Brevet FR2742856A1 — publié le 19970627

L'invention concerne un échangeur de chaleur pour véhicule automobile dans lequel au moins un fluide traverse une structure maillée tridimensionnelle perméable. L'invention concerne plus particulièrement un échangeur de chaleur pour véhicule automobile, du type comportant une première enceinte dans laquelle circule un premier fluide, et une seconde enceinte dans laquelle circule un second fluide, du type dans lequel la seconde enceinte traverse la première enceinte et dans lequel les deux enceintes sont séparées de manière étanche par une paroi d ' i nte rfa ce . Dans un tel type d'échangeur, la quantité de chaleur échangée par unité de temps dépend essentiellement - d'un coefficient d'échange global qui dépend de la nature des fluides, de leur vitesse de circulation, des éventuelles turbulences mais aussi de la nature du matériau dans lequel est réalisée la paroi d'interface - de l'écart de température entre les deux fluides ; et - de la surface d'échange en contact avec chacun des fluides. On le sait, la conception actuelle des véhicules automobiles vise à réduire l'espace réservé aux organes mécaniques pour privilégier l'espace réservé aux occupants du véhicule. II apparaît donc fortement souhaitable de pouvoir réduire le volume des divers échangeurs de chaleur généralement utilisés dans un véhicule, tels que le radiateur de refroidissement du liquide de refroidissement du moteur, tels que l'aérotherme du dispositif de chauffage et de climatisation de l'habitacle ou tels que le radiateur de refroidissement du circuit de lubrification du groupe motopropulseur. Dans le but de diminuer le volume d'un échangeur tout en conservant la même quantité de chaleur échangée par unité de temps, il est nécessaire d'augmenter le rapport entre la surface d'échange en contact avec au moins l'un des fluides et le volume occupé par cette surface d'échange. A cet effet, il est connu d'utiliser une surface d'échange muni d'ailettes qui permettent d'augmenter ce rapport. II a déjà été proposé par ailleurs d'utiliser, dans la conception de l'échangeur, des matériaux poreux perméables qui permettent d'augmenter de manière importante la surface d'échange par unité de volume, mais les matériaux poreux utilisés jusqu'à présent, dans le cadre de la réalisation d'un échangeur, sont du type à matrice non consolidée. Dans un tel type de matériau poreux, les particules métalliques sont empilées mais il n'existe pas de liaison métallurgique entre les particules formant le matériau poreux si bien que les échanges de chaleur entre les différentes particules sont faibles, ce qui conduit à une conductivité thermique du matériau poreux inférieure à celle d'un matériau poreux homogène constitué par ces mêmes particules. Aussi, dans le but d'augmenter la quantité de chaleur échangée par unité de volume et par unité de temps d'un échangeur, I'invention propose un échangeur du type vu précédemment, caractérisé en ce que la paroi d'interface porte, au moins sur une face, une structure perméable, réalisée sous la forme d'un réseau maillé tridimensionnel à continuité de matière, analogue à la phase continue d'une mousse à cellules ouvertes, et en ce que la structure perméable est liée à la paroi d'interface par continuité de matière. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - la structure perméable est réalisée par frittage de particules élémentaires; - les particules élémentaires sont des fibres - la structure perméable est une mousse métallique - la structure perméable est réalisée en matériau métallique à forte conductivité thermique - la structure perméable est réalisée venue de matière avec la paroi d'interface. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique représentant un échangeur de chaleur selon l'invention; ; et - la figure 2 représente un exemple de réalisation d'une structure perméable réalisée sous la forme d'un réseau maillé tridimensionnel à continuité de matière. On a représenté sur la figure 1, de manière schématique, un échangeur de chaleur 10 à fluides séparés qui comporte une première enceinte 12, constituée dans l'exemple par une conduite 14, dans laquelle un premier fluide est susceptible de circuler. De manière générale, ce premier fluide parcourt la conduite 14 avec un certain débit sous l'action par exemple d'une pompe (non représentée). Le premier fluide est destiné à échanger une quantité de chaleur avec un second fluide contenu dans une seconde enceinte 16 qui, dans l'exemple représenté, est constituée d'une série de tubes 18 qui traversent la conduite 14 selon une direction D2 sensiblement perpendiculaire à la direction générale D1 de la conduite 14 qui est aussi la direction d'écoulement du premier fluide. Le second fluide est généralement à circulation forcée dans la seconde enceinte 16. Dans le cas d'un échangeur 10 réalisé selon l'état de la technique, la surface d'échange de chaleur disponible dans un tel type d'installation est égal à la somme des surfaces latérales des tronçons de tube 18 qui sont compris à l'intérieur de la conduite 14 et qui forment ainsi une paroi d'interface au contact du premier et du second fluide. Comme on le sait, cette surface est relativement réduite comparée au volume occupé par les tubes 18. Aussi, conformément aux enseignements de l'invention, les tubes 18 sont munis sur leur surface extérieure 20, sur leur tronçon traversant la conduite 12, d'une structure perméable 22, qui est réalisée sous la forme d'un réseau tridimensionnel à continuité de matière et qui est au contact du premier fluide. La structure tridimensionnelle 22 à continuité de matière est réalisée avec un matériau à forte conductivité thermique, et notamment en matériau métallique. Une structure tridimensionnelle à continuité de matière, également appelée milieu poreux à matrice consolidée, se distingue des milieux poreux non consolidés en ce qu'il existe dans toute la structure une continuité de la matière. De préférence, dans le cas où la première enceinte est une enceinte au moins partiellement fermée comme dans le cas de la conduite 14, on a intérêt à ce que la totalité du premier fluide soit au contact de la structure tridimensionnelle 22 et qu'ainsi celle-ci remplisse entièrement une section de la conduite 14 selon un plan perpendiculaire à l'écoulement du premier fluide. Dans le cas où la première enceinte 12 est une enceinte ouverte, et c'est notamment le cas pour un radiateur de circuit de liquide de refroidissement de véhicule automobile, les limites de la structure tridimensionnelle 22 seront imposées par des considérations d'encombrement de l'échangeur 10. On a représenté sur la figure 2 un exemple de réalisation d'une structure tridimensionnelle 22 conforme aux enseignements de l'invention et l'on peut voir que la structure 22 est constituée de branches 24 reliées entre elles par des noeuds 26 qui assurent une continuité de la matière tout en laissant subsister entre les branches 24 des interstices propres à rendre la structure perméable afin qu'elle soit traversée par le fluide. Selon un autre aspect de l'invention, il est nécessaire également que la structure tridimensionnelle 22 soit solidaire de la paroi d'interface constituée par la surface latérale 20 des tubes 18 qui est comprise à l'intérieur de la première enceinte 12. De la sorte, l'énergie calorifique échangée entre chacune des branches 24 et le premier fluide est transférée par conduction à travers la structure tridimensionnelle 22 sans avoir à vaincre les résistances thermiques d'interface inhérentes à des structures sans continuité de matière. On assure ainsi une conduction optimale de l'énergie calorifique entre chacune des branches 24 et la paroi d'interface. Dans cet exemple, on a choisi de ne disposer la structure tridimensionnelle 22 à continuité de matière que sur un côté de la paroi d'interface, mais il peut être intéressant de disposer une telle structure de chaque côté de la paroi d'interface, c'est-à-dire également à l'intérieur des tubes 18, afin d'augmenter encore l'efficacité de l'échangeur 10. En faisant varier le nombre de branches 24 par unité de volume de structure tridimensionnelle 22, ou en variant l'épaisseur des branches 24, on fait varier la perméabilité de la structure maillée pour adapter l'échangeur 10 aux caractéristiques requises pour son fonctionnement et, notamment, pour adapter sa perméabilité en fonction des débits de chacun des fluides et de la puissance thermique à échanger. La structure tridimensionnelle 22 peut être obtenue à l'aide de différents moyens. Elle peut par exemple être obtenue par frittage de particules élémentaires métalliques, et notamment par frittage de fibres courtes ou de billes, ce qui est obtenu par chauffage des particules métalliques en atmosphère réductrice à une température inférieure à la température de fusion du métal, ou des métaux, constituant les particules. II est alors possible de faire varier la perméabilité de la structure tridimensionnelle 22 en faisant varier la taille des particules élémentaires ou en modifiant les conditions de frittage. La structure tridimensionnelle 22 qui est représentée sur les figures 1 et 2 est représentative d'une mousse métallique. De telles mousses métalliques peuvent être obtenues en remplissant de métal une matrice poreuse réalisée par exemple à base de polyuréthanne. Le remplissage s'obtient généralement à l'aide d'une réaction chimique complétée, éventuellement, d'un dépôt par voie électrolytique. Ensuite, la matrice organique est éliminée, par exemple par chauffage ou par attaque chimique, pour ne laisser subsister que la mousse métallique. Un autre mode d'obtention d'une mousse métallique consiste à combiner une poudre métallique avec un agent moussant. Le mélange est fortement compacté et chauffé à une température supérieure à la température de fusion du métal. L'agent moussant provoque alors une expansion de la matière qui crée la mousse métallique. Quel que soit le type de structure tridimensionnelle utilisée, sa fixation sur la paroi d'interface peut être réalisée par frittage, par soudure autogène, ou par brasure avec métal d'apport. II est à noter toutefois que, de manière avantageuse, on pourra, en utilisant une mousse métallique, réaliser la paroi d'interface, qui doit être étanche, venue de matière avec la mousse métallique afin de garantir une conduction optimale de la chaleur entre la paroi d'interface et la mousse métallique. Bien entendu, différents matériaux métalliques peuvent être utilisés tels que le cuivre, le nickel, le plomb, I'aluminium ou leurs alliages. Une telle conception d'un échangeur de chaleur permet de réduire le volume de l'échangeur dans un rapport de l'ordre de 4, pour une puissance transférée équivalente, et elle est donc particulièrement bien adaptée pour les échangeurs de chaleur de véhicules automobiles. Cette conception peut par exemple être utilisée pour un radiateur de circuit de refroidissement du moteur, pour un radiateur de refroidissement d'huile ou pour un évaporateur ou un condenseur d'un dispositif de climatisation de l'habitacle. REVENDICATIONS 1. Échangeur de chaleur pour véhicule automobile, du type comportant une première enceinte (12) dans laquelle circule un premier fluide, et une seconde enceinte (16) dans laquelle circule un second fluide, du type dans lequel la seconde enceinte (16) traverse la première enceinte (12) et dans lequel les deux enceintes (12, 16) sont séparées de manière étanche par une paroi d'interface, caractérisé en ce que la paroi d'interface porte, au moins sur une face, une structure perméable (22), réalisée sous la forme d'un réseau maillé tridimensionnel à continuité de matière, analogue à la phase continue d'une mousse à cellules ouvertes, et en ce que la structure perméable (22) est liée à la paroi d'interface par continuité de matière. 2. Échangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure perméable (22) est réalisée par frittage de particules élémentaires. 3. Échangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les particules élémentaires sont des fibres. 4. Échangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure perméable (22) est une mousse métallique. 5. Échangeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la structure perméable (22) est réalisée en matériau métallique à forte conductivité thermique. 6. Échangeur selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que la structure perméable (22) est réalisée venue de matière avec la paroi d'interface.