Brevet FR3064735A1 — publié le 20181005

DISPOSITIF D'ECHANGE THERMIQUE POUR VEHICULE AUTOMOBILE L'invention concerne un dispositif d'échange thermique pour véhicule automobile, comprenant au moins une portion d'échange thermique délimitant une surface d'échange thermique entre un premier fluide et un deuxième fluide. La surface d'échange thermique est généralement définie pour un régime moteur spécifique, dit de pleine charge, qui n'est que très rarement voire jamais atteint pendant la durée de vie du véhicule. De ce fait, la surface d'échange thermique est surdimensionnée par io rapport aux conditions normales d'utilisation, ce qui a pour conséquence de réduire l'efficacité d'une boucle thermodynamique associée au dispositif d'échange thermique (puisque la surface d'échange thermique surdimensionnée provoque une perte de charge importante) et d'augmenter la consommation d'énergie du véhicule automobile. 15 Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'échange thermique pour véhicule automobile, comprenant une surface d'échange thermique entre un premier fluide et un deuxième fluide, ladite surface d'échange thermique étant munie d'un substrat et d'une couche constituée d'un matériau à base 20 d'un alliage à mémoire de forme appliquée sur le substrat, dite couche à mémoire de forme, l'alliage à mémoire de forme présentant une transition de phase entre une phase austénite et une phase martensite et une température de transition de phase associée comprise dans un intervalle de températures de l'un du premier fluide et du deuxième fluide dans un état 25 de fonctionnement du dispositif d'échange thermique, le substrat présentant un module de Young supérieur à un module de Young de la couche à mémoire de forme et un coefficient de dilatation du substrat différent d'un coefficient de dilatation de la couche à mémoire de forme. Grâce au dispositif selon la présente invention, la couche à mémoire de 3 0 6 4 7 3 5 2 forme subit une transition de phase en fonction de la température de l'un des fluides pendant l'utilisation du dispositif d'échange thermique, qui, du fait du réarrangement du réseau cristallin et des critères mentionnés relatifs aux module de Young et coefficient de dilatation thermique, engendre un 5 changement de la surface d'échange thermique, rendant celle-ci adaptable aux variations de températures du moteur du véhicule automobile. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'alliage à mémoire de forme comprend du nickel, et/ou du titane, et/ou du cuivre, et/ou de l'aluminium, et/ou du monoxyde de carbone, et/ou du manganèse, et/ou du io styrène anhydride maléique (SMA) plastique. Selon une autre caractéristique de l'invention, le substrat est métallique, par exemple à base d'aluminium. Selon une autre caractéristique de l'invention, le module de Young du substrat est de l'ordre de ou supérieur à 60 GPa. 15 Selon une autre caractéristique de l'invention, la couche à mémoire de forme présente une épaisseur entre 2 pm et 200 pm, de préférence entre 20 pm et 40 pm. Selon une autre caractéristique de l'invention, le substrat présente une épaisseur de l'ordre de ou supérieure à 50 ilm. 20 Selon une autre caractéristique de l'invention, la température de transition est comprise entre 80°C et 100°C, par exemple entre 80°C et 95°C, ou entre 40°C et 60°C. Selon une autre caractéristique de l'invention, le coefficient de dilatation thermique du substrat est inférieur ou égal à une valeur de l'ordre de 75% 25 du coefficient de dilatation thermique de la couche à mémoire de forme ou supérieur ou égal à 125% du coefficient de dilatation thermique de la couche à mémoire de forme. Selon une autre caractéristique de l'invention, la couche à mémoire de 3064735 3 forme est discontinue de sorte à former une pluralité d'éléments à mémoire de forme. Selon une autre caractéristique de l'invention, la couche à mémoire de forme est au moins une persienne d'ailette et/ou au moins une ailette et/ou 5 au moins un turbulateur. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif d'échange thermique, le dispositif comprenant une surface d'échange thermique entre un premier fluide et un deuxième fluide, le procédé comprenant une étape de réalisation d'un substrat et une étape de io dépôt sur le substrat d'une couche constituée d'un matériau à base d'un alliage à mémoire de forme, dite couche à mémoire de forme, l'alliage à mémoire de forme présentant une transition de phase entre une phase austénite et une phase martensite et une température de transition de phase associée comprise dans un intervalle de températures de l'un du 15 premier fluide et du deuxième fluide dans un état de fonctionnement du dispositif d'échange thermique, le substrat présentant un module de Young supérieur à un module de Young de la couche à mémoire de forme et un coefficient de dilatation du substrat étant différent d'un coefficient de dilatation de la couche à mémoire de forme. 20 Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé comprend une étape de chauffage du substrat et de la couche à mémoire de forme à une température supérieure à la température de transition de phase, dite étape de recristallisation, suivie d'une étape de refroidissement du substrat et de la couche à mémoire de forme à une température inférieure à la 25 température de transition de phase. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'étape de dépôt de la couche à mémoire de forme comprend une étape de dépôt d'une pluralité d'éléments à mémoire de forme, le procédé comprenant en outre une étape de découpe de bords de chaque élément à mémoire de forme de sorte que 30 chaque empilement d'élément à mémoire de forme et de substrat est au 3064735 4 moins partiellement disjoint du substrat. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : 5 - la figure 1 illustre un profil d'un dispositif d'échange thermique selon la présente invention pour une première température, dite basse température ; - la figure 2 illustre un profil du dispositif d'échange thermique de la figure 1 pour une deuxième température, supérieure à la io température basse, et dite température haute ; - la figure 3 illustre une vue de dessus d'une partie du dispositif d'échange thermique selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 et 5 illustrent un profil du dispositif de la figure 3 respectivement à basse température et haute température ; 15 - les figures 6 et 7 illustrent un procédé selon la présente invention pour la fabrication du dispositif d'échange thermique de la figure 3 ; - les figures 8 et 9 illustrent une persienne selon la présente invention respectivement à basse température et haute température ; - les figures 10 et 11 illustrent une ailette selon la présente invention 20 respectivement à basse température et haute température ; et - les figures 12 et 13 illustrent un turbulateur selon la présente invention respectivement à basse température et haute température. Dispositif d'échange thermique 25 L'invention a pour objet un dispositif d'échange thermique pour véhicule automobile, référencé 1 sur les figures. 3064735 5 Le dispositif d'échange thermique comprend au moins une portion d'échange thermique 2 délimitant une surface d'échange thermique 3 entre un premier fluide et un deuxième fluide. Le premier fluide peut être l'air ambiant par exemple, et le deuxième fluide peut être un liquide de 5 refroidissement ou de l'eau. La portion 2 comprend un substrat 4 et une couche constituée d'un matériau à base d'un alliage à mémoire de forme appliquée sur le substrat, dite couche à mémoire de forme, et référencée 5 sur les figures. Le substrat 4 est avantageusement métallique, et de préférence en io aluminium. La couche à mémoire de forme 5 est une couche mince, c'est-à-dire ayant une épaisseur comprise entre 2 pm et 200 pm, de préférence entre 20 pm et 40 pm. Le substrat 4 présente une épaisseur supérieure à la couche à mémoire 15 de forme 5, avantageusement de l'ordre de ou supérieure à 50 pm. L'alliage constituant la couche à mémoire de forme 5 présente une transition de phase entre une phase austénite et une phase martensite. L'alliage à mémoire de forme comprend avantageusement du nickel, et/ou du titane, et/ou du cuivre, et/ou de l'aluminium, et/ou du monoxyde de 20 carbone, et/ou du manganèse, et/ou du styrène anhydride maléique (SMA) plastique. Une température de transition de phase associée, notée Tp, est comprise dans un intervalle de températures de l'un du premier fluide et du deuxième fluide dans un état de fonctionnement du dispositif d'échange thermique 1. 25 Par état de fonctionnement du dispositif d'échange thermique, on entend que le dispositif d'échange thermique travaille en conditions d'utilisation dans le véhicule automobile, avec les premier et deuxième fluides circulant dans le dispositif 1 aux températures prévues. 3064 735 6 Ainsi, selon la température du fluide, la couche à mémoire de forme est susceptible de subir une transition de phase, et de se trouver soit dans la phase austénite soit dans la phase martensite. La température de transition de phase peut être adaptée selon la 5 composition de la couche à mémoire de forme 5. Avantageusement, la température de transition est comprise entre 80°C et 100°C, par exemple entre 80°C et 95°C, ou entre 40°C et 60°C. L'intervalle de températures entre 80°C et 100°C permet d'assurer que le dispositif 1 est adapté à une application radiateur haute température. io L'intervalle de températures entre 40°C et 60°C permet d'assurer que le dispositif 1 est adapté à une application radiateur basse température. Le dispositif 1 est tel que le substrat 4 présente un module de Young supérieur à un module de Young de la couche à mémoire de forme 5 et un coefficient de dilatation du substrat 4 différent d'un coefficient de dilatation 15 de la couche à mémoire de forme 5. La différence de coefficient de dilatation permet d'induire un effet bilame, permettant une courbure de la couche à mémoire de forme 5 sur le substrat 4, comme il sera détaillé ultérieurement. La différence de coefficients de dilatation entre le substrat 4 et la couche à mémoire de forme 5 assure ainsi 20 qu'une contrainte est appliquée sur l'alliage à mémoire de forme, de sorte à permettre la transition de phase austénite-martensite. Le module de Young du substrat 4 supérieur au module de Young de la couche à mémoire de forme 5 (notamment supérieur au module de Young de la couche à mémoire de forme dans sa phase martensite) permet en 25 outre de forcer le bilame à revenir à une forme plane lorsque la couche à mémoire de forme change de phase à nouveau. Comme visible sur la figure 1, à basse température, c'est-à-dire à une température inférieure à la température de transition de phase Tp, la 3064735 7 couche à mémoire de forme 5, dans sa phase martensite, présente une forme générale plane, posée sur le substrat 4. Comme visible sur la figure 2, à haute température, c'est-à-dire à une température supérieure à la température de transition de phase Tp, la 5 couche à mémoire de forme 5, dans sa phase austénite, est positionnée à distance du substrat 4. Ainsi, la surface d'échange thermique à haute température est supérieure à la surface d'échange thermique à basse température, l'aire d'échange thermique supplémentaire apportée par la couche à mémoire de forme io contribuant à augmenter l'échange thermique en plus de l'aire du substrat. De ce fait, dans un régime moteur de faible charge, correspondant à une température basse, inférieure à la température Tp, la surface d'échange thermique présente une aire de petite valeur, réduisant les pertes de charge. 15 Dans un régime moteur de forte charge, correspondant à une température haute, supérieure à la température Tp, la surface d'échange thermique présente une aire de plus grande valeur, permettant de meilleures performances de refroidissement, et ainsi un fonctionnement optimal du véhicule automobile. 20 Avantageusement, le module de Young du substrat 4 est de l'ordre de ou supérieur à 60 GPa, en particulier s'il est à base d'aluminium. Comme déjà indiqué, le coefficient de dilatation thermique du substrat 4 est strictement supérieur ou strictement inférieur au coefficient de dilatation thermique de la couche à mémoire de forme 5. 25 De préférence, le coefficient de dilatation thermique du substrat 4 est inférieur ou égal à une valeur de l'ordre de 75% du coefficient de dilatation thermique de la couche à mémoire de forme 5 ou supérieur ou égal à 125% du coefficient de dilatation thermique de la couche à mémoire de forme 5. 3064735 8 Comme illustré sur la figure 3, la couche à mémoire de forme 4 peut être discontinue de sorte à former une pluralité d'éléments à mémoire de forme 6. Chaque élément à mémoire de forme 6 peut par exemple présenter une 5 forme générale trapézoïdale. Selon d'autres réalisations possibles, les éléments à mémoire de forme peuvent prendre toute autre forme adaptée, telle qu'une forme rectangulaire ou semi-circulaire. Comme visible sur la figure 3, chaque trapèze présente une grande base 7 et une petite base 8, opposées et parallèles. io La grande base 7 et la petite base 8 sont reliées l'une à l'autre par deux côtés légèrement arrondis 9. Les trapèzes 6 sont isocèles sur le mode de réalisation illustré à la figure 3. Sur la figure 3, les éléments à mémoire de forme 6 sont alignés dans une 15 bande 10. Comme il ressort également de la figure 3, les éléments à mémoire de forme 6 se succèdent dans la bande 10 de sorte que la grande base 7 de l'un des éléments à mémoire de forme 6 fait face à la grande base 7 de l'élément à mémoire de forme 6 le suivant dans la bande 10. 20 De même, la petite base 8 de l'un des éléments à mémoire de forme 6 fait face à la petite base 8 de l'élément de forme 6 le précédant dans la bande 10. Sur la figure 3, les éléments à mémoire de forme 6 sont d'une épaisseur identique, ce qui assure que les éléments à mémoire de forme subissent les 25 transitions de phase à la même température. Selon une variante non illustrée, les éléments à mémoire de forme présentent des épaisseurs différentes. Dans ce cas, les éléments à mémoire de forme présentent des transitions de phase différentes. 3064735 9 Comme visible sur la figure 3, chaque élément à mémoire de forme 6 est bordé par une découpe 11. La découpe 11 délimite la petite base 8 et les côtés 9 de chaque élément à mémoire de forme 6. La découpe 11 est également pratiquée au moins en 5 partie dans l'épaisseur du substrat 4, de sorte à libérer une partie 4' (voir figure 5) du substrat sur laquelle est appliquée l'élément de à mémoire de forme 6. Comme visible sur la figure 4, un profil à température inférieure à la température de transition Tp de l'ensemble du substrat 4 et de la couche à io mémoire de forme 5 est plat. A cette température basse, chaque élément à mémoire de forme 6 est dans la phase martensite. Dans cette phase, chaque élément à mémoire de forme est plan, posé sur le substrat 4. La figure 5 illustre un profil à température supérieure à la température de 15 transition Tp de l'ensemble du substrat 4 et de la couche à mémoire de forme 5. A cette température haute, chaque élément à mémoire de forme 6 est dans la phase austénite. Dans cette phase, chaque empilement d'élément à mémoire de forme 6 avec le substrat 4 se courbe, de telle sorte que 20 l'élément à mémoire de forme 6 soulève au moins la partie 4' du substrat. Du fait de la découpe 11, la petite base 8 se soulève tandis que la grande base 7 (laquelle n'a pas été découpée du substrat) reste posée sur le substrat 4, engendrant la courbure des côtés 9 entre les deux bases 7 et 8. Deux éléments à mémoire de forme 6 adjacents présentent des profils 25 symétriques relativement à une direction z orthogonale à la bande 10. Grâce au décollement des éléments 6 du substrat 4, la surface d'échange à haute température est supérieure à la surface d'échange thermique à basse température, l'aire de la partie 4' de substrat décollée et 3064735 l'aire de chaque élément à mémoire de forme contribuant à l'échange thermique. Le substrat 4 prendre plusieurs formes. Selon un première alternative possible, le substrat est formé par une paroi du dispositif d'échange de 5 chaleur, notamment si la paroi est en aluminium, sur laquelle on applique la couche à mémoire de forme 5. Selon une deuxième alternative, le substrat peut être un substrat additionnel qui est soudé (par brasage par exemple quand le substrat est à base d'aluminium) ou collé sur une partie au moins du dispositif d'échange io de chaleur. Procédé de fabrication L'invention a également pour objet un procédé de fabrication du dispositif d'échange thermique 1. Le procédé comprend une étape de réalisation du substrat 4. Sur la figure 6, le substrat 4 est un feuillard métallique constitué d'un alliage à base d'aluminium. Bien entendu, le procédé de fabrication n'est pas limité à ce type d'alliage et tout substrat métallique peut éventuellement être utilisé. Le procédé de fabrication comprend également une étape de dépôt sur le substrat 4 de la couche à mémoire de forme 5. Le dépôt peut être effectué par une méthode connue de dépôt de film mince, par exemple de type physique (dépôt physique en phase vapeur, plasma, épitaxie), chimique (dépôt chimique en phase vapeur, dépôt autocatalytique, souvent appelé « electroless »), ou électrochimique (électrodéposition). Pour former les éléments à mémoire de forme 6, le dépôt de l'alliage est 3064735 11 effectué à l'aide d'un masque, ce qui permet de délimiter la surface d'application la couche à mémoire de forme 5 sur le substrat, notamment pour former chaque trapèze des éléments à mémoire de forme 6, comme illustré sur la figure 7. 5 Le procédé de fabrication comprend une étape de chauffage du substrat 4 et de la couche à mémoire de forme 5 à une température supérieure à la température de transition de phase Tp, dite étape de recristallisation, suivie d'une étape de refroidissement du substrat 4 et de la couche à mémoire de forme 5 à une température inférieure à la température de transition de 10 phase Tp. L'étape de chauffage sous contrainte, la contrainte étant appliquée par le substrat 4, permet de faire apparaître la martensite, afin d'amorcer l'effet mémoire de forme. On chauffe par exemple à une température supérieure à 500°C, par 15 exemple de l'ordre de 600°C. Dans le cadre d'un dispositif d'échange de chaleur de type radiateur brasé, cette étape peut par exemple être effectuée lors du brasage du radiateur. Puis le refroidissement permet de retrouver un profil plat des éléments à mémoire de forme 6. 20 Le procédé comprend une étape de formation de la découpe 11 de chaque élément à mémoire de forme 6. La découpe 11 suit les côtés 9 et la petite base 8, comme déjà indiqué. L'étape de découpe peut avoir lieu avant l'étape de recristallisation, mais il est préférable qu'elle soit ultérieure à l'étape de recristallisation, pour 25 éviter toute déformation. De préférence, au cours de l'étape de découpe, la couche à mémoire de forme 5 est découpée avec au moins une partie 4' de l'épaisseur du substrat sur laquelle elle est appliquée. 3064 735 12 Applications Comme visible sur les figures 8 et 9, la couche à mémoire de forme 5 peut être au moins une persienne d'ailette 12 du dispositif d'échange thermique 1. 5 Comme visible sur les figures 10 et 11, la couche à mémoire de forme 5 peut être au moins une ailette. Sur le mode de réalisation illustré sur les figures 10 et 11, les éléments à mémoire de forme 6 sont appliquées sur les parois de tubes d'échange de chaleur 15, de sorte à former des ailettes d'échange de chaleur entre les io deux fluides. Sur cet exemple, les éléments à mémoire de forme sont appliqués sur les parois extérieures des tubes. Toutefois, selon une autre réalisation possible, les éléments à mémoire de forme peuvent être appliqués sur les parois intérieures des tubes. 15 Avantageusement, le substrat 4 et la couche à mémoire de forme 5 sont brasés sur une paroi de tube 15. On note que de préférence, dans cette application, le coefficient de dilatation du substrat est strictement supérieur au coefficient de dilatation de la couche à mémoire de forme, et de préférence supérieur ou égal à 125% 20 du coefficient de dilatation thermique de la couche à mémoire de forme. Comme visible sur les figures 12 et 13, la couche à mémoire de forme 5 est au moins un turbulateur d'écoulement de fluide. Sur le mode de réalisation illustré sur les figures 12 et 13, les éléments à mémoire de forme 6 forment des arcs de cercle à l'intérieur du tube 15, et 25 viennent ainsi perturber l'écoulement de fluide à l'intérieur du tube lorsque la température de transition Tp est dépassé par un des premier et deuxième fluides. Bien entendu, l'invention ne se limite pas à ce mode de réalisation, et les 3064735 13 turbulateurs 6 peuvent être configurés pour prendre toute forme adaptée (sinusoïde, téton, créneau, etc.). On note que de préférence, dans cette application, le coefficient de dilatation du substrat est strictement supérieur au coefficient de dilatation de 5 la couche à mémoire de forme, et de préférence supérieur ou égal à 125% du coefficient de dilatation thermique de la couche à mémoire de forme. Avantages Comme il ressort de la description qui précède, grâce à l'invention, les pertes de charge côté fluide chaud et froid peuvent être diminuées io quand le point de fonctionnement ne nécessite pas des performances thermiques maximales. On améliore ainsi fortement la performance globale de l'échangeur de chaleur. En outre, dans les exemples illustrés ci-dessus, la couche à mémoire de forme est appliquée uniquement sur les zones qui auront un rôle d'échange 15 de chaleur supplémentaire à haute température, ce qui permet une économie substantielle de matériau à mémoire de forme par rapport à un matériau à mémoire de forme qui serait appliqué plus largement sur l'ensemble de l'échangeur, ou tout au moins sur l'ensemble du substrat. REVENDICATIONS1. Dispositif d'échange thermique pour véhicule automobile, comprenant une surface d'échange thermique (3) entre un premier fluide et un deuxième fluide, ladite surface d'échange thermique (3) étant munie d'un substrat (4) et d'une couche (5) constituée d'un matériau à base d'un alliage à mémoire de forme appliquée sur le substrat, dite couche à mémoire de forme, l'alliage à mémoire de forme présentant une transition de phase entre une phase austénite et une phase martensite et une température de transition de phase associée comprise dans un intervalle de températures de l'un du io premier fluide et du deuxième fluide dans un état de fonctionnement du dispositif d'échange thermique, le substrat (4) présentant un module de Young supérieur à un module de Young de la couche à mémoire de forme (5) et un coefficient de dilatation du substrat (4) étant différent d'un coefficient de dilatation de la couche à mémoire de forme (5). 2. Dispositif d'échange thermique selon la revendication précédente, dans lequel l'alliage à mémoire de forme comprend du nickel, et/ou du titane, et/ou du cuivre, et/ou de l'aluminium, et/ou du monoxyde de carbone, et/ou du manganèse, et/ou du styrène anhydride maléique (SMA) plastique. 3. Dispositif d'échange thermique selon l'une des revendications 20 précédentes, dans lequel le substrat (4) est métallique, par exemple à base d'aluminium. 4. Dispositif d'échange thermique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le module de Young du substrat (4) est de l'ordre de ou supérieur à 60 GPa. 25 5. Dispositif d'échange thermique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la température de transition est comprise entre 80°C et 100°C, par exemple entre 80°C et 95°C, ou entre 40°C et 60°C. 6. Dispositif d'échange thermique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le coefficient de dilatation thermique du substrat 3064735 15 (4) est inférieur ou égal à une valeur de l'ordre de 75% du coefficient de dilatation thermique de la couche à mémoire de forme (5) ou supérieur ou égal à 125% du coefficient de dilatation thermique de la couche à mémoire de forme (5). 5 7. Dispositif d'échange thermique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche à mémoire de forme (5) est discontinue de sorte à former une pluralité d'éléments à mémoire de forme (6). 8. Dispositif d'échange thermique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche à mémoire de forme est au moins une io persienne d'ailette et/ou au moins une ailette et/ou au moins un turbulateur. 9. Procédé de fabrication d'un dispositif d'échange thermique, le dispositif comprenant une surface d'échange thermique (3) entre un premier fluide et un deuxième fluide, le procédé comprenant une étape de réalisation d'un substrat (4) et une étape de dépôt sur le substrat (4) d'une couche (5) 15 constituée d'un matériau à base d'un alliage à mémoire de forme, dite couche à mémoire de forme, l'alliage à mémoire de forme présentant une transition de phase entre une phase austénite et une phase martensite et une température de transition de phase associée comprise dans un intervalle de températures de l'un du premier fluide et du deuxième fluide 20 dans un état de fonctionnement du dispositif d'échange thermique, le substrat (4) présentant un module de Young supérieur à un module de Young de la couche à mémoire de forme (5) et un coefficient de dilatation du substrat (4) différent d'un coefficient de dilatation de la couche à mémoire de forme (5). 25 10. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel l'étape de dépôt de la couche à mémoire de forme (5) comprend une étape de dépôt d'une pluralité d'éléments à mémoire de forme (6), le procédé comprenant en outre une étape de découpe au moins partielle de bords (8, 9) de chaque élément à mémoire de forme (6).