamment, du placage externe 3, ce qui a tendance à diminuer l'efficacité de l'étanchéité au niveau du joint de brasure, par réduction de la mouillabilité du placage externe de la face externe 2. Il est par conséquent préférable de placer entre le placage externe 3 et la plaque en alliage d'aluminium et magnésium formant le collecteur 1, un placage intermédiaire 20 réalisé dans un alliage d'aluminium et de zinc dont les caractéristiques physiques permettent de limiter, voire de stopper totalement, la diffusion du magnésium en direction du placage externe 3.
[0044] Cela permet ainsi de réaliser des collecteurs de très grande étanchéité, et dont les caractéristiques mécaniques permettent des tenues en pression cyclée très importantes.
[0045] On a décrit un collecteur dans lequel les ouvertures sont réalisées après formation de premières et secondes empreintes. Mais ces empreintes ne sont pas indispensables.
[0046] Par ailleurs, on a décrit un collecteur dans lequel les ouvertures sont tout d'abord ébauchées par crevage, sans enlèvement de matière. Mais, on peut parfaitement envisager d'ébaucher lesdites ouvertures par crevage, avec enlèvement de matière, pourvu que l'ébauche présente des dimensions sensiblement plus petites que celles d'une extrémité de tube, de sorte que des collets puissent être formés. Toutefois, un tel mode de réalisations n'est pas convert par les revendications.
a) réaliser les ouvertures (17) dans des zones choisies du collecteur avec un outil (11) comprenant un poinçon (10) muni d'une extrémité (14) tranchante prolongée par un corps (15) de section transversale identique à celle d'une extrémité de tube, ainsi qu'une matrice (12) munie d'au moins un trou (13) de section sensiblement égale à la section transversale du corps (15) du poinçon augmentée de l'épaisseur du collecteur, la réalisation des ouvertures comprenant les étapes :
1.) placer la matrice (12) en regard d'une face interne (4) du collecteur, opposée à sa face externe (2), de sorte que ledit trou (13) soit placé au dessus d'une zone choisie, puis appliquer l'extrémité tranchante (14) du poinçon (10) sur la face externe (2) du collecteur (1), au niveau de la zone choisie, de façon à faire pénétrer la face interne (4) du collecteur (1) dans le trou (13),
2.) crever ladite zone par poinçonnage sans enlèvement de matière pour ébaucher une ouverture (17) et faire pénétrer dans le trou (13) la matière formant le collecteur (1) et délimitant ladite ouverture (17), de sorte qu'un collet (16) se forme, puis, faire coulisser le corps (15) dudit poinçon (10) dans le trou (13) de sorte que le collet (16) et son ouverture (17) présentent une section transversale interne identique à la section prédéfinie de l'extrémité d'un tube (8) destinée à être solidarisé au collecteur (1) au niveau d'une ouverture (17), et le procédé de fabrication dudit assemblage comprenant l'étape additionnelle :
b) introduire le tube (8) dans l'ouverture (17) du collet (16) de telle sorte qu'un contact surfacique entre les placages externes respectifs (3 ; 12) du collet (16) et l'extrémité du tube (8) est obtenu.
a) the step of producing the openings (17) in chosen regions of the manifold with a tool (11) comprising a punch (10) provided with a cutting edge (14) extended by a body (15) of cross section identical to that of one end of a tube, together with a die (12) provided with at least one hole (13) of cross section approximately equal to the cross section of the body (15) of the punch increased by the thickness of the manifold, the production of the openings comprising the steps:
1) of placing the die (12) opposite an internal face (4) of the manifold, on the opposite side to its external face (2), so that the said hole (13) is placed above a chosen region, and then of applying the cutting edge (14) of the punch (10) against the external face (2) of the manifold (1), in the chosen region, so as to make the internal face (4) of the manifold (1) penetrate the hole (13) and
2) of lancing the said region, by punching without removal of material, in order to blank an opening (17) and make the material forming the manifold (1) and defining the said opening (17) penetrate the hole (13) so that a collar (16) is formed and then of making the body (15) of the said punch (10) slide in the hole (13) so that the collar (16) and its opening (17) have an internal cross section identical to the predefined cross section of the end of a tube (8) intended to be fastened to the manifold (1) in an opening (17), and the process for manufacturing the said assembly comprising the additional step:
b) of introducing the tube (8) into the opening (17) of the collar (16) in such a way that there is surface contact between the respective external claddings (3; 12) of the collar (16) and the end of the tube (8).
a) Herstellen der Öffnungen (17) in den ausgewählten Bereichen des Kollektors mit einem Werkzeug (11), das einen Stempel (10), der mit einem Schneidende (14) versehen ist, das sich in einen Körper (15) mit einem Querschnitt fortsetzt, der gleich demjenigen von einem Rohrende ist, sowie eine Matrize (12) umfasst, die mit zumindest einem Loch (13) mit einem Querschnitt versehen ist, der im wesentlichen gleich dem Querschnitt des Körpers (15) des Stempels vermehrt um die Dicke des Kollektors ist, wobei die Herstellung der Öffnungen folgende Schritte umfasst:
1.) Platzieren der Matrize (12) gegenüber einer Innenfläche (4) des Kollektors, die seiner Außenfläche (2) gegenüberliegt, so dass das Loch (13) über einem ausgewählten Bereich zu liegen kommt, dann Aufbringen des Schneidendes (14) des Stempels (10) auf die Außenfläche (2) des Kollektors (1) auf Höhe des ausgewählten Bereichs, um die Innenfläche (4) des Kollektors (1) in das Loch (13) eindringen zu lassen,
2.) Durchstechen des Bereichs durch Stanzen ohne Entfernung von Material, um eine Öffnung (17) grob vorzuarbeiten, und Eindringenlassen des den Kollektor (1) bildenden und die Öffnung (17) begrenzenden Materials in das Loch (13), so dass sich ein Bund (16) bildet, dann Gleitenlassen des Körpers (15) des Stempels (10) in dem Loch (13), so dass der Bund (16) und seine Öffnung (17) einen Innenquerschnitt aufweisen, der identisch zu dem vordefinierten Querschnitt des Endes eines Rohrs (8) ist, das dazu bestimmt ist, mit dem Kollektor (1) auf Höhe einer Öffnung (17) fest verbunden zu werden, und wobei das Verfahren zur Herstellung der Anordnung den folgenden zusätzlichen Schritt umfasst:
b) Einführen des Rohrs (8) in die Öffnung (17) des Bunds (16), so dass ein Flächenkontakt zwischen den jeweiligen Außenplattierungen (3; 12) des Bunds (16) und des Rohrendes (8) erhalten wird.