Brevet FR3060725A1 — publié le 20180622

Echangeur de chaleur à plaques, dispositif de stockage d'énergie et leur procédé de fabrication [001]L'invention concerne le domaine des échangeurs de chaleur à plaques, des dispositifs de stockage d'énergie et des procédés de fabrication de tels échangeurs de chaleur à plaques, notamment pour le refroidissement des batteries pour véhicules hybrides ou véhicules électriques. [002] Plus précisément, l'invention concerne le domaine des échangeurs de chaleur à plaques. [003]Un des points critiques de la conception de tels échangeurs concerne le vieillissement des batteries lorsqu'elles sont sujettes à des températures trop élevées. En effet, une température mal contrôlée peut conduire à l'endommagement durable des batteries. [004]On connaît déjà des échangeurs de chaleur à plaques pourvus de canaux. Ces canaux, où circule un fluide caloporteur, permettent de prélever des calories aux batteries et de les restituer à distance de l'échangeur de chaleur. Cependant, le fluide circulant à l'intérieur de ces canaux présente un mouvement laminaire. Par conséquent, la chaleur s'accumule au niveau de la couche limite du fluide, ne permettant pas d'obtenir une température homogène à l'intérieur du refroidisseur de batterie. [005] Dans le but de favoriser l'échange thermique à l'intérieur des refroidisseurs de batteries, on a commencé à mettre au point des échangeurs à plaques pourvus de canaux comprenant des turbulateurs. [006]On connaît de tels types d'échangeur de chaleur, par exemple dans le document KR 20140138412. De tels turbulateurs ont pour but de perturber l'écoulement de fluide en créant des turbulences à l'intérieur des canaux, favorisant ainsi le décollement de la couche limite du fluide à l'intérieur des canaux, ce qui conduit à une meilleure homogénéité de la température du fluide et donc un refroidissement des batteries plus efficace. [007] Toutefois, cette solution n'est pas parfaite. En effet, les turbulateurs du document mentionnés ci-dessus sont emboutis sur le fond des canaux, diminuant ainsi la surface d'échange entre le fluide et la batterie disposée au contact de cette plaque. [008]Afin de répondre à ces contraintes combinées, il est proposé ici un échangeur de chaleur à plaques comprenant une première et une deuxième plaques jointes de manière étanche aux liquides par leurs bords périphériques, la première plaque étant emboutie de sorte à former une pluralité de canaux séparés par des nervures en reliefs, l'échangeur de chaleur comprenant une interface de connexion fluidique à des tuyaux d'arrivée et de sortie de fluide caloporteur, caractérisé en ce que lesdites nervures présentent des protubérances espacées sur toute la longueur de la nervure et jouant le rôle de turbulateur, lesdites protubérances débordant sur une partie seulement de la largeur du canal adjacent à la nervure, réduisant ainsi la largeur du canal. [009] La disposition des turbulateurs sur les nervures délimitant les canaux et la limitation du nombre turbulateurs présents sur le fond du canal permettent une optimisation de la surface d'échange entre le refroidisseur de batterie et la batterie, en plus d'une amélioration de l'échange thermique grâce aux perturbations engendrées dans l'écoulement du fluide au sein de l'échangeur de chaleur à plaques. 3060725 2 [010]Selon une réalisation, un canal est défini par une nervure comprenant des protubérances et une nervure ne comprenant pas de protubérances. 5 [011]Selon une réalisation, un canal est défini par deux nervures comprenant des protubérances. [012]Selon une réalisation, les protubérances sont arrangées en quinconce le long d'une nervure. [13] Selon une réalisation, les protubérances sont trouées en leur centre. 10 [14] Selon une réalisation, les bords périphériques de la première plaque comprennent des protubérances. [015]Selon une réalisation, le fond d'un canal comprend des protubérances. 15 [016] Selon une réalisation, la surface extérieure de la deuxième plaque est plane. [017]La présente invention vise aussi un dispositif de stockage d'énergie avec refroidisseur de batterie, comprenant une batterie et un tel échangeur de chaleur à plaques. 20 [018]Selon une réalisation, le dispositif de stockage d'énergie avec refroidisseur de batterie comprend deux batteries. [019]La présente invention vise aussi un procédé de fabrication d'un échangeur à plaques qui comprend la jonction d'une première et d'une deuxième plaque de manière étanche aux liquides par leurs bords périphériques, 25 l'emboutissage de la première plaque de sorte à former une pluralité de canaux séparés par des nervures en relief, l'échangeur de chaleur à plaques comprenant une interface de connexion fluidique à des tuyaux d'arrivée et de sortie de fluide caloporteur, caractérisé en ce que lesdites nervures présentent des protubérances espacées sur toute la longueur de la nervure et jouant le rôle de turbulateur, lesdites protubérances débordant sur une partie seulement de la largeur du canal adjacent à la nervure, réduisant ainsi la largeur du canal. 30 [020]On décrit maintenant brièvement les figures des dessins. [021]La figure 1 est une vue schématique représentant un dispositif de stockage d'énergie électrique avec refroidisseur de batterie. 35 [22] Les figures 2a et 2b sont respectivement des vues de dessus de la surface extérieure et intérieure de la première plaque selon un mode de réalisation. [23] Les figures 3a et 3b sont respectivement des vues de dessus de la surface extérieure et intérieure de la 40 deuxième plaque. [24] Les figures 4a et 4b sont des vues en perspective comprenant respectivement des coupes transversales d'un canal de l'échangeur de chaleur à plaques au niveau d'une et à l'écart d'une protubérance. 3060725 3 [025] La figure 5 est une coupe agrandie d'une protubérance lorsque la première et la deuxième plaques sont assemblées. 5 [026]Ci-après un exposé détaillé de plusieurs modes de réalisation de l'invention assorti d'exemples et de référence aux dessins. [27] L'invention a pour objet un dispositif de stockage d'énergie électrique 1 avec refroidisseur de batteries, dont un exemple est visible sur la figure 1. Selon un premier mode de réalisation, un dispositif de stockage d'énergie 10 comprend deux batteries 2, 3 adaptées pour stocker de l'énergie électrique ainsi qu'un échangeur de chaleur à plaques 4 adapté pour refroidir les batteries. Dans l'exemple présenté, l'échangeur de chaleur à plaques 4 est disposé entre les deux batteries 2, 3. [28] L'échangeur de chaleur à plaques 4 présente une forme de faible épaisseur et comporte deux surfaces 15 extérieures principales 8b, 14b. Comme cela est visible sur la figure 1, les deux batteries 2, 3 sont chacune placées en contact direct avec une des deux surfaces extérieures 8b, 14b de l'échangeur de chaleur à plaques 4. Cette disposition permet un échange thermique direct par conduction entre l'échangeur de chaleur à plaques 4 et les deux batteries 2, 3. 20 [029] L'échangeur de chaleur à plaques 4 peut comprendre une interface de connexion fluidique 5 à des tuyaux d'arrivée 6 et de sortie 7 de fluide caloporteur reliés à des conduites de fluide. Cette interface de connexion fluidique 5 est avantageusement située à l'un des coins de l'échangeur de chaleur à plaques 4, les tuyaux d'arrivée 6 et de sortie 7 de fluide caloporteur pouvant par exemple être adjacents l'un à l'autre et perpendiculaires par rapport aux surfaces extérieures 8b, 14b de l'échangeur de chaleur à plaques 4 en contact 25 avec les batteries 2, 3. Cette interface de connexion fluidique 5 va permettre d'alimenter en fluide l'échangeur de chaleur à plaques 4. Les tuyaux d'arrivée 6 et de sortie 7 de fluide caloporteur sont assemblés à l'échangeur de chaleur à plaques 4 de manière étanche, afin d'éviter toute fuite. Un fluide caloporteur froid peut par exemple être introduit dans l'échangeur de chaleur à plaques 4 au moyen du tuyau d'arrivée 6, et ressortir chaud par le tuyau de sortie 7 de fluide à la fin de son passage à l'intérieur de l'échangeur de chaleur à plaques 4. Un tel écoulement 30 à l'intérieur de l'échangeur de chaleur à plaques 4 permet un échange thermique par conduction et convection entre l'échangeur de chaleur à plaques 4 et les deux batteries 2, 3, favorisant ainsi le refroidissement des batteries 2, 3. [030] L'échangeur de chaleur à plaques 4 comprend deux plaques 8, 14 jointes de manière étanche aux liquides. 35 On se réfère plus particulièrement aux figures 2a et 2b illustrant respectivement une surface intérieure 8a et une surface extérieure 8b d'une première plaque 8. La première plaque 8 est par exemple de forme généralement rectangulaire. On peut également prévoir une excroissance 9 par rapport à cette forme générale rectangulaire. L'interface de connexion fluidique 5 peut par exemple être située au niveau cette excroissance 9. 40 [031] La surface intérieure 8a de la première plaque 8 comprend une pluralité de canaux 10 délimités par des nervures 11 en relief. Les canaux 10 sont parallèles les uns par rapport aux autres. Les canaux 10 sont également parallèles aux bords périphériques de la première plaque 8. Un canal le plus extérieur s'étend à partir du tuyau d'arrivée 6 de fluide caloporteur le long du bord périphérique adjacent au tuyau d'arrivée 6 définissant la plus grande longueur de la première plaque 8. Ce canal 10 effectue un virage le long du bord périphérique 45 définissant la largeur de la première plaque 8. Ce canal 10 effectue un second virage pour suivre le bord 3060725 4 périphérique de la première plaque 8 définissant la plus courte longueur de la première plaque 8. Ce canal 10 effectue un troisième virage pour rejoindre le niveau du tuyau de sortie 7 de fluide caloporteur. Les autres canaux 10 suivent une géométrie similaire, en étant adjacents les uns aux autres en progressant radialement vers le 5 centre de la plaque 8. Les canaux 10 se rejoignent au niveau du tuyau de sortie 7. [032]Les canaux 10 ont avantageusement la même largeur. Les canaux 10 les plus proches des bords périphériques de la première plaque 8 ont une longueur totale plus élevée que les canaux 10 les plus éloignés des bords périphériques de la première plaque 8. Les bords périphériques de la première plaque 8 sont 10 également en relief. Ils délimitent un côté du canal 10 le plus proche des bords périphériques. Une nervure centrale 13 peut s'étendre à partir de l'interface de connexion fluidique 5. La nervure centrale 13 sépare la zone d'arrivée du fluide caloporteur de la zone de sortie de fluide caloporteur. La nervure centrale 13 peut également servir de délimitation du canal 10 le plus éloigné des bords périphériques de la première plaque 8. 15 [033] Plus précisément, les deux nervures 11 en relief séparant un canal 10 de la première plaque 8 peuvent présenter des protubérances 12 espacées le long des nervures 11. Ces protubérances 12 peuvent par exemple être agencées en quinconce le long des nervures 11. Dans l'exemple présenté figure 2a, les protubérances débordent symétriquement par rapport à l'axe que forme la nervure 11 sur une partie seulement des canaux 10 délimités par une nervure 11. Comme visible sur la figure 4b, la largeur de la nervure 11 augmente au niveau de 20 la protubérance 12, la largeur du canal 10 étant ainsi diminuée au niveau de la protubérance 12 présente sur la nervure 11 délimitant le canal 10. Dans un exemple particulier, on peut prévoir des protubérances 12 sur une seule des deux nervures 11 délimitant un canal 10. Les protubérances 12 sont de forme généralement conique, comme visible sur la figure 2a. De préférence, elles sont trouées en leur centre. 25 [034] Le fluide circulant dans les canaux 10 s'écoule autour de ces protubérances 12. Le mouvement ainsi imposé au fluide permet de former des écoulements turbulents à proximité des protubérances 12. Cela favorise l'échange thermique au sein de l'échangeur de chaleur à plaques 4 car les zones d'écoulement turbulent du fluide vont permettre une répartition homogène des calories transportées par le fluide. 30 [035]Selon un exemple, d'autres protubérances 16 peuvent par exemple être présentes sur le fond du canal 10, favorisant l'apparition d'un écoulement turbulent à l'intérieur du canal 10. De telles protubérances 16 peuvent par exemple être présentes à l'entrée de la multitude de canaux 10 afin d'imposer au fluide entrant un mouvement turbulent, ou par exemple au niveau du coude formé par les canaux 10 ou encore par exemple au niveau de la zone de sortie du fluide. Ces protubérances 16 particulières peuvent être de forme convexe, diminuant, 35 orthogonalement au plan général de l'échangeur de chaleur à plaques, la section de passage du fluide dans les canaux 10. Dans un autre exemple, les bords périphériques de la première plaque 8 comprennent également des protubérances 12. Comme visible sur la figure 4b, ces protubérances 12 sont de forme généralement conique. [36] Comme visible sur la figure 2b, la surface extérieure 8b de la première plaque 8 reproduit la forme des 40 canaux 10. La surface d'échange entre la batterie 2 et la surface extérieure 8b de la première plaque 8 est le fond des canaux 10. Ainsi, la présence de protubérances 12 sur les nervures 11 ne diminue pas notablement la surface de contact entre la batterie 2 et la surface extérieure 8b de la première plaque 8. [37] Les figures 3a et 3b illustrent respectivement une surface intérieure 14a et la surface extérieure 14b de la 45 deuxième plaque 14 constituant l'échangeur de chaleur à plaques 4. La deuxième plaque 14 a les mêmes 3060725 5 dimensions et la même forme que la première plaque 8. Selon un mode de réalisation, la surface extérieure 14b de la première plaque 14 est plane. La surface intérieure 14a peut présenter des picots 17. Ces picots 17 se trouvent face aux protubérances 12 de la première plaque 8 lorsque l'échangeur de chaleur 4 en position 5 d'assemblage. Après assemblage de la première plaque 8 et de la deuxième plaque 14, les picots 17 présents sur la surface intérieure 14a sont sertis à travers les trous 18 des protubérances 12. [038] Les deux plaques 8, 14 formant l'échangeur de chaleur à plaques 4 sont en métal. La formation des canaux 10 sur la première plaque 8 se fait par un processus d'emboutissage. Les protubérances 12 sont créées à partir 10 de ce même processus. En pratique, la forme de la plaque est générée par emboutissage. L'emboutissage se fait en plusieurs passes par exemple dans un outil à suivre ou sur une presse transfert. De ce fait, la première plaque 8 est faite d'une seule pièce, de même que la deuxième plaque 14 est faite d'une seule pièce. Comme visible sur les figures 2a à 3b, la première et la deuxième plaques 8, 14 comprennent chacune par exemple six ailettes 15 percées en leur centre. Quatre de ces ailettes 15 sont disposées par exemple symétriquement sur les bords 15 périphériques de plus grande longueur des deux plaques 8, 14, et deux de ces ailettes 15 peuvent être disposées symétriquement sur les deux bords périphériques de plus petite longueur des deux plaques 8, 14. Ces ailettes 15 vont permettre un assemblage des deux plaques 8, 14 l'une contre l'autre, leurs surfaces intérieures 8a, 14a se faisant face. 20 [039]Les deux plaques 8, 14 peuvent également être jointes par un processus de brasage par leurs bords périphériques. Comme visible sur la figure 5, la présence de protubérances 12 sur les nervures 11 de la première plaque 8 va permettre d'amorcer le brasage, les picots 17 sertis dans les protubérances 12 avec trous servant de point de contact pour le brasage entre les deux plaques 8, 14. Un métal de brasage est plaqué sur les surfaces intérieurs 8a et 14a des deux plaques 8, 14 La liaison mécanique obtenue par ce double moyen de jonction des 25 deux plaques 8, 14 permet une tenue mécanique entre les deux plaques et améliore la résistance de l'échangeur de chaleur à plaques 4 à la pression, limitant sa déformation à long terme. [040] Un exemple d'utilisation d'un échangeur à plaques 4 selon cette invention est donné ci-après. 30 [041] Le fluide caloporteur est introduit au moyen du tuyau d'arrivée 6 de l'interface de connexion fluidique 5 entre l'échangeur de chaleur à plaques 4 et les conduites de fluide extérieures au système (non représentées). Le fluide se sépare alors dans la multitude de canaux 10 formés par les nervures 11 en reliefs. Les protubérances 12 présentes le long des nervures 11 vont permettre de réduire la largeur de la section de passage du fluide le long des canaux 10, favorisant ainsi une augmentation du coefficient d'échange thermique grâce à une 35 homogénéisation des calories portées par le fluide caloporteur le long des canaux 10, comme c'est visible sur la figure 4a. Les protubérances 12 et 16 présentes respectivement le long des bords périphériques et sur le fond des canaux 10 de la première plaque 8 vont également permettre de favoriser l'apparition de zones d'écoulement turbulent. Les écoulements turbulents créés par les protubérances 12 et 16 au sein de l'échangeur de chaleur à plaques 4 vont permettre le décollement de la couche limite du fluide dans chacun des canaux 10, évitant ainsi 40 l'accumulation de chaleur au niveau de la couche limite. Le fluide s'écoule de cette façon jusqu'au tuyau de sortie 7 de fluide. Avantageusement, un fluide caloporteur circule de manière continue au sein de l'échangeur de chaleur à plaques 4 afin de réguler constamment la température des batteries 2, 3 faisant partie du dispositif de stockage d'énergie 1. 3060725 6 [042] Bien entendu, la présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites ci-avant à titre d'exemples ; elle s'étend à d'autres variantes. Par exemple, le dispositif de stockage d'énergie 1 ne comprend qu'une batterie 2 ou 3, accolée à la surface extérieure 14b de la deuxième plaque 14. Références : 5 10 dispositif de stockage d'énergiel batterie 2 batterie 3 15 échangeur de chaleur à plaques 4 Interface de connexion fluidique 5 Tuyau d'arrivée 6 Tuyau de sortie 7 Première plaque 8 30 35 40 45 20 Excroissance 9 Canal 10 Nervure 11 Protubérance 12 Nervure centrale 13 25 Deuxième plaque 14 Ailette 15 Turbulateurs 16 Picot 17 50 REVENDICATIONS1. Échangeur de chaleur à plaques (4) comprenant une première et une deuxième plaques (8, 14) jointes de manière étanche aux liquides par leurs bords périphériques, 25 la première plaque (8) étant emboutie de sorte à former une pluralité de canaux (10) séparés par des nervures (11) en reliefs, l'échangeur de chaleur à plaques (4) comprenant une interface de connexion fluidique (5) à des tuyaux d'arrivée (6) et de sortie (7) de fluide caloporteur, Caractérisé en ce que 30 Lesdites nervures (11) présentent des protubérances (12) espacées sur toute la longueur de la nervure (11) et jouant le rôle de turbulateur, lesdites protubérances (12) débordant sur une partie seulement de la largeur du canal (10) adjacent à la nervure (11), réduisant ainsi la largeur du canal (10). 35 2. Échangeur de chaleur à plaques (4) selon la revendication 1, dans lequel un canal (10) est défini par deux nervures (11) comprenant des protubérances (12). 3060725 8 3. Échangeur de chaleur à plaques (4) selon la revendication 2, dans lequel les protubérances (12) sont arrangées en quinconce le long d'une nervure (11). 4. Échangeur de chaleur à plaques (4) selon les revendications 1 à 3, dans lequel les bords périphériques de la première plaque (8) comprennent des protubérances (12). 5. Échangeur de chaleur à plaques (4) selon les revendications 1 à 4, dans lequel les protubérances (12) sont trouées en leur centre. 6. Échangeur de chaleur à plaques (4) selon les revendications 1 à 5, dans lequel le fond du canal (10) comprend des protubérances (16). 7. Échangeur de chaleur à plaques (4) selon les revendications 1 à 6 dans lequel la surface extérieure (14b) de la deuxième plaque (14) est plane. 8. Echangeur de chaleur à plaques (4) selon les revendications 1 à 7 dans lequel la surface intérieure (14a) de la deuxième plaque (14) présente des picots (17). 9. Dispositif de stockage d'énergie (1) électrique avec refroidisseur de batterie, comprenant une batterie (2 ou 3) et un échangeur de chaleur à plaques (4) selon les revendications 1 à 8. 10. Dispositif de stockage d'énergie (1) électrique avec refroidisseur de batterie selon la revendication 1, comprenant deux batteries (2, 3) disposées de part et d'autre de l'échangeur de chaleur à plaques (4). 11. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur à plaques (4) qui comprend : - l'emboutissage d'une première plaque (8) de sorte à former une pluralité de canaux (10) séparés par des nervures (11) en relief, - la jonction de ladite première plaque (8) et d'une deuxième plaque (14) de manière étanche aux liquides par leurs bords périphériques, , l'échangeur de chaleur à plaques (4) comprenant une interface de connexion fluidique (5) à des tuyaux d'arrivée (6) et de sortie (7) de fluide caloporteur, caractérisé en ce que, lors de l'emboutissage de la première plaque (8), on forme des protubérances (12) espacées sur toute la longueur de la nervure (11) et jouant le rôle de 3060725 9 turbulateur, lesdites protubérances (12) débordant sur une partie seulement de la largeur du canal (10) adjacent à la nervure, réduisant ainsi la largeur du canal (10).