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FR3121204A1 - Procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur, échangeur de chaleur obtenu par un tel procédé, élément de plancher et plancher comprenant un tel échangeur de chaleur - Google Patents

Procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur, échangeur de chaleur obtenu par un tel procédé, élément de plancher et plancher comprenant un tel échangeur de chaleur Download PDF

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FR3121204A1
FR3121204A1 FR2108234A FR2108234A FR3121204A1 FR 3121204 A1 FR3121204 A1 FR 3121204A1 FR 2108234 A FR2108234 A FR 2108234A FR 2108234 A FR2108234 A FR 2108234A FR 3121204 A1 FR3121204 A1 FR 3121204A1
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Abstract

Procédé de fabrication d’un échangeur (100) de chaleur comprenant : - une étape de formation d’un corps (1) principal comprenant au moins un circuit pour un fluide caloporteur, le circuit présentant deux extrémités ouvertes, - une étape de fermeture d’au moins une des deux extrémités, dans lequel l’étape de fermeture d’au moins une des deux extrémités comprend une opération de soudage par friction malaxage par transparence. Figure pour l’abrégé : figure 1

Description

Procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur, échangeur de chaleur obtenu par un tel procédé, élément de plancher et plancher comprenant un tel échangeur de chaleur
DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention se rapporte au domaine des échangeurs de chaleurs à fluide caloporteur, plus particulièrement à des améliorations de tels échangeurs de chaleur, leur procédé de fabrication ainsi qu’à leur utilisation.
Plus précisément, l’invention se rapporte à des échangeurs de chaleur aux performances accrues grâce notamment à leur procédé de fabrication et leur conception.
ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE
De manière connue, dans un échangeur de chaleur, un fluide caloporteur circule dans un circuit entre deux parois de l’échangeur de chaleur, les parois permettant le transfert de chaleur entre l’environnement extérieur et le fluide caloporteur, dans un sens ou dans l’autre.
La conductivité thermique des parois assurant le transfert de chaleur est un point clé de la performance des échangeurs de chaleur. C’est pourquoi il est connu d’utiliser l’aluminium ou un alliage à base d’aluminium, pour fabriquer les parois de l’échangeur de chaleur.
L’échangeur de chaleur est par exemple réalisé en assemblant deux parties, par exemple par soudage, le circuit étant formé entre les deux parties. Toutefois, ce mode de réalisation nécessite de s’assurer d’une soudure de qualité pour garantir l’étanchéité et un bon transfert thermique, ce qui peut être délicat et coûteux
Une autre technique répandue est alors l’extrusion, permettant de filer en une opération les parois de l’échangeur de chaleur et les canaux du circuit pour le fluide caloporteur. Le corps ainsi obtenu est ouvert à ses deux extrémités. Ces extrémités sont ensuite fermées, de manière à former le circuit.
Parmi les échangeurs de chaleur, un type particulier est la plaque froide, dont la forme aplatie, de faible épaisseur lui permet notamment d’être montée aisément par exemple sur un dispositif à refroidir tel qu’un composant électronique, des batteries, ou un circuit d’huile dans un moteur.
Le document US20190288353 décrit un exemple d’un échangeur de chaleur de type plaque froide, obtenu par extrusion et soudage.
Le document US10359239 décrit un échangeur de chaleur comprenant un corps extrudé munis des passages pour un fluide caloporteur. Une extrémité du corps extrudé est alors fermée par un bouchon soudé par friction malaxage.
Le soudage par friction malaxage est un procédé de soudage par voie solide, sans apport de matière, ni changement à l’état liquide des matériaux, mais en mélangeant les matériaux de deux pièces à souder, réalisable à l’aide d’une machine-outil portant une tête de soudage. La soudure qui en résulte présente des caractéristiques améliorées par rapport aux techniques dites classiques de soudage, notamment en termes de résistance mécanique et d’étanchéité.
Le principe du soudage par friction malaxage consiste à faire pénétrer un pion de la tête de soudage par rotation et en exerçant une pression axiale à la jonction des deux pièces. Le pion est surmonté d’un épaulement, qui vient en butée contre les pièces à souder. La tête de soudage est ensuite déplacée à force le long du joint de soudure. La rotation du pion échauffe les matériaux, les rendant pâteux, et assure leur mélange au fur et à mesure du déplacement de la tête.
L’épaulement permet à la fois de guider le flux de matériau qui tend à s’écouler en dehors du joint de soudure et d’exercer une pression sur le joint de soudure pour garantir ses propriétés.
A cet effet, il a été déterminé que le diamètre de l’épaulement doit être au moins égal à deux fois le plus grand diamètre du pion.
Dans le cas de la fabrication de l’échangeur de chaleur, il en résulte que pour pouvoir souder le bouchon à l’extrémité, comme dans US10359239, l’épaulement doit pouvoir reposer totalement à l’extrémité en question. A cet effet, l’épaisseur des parois du corps extrudé doit être suffisante, et dépend donc de l’épaisseur du bouchon : l’épaisseur des parois doit être au moins égale à la moitié de l’épaisseur du bouchon.
Or, afin d’améliorer le rendement de transfert de chaleur, les parois doivent être les plus minces possibles.
Ainsi, selon un premier aspect, l’invention se rapporte à un procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur comprenant notamment :
  • une étape de formation d’un corps principal comprenant au moins un circuit pour un fluide caloporteur, le circuit présentant deux extrémités ouvertes,
  • une étape de fermeture d’au moins une des deux extrémités.
L’étape de fermeture d’au moins une des deux extrémités comprend une opération de soudage par friction malaxage par transparence réalisée à l’aide d’au moins une tête de soudage présentant un pion de soudage surmonté d’un épaulement, l’opération de soudage comprenant :
  • la traversée par le pion de soudage d’une première paroi jusqu’à ce que l’épaulement vienne en butée contre une surface extérieure de ladite première paroi, le pion ayant alors également pénétré au moins une deuxième paroi, au moins la première comprenant une paroi du corps principal ;
  • le déplacement de la tête de soudage par guidage de l’épaulement sur la surface extérieure le long d’un chemin de soudure déterminé ;
  • le retrait du pion (14).
La technique de soudage par friction malaxage assure une fermeture étanche aux extrémités du corps principal. En l’appliquant par transparence, l’épaisseur de ses parois peut être considérablement réduite, cette réduction n’étant pas limitée par exemple par l’épaisseur d’un bouchon. Les performances en termes de conductivité thermique pour l’échangeur de chaleur s’en trouvent améliorées.
Le procédé pourra comprendre l’une ou l’autre des caractéristiques suivantes, considérées seules ou en combinaison.
Ainsi, selon un mode de réalisation, l’étape de formation du corps principal peut comprendre une opération d’extrusion. Le corps principal comprenant des canaux formant le circuit du fluide caloporteur peut ainsi être formé à moindre coût et simplement, en grande quantité, par extrusion puis découpe.
Selon un mode de réalisation, la deuxième paroi peut comprendre également une paroi du corps principal, différente de la première paroi. L’étape de fermeture comprend alors en outre une opération d’emboutissage dans laquelle la première paroi et la deuxième paroi sont amenées l’une contre l’autre, à distance du circuit du fluide caloporteur, pour fermer la au moins une extrémité. De plus, l’opération de soudage comprend la traversée par le pion de soudage de la première paroi jusqu’à ce que l’épaulement vienne en butée contre une surface extérieure, le pion ayant alors également pénétré la deuxième paroi. Ainsi, aucun bouchon n’est nécessaire, et une seule ligne de soudage permet de fermer l’extrémité du circuit. Le procédé de soudage est alors simplifié, et les coûts sont diminués.
Selon un mode de réalisation, l’étape de fermeture d’au moins une extrémité peut comprendre la mise en place d’au moins un bouchon fermant l’extrémité. La deuxième paroi comprend alors le bouchon, et l’opération de soudage comprend la traversée par le pion de soudage de la première paroi jusqu’à ce que l’épaulement vienne en butée contre une surface externe de la première paroi, le pion ayant alors également pénétré le bouchon.
Que ce soit avec ou sans bouchon, l’extrémité ainsi fermée est parfaitement étanche et la tenue mécanique de la soudure est élevée. L’épaisseur des parois du corps principal peut être particulièrement fine, sans contrainte liée aux dimensions de l’outil de soudage.
Selon un mode de réalisation, l’opération de soudage peut comprendre la traversée par un pion de soudage d’une autre paroi du corps principal, opposée à la première paroi, jusqu’à ce qu’un épaulement surmontant le pion vienne en butée contre une surface externe de l’autre paroi du corps principal, le pion ayant alors également pénétré le bouchon.
Le soudage est alors réalisé en deux passes, augmentant la qualité de la soudure. Le fait que la deuxième passe peut malaxer des matériaux déjà malaxés pendant la première passe est sans incidence.
Selon un mode de réalisation, le procédé peut comprendre en outre une étape d’assemblage d’au moins un embout pour l’entrée et/ou la sortie de fluide caloporteur réalisée par soudage par friction rotative. Le soudage par friction rotative facilite la mise en place des embouts sur les parois minces du corps de l’échangeur de l’échangeur, limitant les risques de détériorer et affaiblir les parois, tout en offrant une étanchéité de haute qualité.
Selon un mode de réalisation, le circuit de fluide caloporteur peut comprendre au moins deux canaux s’étendant entre les deux extrémités. L’étape de formation de corps principal peut alors comprendre l’usinage d’au moins une chambre de jonction des deux canaux. Le cas échéant, cet usinage est réalisé après l’étape d’extrusion, de manière à permettre une connexion entre les canaux pour que le fluide caloporteur y circule.
Le circuit peut en pratique comprendre une pluralité de canaux, et des chambres de jonction peuvent facilement être usinées afin de les relier en série et/ou en parallèle, l’opération de soudage par friction malaxage par transparence convenant parfaitement à n’importe quelle configuration des canaux.
Selon un mode de réalisation, au moins le corps principal est en aluminium ou en alliage d’aluminium. Le cas échéant, le bouchon peut également être en aluminium ou en alliage d’aluminium. L’aluminium et ses alliages sont connus pour leurs capacités de conductivité thermique particulièrement adaptées aux échangeurs de chaleur, de sorte que l’échangeur de chaleur présentent des performances élevées en terme de transfert thermique. En outre, l’aluminium et ses alliages sont particulièrement adaptés à une opération d’extrusion.
Selon un mode de réalisation, l’échangeur de chaleur est une plaque froide. En effet, la faible épaisseur des parois rend l’échangeur de chaleur particulièrement adapté à cette application.
Selon un deuxième aspect, l’invention propose un échangeur de chaleur obtenu par le procédé de fabrication tel que présenté ci-dessus. Le corps principal est alors délimité par au moins une paroi d’épaisseur inférieure ou égale à 5mm, voire inférieure ou égale à 2mm.
Selon un mode de réalisation, l’épaisseur d’au moins une paroi du corps principal est inférieure à la moitié de l’épaisseur du bouchon.
La faible épaisseur des parois de l’échangeur de chaleur augmente ainsi ses performances techniques, mais les coûts de fabrication ne sont pas, ou très peu, augmentés.
Selon un mode de réalisation, l’échangeur de chaleur peut comprendre de plus au moins un canal d’isolation, formant écran thermique entre deux surfaces principales extérieures de l’échangeur de chaleur. Cet écran thermique peut être réalisé avec tout fluide. De préférence, l’écran thermique est réalisé par de l’air, de manière à ne pas augmenter les coûts. Cet écran permet notamment de limiter l’échange de chaleur entre le fluide caloporteur du circuit de fluide caloporteur et l’environnement extérieur d’un côté de l’échangeur de chaleur, pour de meilleure performances de l’autre côté.
Selon un mode de réalisation, l’échangeur de chaleur peut comprendre un embout d’entrée du fluide caloporteur et un embout de sortie du fluide caloporteur sur le circuit, au moins l’un des embouts d’entrée et de sortie étant assemblé sur le corps par friction rotative.
Selon un mode de réalisation, l’échangeur de chaleur peut comprendre une paroi supérieure et une paroi inférieure, à distance l’une de l’autre suivant une première direction, le circuit de fluide caloporteur comprenant au moins deux canaux s’étendant suivant une deuxième direction et à distance l’un de l’autre suivant une troisième direction, la première direction, la deuxième direction et la troisième direction étant perpendiculaires entre elles.
Selon un troisième aspect, l’invention propose un élément de plancher. Plus précisément, l’invention propose d’utiliser l’échangeur de chaleur afin de former un élément de plancher pour pack batterie. L’élément comprend un fond et des rebords s’élevant d’un côté à partir du fond. Le fond peut comprendre notamment au moins un échangeur de chaleur tel que présenté ci-dessus.
Selon un mode de réalisation, l’échangeur de chaleur et les rebords sont monoblocs, c'est-à-dire qu’ils ne résultent pas d’une opération d’assemblage. Ils sont formés ensemble, par exemple par extrusion. Aucune opération d’assemblage n’étant nécessaire, l’étanchéité est parfaite.
Selon un mode de réalisation, l’élément de plancher peut comprendre deux rebords longitudinaux s’étendant en vis-à-vis et deux rebords transversaux s’étendant en vis-à-vis. Les rebords longitudinaux peuvent être soudés aux rebords transversaux afin d’éviter toute fuite.
Selon un quatrième aspect, l’invention propose un plancher pour pack batteries. Plus précisément, l’invention propose d’utiliser l’échangeur de chaleur formant un élément de plancher de manière à faire partie d’un plancher pour pack batteries. Le pack batterie comprend alors au moins deux éléments tels que présentés ci-dessus, assemblés l’un à l’autre selon au moins un de leurs rebords. Le plancher pour pack batterie ainsi formé permet, avec une étanchéité accrue et de hautes performances thermiques, de supporter des batteries par exemple pour un véhicule tout en les refroidissant.
Selon un mode de réalisation, au moins un élément de plancher comprend peut comprendre un échangeur de chaleur comprenant au moins un canal d’isolation tel que présenté ci-dessus, le canal d’isolation étant disposé d’un côté opposé à celui des rebords, ces derniers étant disposés du côté des batteries. Ainsi, l’environnement extérieur, par exemple sous le véhicule, qui peut être à une température élevée, est isolé des circuits de fluide caloporteur formés dans le fond du pack batterie.
Selon un mode de réalisation, le plancher peut comprendre deux éléments dit d’extrémité, les deux éléments d’extrémité étant munis chacun d’un brancard. Les brancards peuvent notamment être formés pendant une étape d’extrusion, et sont alors monoblocs avec le reste de l’élément d’extrémité concerné. Il n’y a alors pas besoin d’une étape d’assemblage, facilitant la fabrication et réduisant les coûts. Le pack batterie peut ainsi être directement monté sur un véhicule par exemple.
Des modes de réalisation de l’invention seront décrits ci-dessous par référence aux dessins, décrits brièvement ci-dessous :
représente une vue schématique de dessus d’exemple d’un échangeur de chaleur de type plaque froide.
représente une vue en coupe longitudinale d’un premier exemple d’un corps obtenu après notamment extrusion, coupe et usinage de chambres de jonction pour relier les canaux en parallèle, pour la plaque froide de la .
représente une vue d’un côté d’une extrémité ouverte du corps de la .
représente une étape de fermeture par soudage d’une extrémité du corps des figures 2 et 3 selon un premier mode de réalisation à l’aide d’un bouchon.
représente une étape de fermeture d’une extrémité du corps de la selon une variante du premier mode de réalisation de la .
représente une vue en coupe longitudinale d’un deuxième exemple d’un corps obtenu après notamment extrusion, coupe et usinage de chambres de jonction pour relier les canaux en série, pour la plaque froide de la .
représente une étape de fermeture des extrémités du corps de la selon le premier mode de réalisation, dans laquelle chaque extrémité étant fermée à l’aide de plusieurs bouchons.
est une vue similaire à la , pour une variante de réalisation du corps de la , dans lequel les canaux sont reliés en série, et dans lequel chaque extrémité est fermée à l’aide d’un seul bouchon.
est une vue de détail de la selon le cercle IX.
représente l’étape de fermeture pour un corps similaire à celui de la , selon un deuxième mode de réalisation.
est une vue similaire à celle de la , pour une variante de réaliser de l’échangeur de chaleur.
représente une vue en coupe longitudinale de l’échangeur de chaleur de la .
représente une vue tridimensionnelle en perspective surélevée d’un exemple de réalisation d’un plancher pour pack batteries réalisé par assemblage d’éléments de plancher comprenant un échangeur de chaleur conforme à l’invention.
représente une vue tridimensionnelle en perspective surélevée d’un élément de plancher de la .
représente une vue de détail, en perspective de dessus, de l’élément de plancher de la .
représente une vue détail, en perspective de dessous, de l’élément de plancher de la .
représente une vue de face de l’élément de plancher des figures 13 et 14.
représente une vue en coupe transversale suivant la ligne XVIII-XVIII de l’élément de plancher de la .
Sur les dessins, des références identiques désignent des objets identiques ou similaires.

Claims (20)

  1. Procédé de fabrication d’un échangeur (100) de chaleur comprenant :
    • une étape de formation d’un corps (1) principal comprenant au moins un circuit pour un fluide caloporteur, le circuit présentant deux extrémités (6) ouvertes,
    • une étape de fermeture d’au moins une des deux extrémités (6),
    dans lequel l’étape de fermeture d’au moins une des deux extrémités (6) comprend une opération de soudage par friction malaxage par transparence réalisée à l’aide d’au moins une tête (13) de soudage présentant un pion (14) de soudage surmonté d’un épaulement (15), l’opération de soudage comprenant :
    • la traversée par le pion (14) de soudage d’une première paroi (9, 10, 22) jusqu’à ce que l’épaulement vienne en butée contre une surface (3, 23) extérieure de ladite première paroi (9, 10, 22), le pion (14) ayant alors également pénétré au moins une deuxième paroi (9, 10, 22, 12), au moins la première paroi (9, 10, 22) comprenant une paroi du corps (1) principal ;
    • le déplacement de la tête (13) de soudage par guidage de l’épaulement (15) sur la surface (3, 22) extérieure le long d’un chemin de soudure déterminé ;
    • le retrait du pion (14).
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape de formation du corps (1) principal comprend une opération d’extrusion.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la deuxième paroi (9, 10, 22) comprend également une paroi (9,10, 22) du corps (1) principal, différente de la première paroi (9,10, 22), et dans lequel l’étape de fermeture comprend en outre une opération d’emboutissage dans laquelle la première paroi (9,10, 22) et la deuxième paroi (9, 10, 22) sont amenées l’une contre l’autre, à distance du circuit du fluide caloporteur, pour fermer la au moins une extrémité (6), et dans lequel l’opération de soudage comprend la traversée par le pion (14) de soudage de la première paroi (9, 10, 22) jusqu’à ce que l’épaulement (15) vienne en butée contre une surface (3, 23) extérieure, le pion (14) ayant alors également pénétré la deuxième paroi (9, 10, 22).
  4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une étape d’assemblage d’au moins un embout pour l’entrée et/ou la sortie de fluide caloporteur réalisée par soudage par friction rotative.
  5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit de fluide caloporteur comprend au moins deux canaux (7) s’étendant entre les deux extrémités (6), et dans lequel l’étape de formation de corps (1) principal comprend l’usinage d’au moins une chambre (8) de jonction des deux canaux.
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins le corps (1) principal est en aluminium ou en alliage d’aluminium.
  7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’échangeur (100) de chaleur est une plaque froide.
  8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape de fermeture d’au moins une extrémité (6) comprend la mise en place d’au moins un bouchon (12) fermant l’extrémité (6), dans lequel la deuxième paroi comprend le bouchon (12), et dans lequel l’opération de soudage comprend la traversée par le pion (14) de soudage de la première paroi (9, 10, 22) jusqu’à ce que l’épaulement (15) vienne en butée contre une surface (3, 23) extérieure de la première paroi (9, 10, 22), le pion (14) ayant alors également pénétré le bouchon (12).
  9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel l’opération de soudage comprend la traversée par un pion (14) de soudage d’une autre paroi (9, 10) du corps principal, opposée à la première paroi (9, 10), jusqu’à ce qu’un épaulement (15) surmontant le pion (14) vienne en butée contre une surface (3) extérieure de l’autre paroi (9, 10) du corps principal, le pion (14) ayant alors également pénétré le bouchon.
  10. Echangeur (100) de chaleur obtenu par le procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le corps (1) principal est délimité par au moins une paroi (9, 10, 11) d’épaisseur inférieure ou égale à 5mm.
  11. Echangeur (100) de chaleur obtenu par le procédé de fabrication selon la revendication 8 ou la revendication 9, dans lequel l’épaisseur d’au moins une paroi (9, 10, 11) du corps (1) principal est inférieure à la moitié de l’épaisseur du bouchon (12).
  12. Echangeur (100) de chaleur selon la revendication 10 ou la revendication 11, comprenant de plus au moins un canal (20) d’isolation, formant écran thermique entre deux surfaces (3) principales extérieures de l’échangeur (100) de chaleur.
  13. Echangeur (100) de chaleur selon l’une quelconque des revendications 10 à 12, comprenant de plus un embout d’entrée (4) du fluide caloporteur et un embout de sortie (5) du fluide caloporteur sur le circuit, au moins l’un des embouts d’entrée et de sortie étant assemblé sur le corps par friction rotative.
  14. Echangeur (100) de chaleur selon l’une quelconque des revendications 10 à 13, comprenant une paroi (9) supérieure et une paroi (10) inférieure, à distance l’une de l’autre suivant une première direction, le circuit de fluide caloporteur comprenant au moins deux canaux (7) s’étendant suivant une deuxième direction et à distance l’un de l’autre suivant une troisième direction, la première direction, la deuxième direction et la troisième direction étant perpendiculaires entre elles.
  15. Elément (201, 201’) de plancher pour pack batterie, l’élément (201, 201’) comprenant un fond (202) et des rebords (203, 204) s’élevant d’un côté à partir du fond (202), l’élément (201, 201’) étant caractérisé en ce que le fond (202) comprend au moins un échangeur (100) de chaleur selon l’une quelconque des revendications 10 à 14.
  16. Elément (201, 201’) de plancher selon la revendication précédente, dans lequel l’échangeur (100) de chaleur et les rebords (203, 204) sont monoblocs.
  17. Elément (201, 201’) de plancher selon l’une quelconque des revendications 15 ou 16, comprenant deux rebords (203) longitudinaux en vis-à-vis et deux rebords (204) transversaux s’étendant en vis à vis, et dans lequel les rebords (203) longitudinaux sont soudés aux rebords (204) transversaux.
  18. Plancher (200) pour pack batteries comprenant au moins deux éléments (201, 201’) de plancher selon l’une quelconque des revendications 15 à 17, assemblés l’un à l’autre selon au moins un de leurs rebords (203, 204).
  19. Plancher (200) selon la revendication précédente, dans lequel au moins un élément (201, 201’) de plancher comprend un échangeur (100) de chaleur selon la revendication 12, le canal (20) d’isolation étant disposé d’un côté opposé à celui des rebords (203, 204).
  20. Plancher (200) selon la revendication 18 ou la revendication 19, comprenant deux éléments (201’) dit d’extrémité, les deux éléments (201’) d’extrémité étant munis chacun d’un brancard (206).
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