Brevet FR3086043A1 — publié le 20200320

Échangeur de chaleur à réservoir de matériau à changement de phase et procédé de fabrication La présente invention concerne les échangeurs de chaleur et plus précisément les 5 échangeurs de chaleur comportant un matériau à changement. de phase, notamment. dans le domaine de la gestion thermique au sein d'un véhicule automobile. Dans les véhicules automobiles, il est connu de mettre en oeuvre un dispositif de climatisation permettant de réguler la température de l'habitacle du véhicule. 10 Plus précisément, ces dispositifs de climatisation mettent en oeuvre un échangeur de chaleur, par exemple un évaporateur, tel que celui représenté à la figure 1. Un tel échangeur de chaleur 1 comprend un faisceau de tubes 10 formé d'un empilement de tubes 10. Des intercalaires 11 sont généralement placés entre deux tubes 10 consécutifs. Ce faisceau de tubes 10 permet un échange de chaleur entre un premier fluide 15 caloporteur circulant dans les tubes 10 et un deuxième fluide caloporteur, généralement un flux d'air passant entre les tubes (et plus précisément à travers les intercalaires). Pour les véhicules munis d'un système d'arrêt automatique du moteur lors des arrêts courts du véhicule notamment, une fonction a été développée et permet, lorsque le moteur du véhicule est à l'arrêt et n'entraîne plus le compresseur de mise en circulation du fluide 20 caloporteur, de maintenir le refroidissement de l'habitacle du véhicule, améliorant ainsi le confort des passagers du véhicule automobile. Pour ce faire, l'échangeur de chaleur 1 met en oeuvre un ou plusieurs réservoirs de matériau à changement de phase 12 aptes à stocker du froid lorsque le moteur du véhicule automobile est en marche pour ensuite le restituer au flux d'air traversant l'échangeur de 25 chaleur 1 de sorte à le refroidir, pour une durée limitée lorsque le moteur du véhicule est à l'arrêt. Un échangeur de chaleur 1 de ce type, illustré partiellement sur la figure 2, comprend au moins une plaque réservoir 120 qui, après brasage avec une face externe d'un tube 10 du faisceau d'échange thermique, forme un réservoir 12 rempli de matériau à 30 changement de phase. 2 On note que, de façon classique, le tube 10 est obtenu par brasage de deux plaques de tube 10A entre lesquelles est disposé un intercalaire interne 103 (figure 2). Le réservoir 12 de matériau à changement de phase est ainsi en contact thermique avec une face externe du tube 10, le réservoir étant délimité par la plaque réservoir 120 et 5 une surface opposée correspondant à une face externe du tube 10. Chaque réservoir 12 de matériau à changement de phase comprend un tube de remplissage permettant d'injecter un matériau à changement de phase à l'intérieur du réservoir 12. En règle générale, il est adjoint au réservoir 12 un organe de remplissage afin de 10 permettre son remplissage en matériau à changement de phase. Cet organe de remplissage peut notamment être un conduit comportant un ou plusieurs orifices que l'on vient placer et fixer en regard d'ouvertures disposées sur la plaque réservoir 120. De tels organes de remplissage ne sont par forcement adaptés car ils représentent une pièce distincte qui a un coût de production et dont le placement peut être défaillant entraînant des difficultés pour le 15 remplissage du réservoir. De plus, ces organes de remplissage dépassent généralement d'une face latérale de l'échangeur de chaleur ce qui implique que ce dernier est plus épais ou profond et prend plus de place au sein du véhicule automobile. Un des buts de la présente invention est de remédier au moins partiellement aux 20 inconvénients de l'ait antérieur et de proposer un échangeur de chaleur à matériau à changement de phase avec un organe de remplissage amélioré et n'augmentant pas la profondeur de l'échangeur de chaleur. La présente invention concerne donc un échangeur de chaleur comportant un 25 faisceau de tubes comportant un empilement de tubes disposés parallèlement les uns aux autres et à l'intérieur desquels est destiné à circuler un premier fluide caloporteur entre deux extrémités collectrices et entre lesquels est destiné à circuler un deuxième fluide caloporteur, ledit faisceau de tubes ayant une forme parallélépipédique comportant une face avant,une face arrière, une face supérieure, une face inférieure et 30 deux faces latérales, 3 ledit faisceau de tubes comportant au moins un réservoir de matériau à changement de phase inséré entre deux tubes, chaque réservoir comportant. un organe de remplissage disposé sur une des faces supérieure ou inférieure du faisceau de tubes. Ce positionnement de l'organe de remplissage est particulièrement. avantageux car il évite que l'organe de remplissage ne dépasse de la face avant ou arrière du faisceau de tubes. Ainsi, l'échangeur de chaleur est le plus fin possible en profondeur. Cette profondeur n'est pas augmentée par un organe de remplissage dépassant de la face avant ou arrière. Selon un aspect de l'invention, le réservoir comporte une première et d'une deuxième parties coopérant l'une avec l'autre en complémentarité de forme de sorte à former l'organe de remplissage. Selon un autre aspect de l'invention, le réservoir est réalisé par une première et 15 une deuxième plaque réservoir accolées l'une à l'autre et la première partie de l'organe de remplissage est formée par la première plaque réservoir et la deuxième partie par la deuxième plaque réservoir. Selon un autre aspect de l'invention, le réservoir est réalisé par une plaque 20 réservoir et la face externe d'un tube et la première partie de l'organe de remplissage est formée par la plaque réservoir et la deuxième partie par la face externe d'un tube. Selon un autre aspect de l'invention, l'organe de remplissage est une ouverture obstruée par un bouchon. 25 Selon un autre aspect de l'invention, le bouchon est une bille sertie dans l'organe de remplissage. 4 Selon un autre aspect de l'invention, l'organe de remplissage comporte une zone de fermeture faisant saille du réservoir, ladite zone de fermeture correspondant à une soudure des première et. deuxièmes parties entre elles. 5 Selon un autre aspect de l'invention, l'organe de remplissage est réalisé sur la face supérieure. La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur comportant un faisceau de tubes comportant un empilement de 10 tubes et disposés parallèlement les uns aux autres et à l'intérieur desquels est destiné à circuler un premier fluide caloporteur entre deux extrémités collectrices et entre lesquels est destiné à circuler un deuxième fluide caloporteur, ledit faisceau de tubes ayant une forme parallélépipédique comportant une face avant, une face arrière, une face supérieure, une face inférieure et deux faces latérales, ledit faisceau de tubes comportant au moins un réservoir de matériau à changement de phase inséré entre deux tubes, ledit procédé comportant les étapes suivantes : - une étape d'assemblage de plaques pour former les tubes et d'au moins une plaque réservoir de sorte à former au moins un réservoir, ledit. réservoir comportant une première et une deuxième partie disposées à une extrémité collectrice, lesdites première et deuxième partie étant embouties et accolées l'une à l'autre de sorte à former un organe de remplissage comportant un canal de remplissage faisant saillie d'un des côtés destinés à former une des faces supérieure ou inférieure du faisceau de tubes, - une étape de brasage de l'assemblage de plaques de sorte à former le faisceau de tubes et fixer entre elles lesdites première et deuxième parties, - une étape de remplissage du ou des réservoirs en matériau à changement de phase via le canal de remplissage, - une étape de fermeture du canal de remplissage par soudure des première et deuxième parties entre-elles de sorte à former une zone de fermeture, 5 - une étape de découpe d' une portion de l'organe de remplissage dépassant du réservoir au-delà de la zone de fermeture. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement 5 à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 montre une représentation schématique en perspective d'un faisceau de tubes d'un échangeur à réservoir de matériau à changement de phase selon l'art antérieur, 10 - la figure 2 montre une représentation schématique en coupe d'un réservoir à matériau à changement de phase de la figure 1, - la figure 3 montre une représentation schématique en perspective d'un échangeur de chaleur selon l'invention, - la figure 4 montre une représentation schématique en coupe d'un réservoir à 15 matériau à changement de phase, - les figures 5 et 6 montrent des représentations schématiques en perspective d'une extrémité d'un échangeur de chaleur selon un premier mode de réalisation, - les figures 7 et 8 montrent des représentations schématiques en perspective d'une extrémité d'un échangeur de chaleur selon un deuxième mode de 20 réalisation, - la figure 9 montre un organigramme des différentes étapes de fabrication d'un échangeur de chaleur selon le deuxième mode de réalisation. Sur les différentes figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de 25 référence. Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent 30 seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents 6 modes de réalisation peuvent également être combinées pour fournir d'autres réalisations. Dans la présente description, on peut indexer certains éléments ou paramètres, 5 comme par exemple premier élément ou deuxième élément ainsi que premier paramètre et second paramètre ou encore premier critère et deuxième critère etc. Dans ce cas, il s'agit d'un simple indexage pour différencier et dénommer des éléments ou paramètres ou critères proches mais non identiques. Cette indexation n'implique pas une priorité d'un élément, paramètre ou critère par rapport à un autre et on peut aisément 10 interchanger de telles dénominations sans sortir du cadre de la présente description. Cette indexation n'implique pas non plus un ordre dans le temps par exemple pour apprécier tel ou tel critère. L'exemple de réalisation décrit ci-après est celui d'un échangeur de chaleur 1 15 destiné à être placé dans un dispositif de chauffage ventilation et climatisation en tant qu'évaporateur au sein d'un circuit de climatisation. Cet évaporateur est notamment destiné à l'échange thermique entre un flux d'air et un fluide réfrigérant circulant dans le circuit de climatisation du véhicule automobile. Il va de soi que l'invention couvre également un condenseur, un radiateur ou tout 20 autre échangeur thermique, quel que soit le fluide caloporteur qui le traverse. Comme le montre la figure 3, l'échangeur de chaleur 1 conforme à l'invention comprend un faisceau de tubes 10 formés d'un empilement en parallèle de tubes 10 et. d'intercalaires 11 externes. 25 Au sein des tubes 10 est destiné à circuler un premier fluide caloporteur, notamment le fluide réfrigérant du circuit de climatisation dans le cas d'un évaporateur. Ce premier fluide caloporteur circule entre les extrémités 13 des tubes 10. Ces extrémités 13 peuvent former des collecteurs où boites à eau comme illustré sur la figure 1. Les intercalaires Il, qui sont à persiennes ou non, sont placés entre deux tubes 10 30 consécutifs et permettant d'augmenter la surface d'échange thermique entre un deuxième 7 fluide caloporteur, par exemple un flux d'air, passant entre les tubes 10 et le premier fluide fluide caloporteur circulant dans les tubes 10. Le faisceau de tubes 10 a une forme parallélépipédique comportant une face avant 1A, une face arrière 1B, une face supérieure 1C, une face inférieure ld et deux faces 5 latérales 1D. On entend ici par face avant lA la face que le deuxième fluide caloporteur rencontre en premier. La face arrière 1B, opposée à la face avant 1A, est la face par laquelle le deuxième fluide caloporteur sort de l'échangeur de chaleur 1. Généralement, l'échangeur de chaleur est disposé au sein du véhicule perpendiculairement au flux de deuxième fluide caloporteur le traversant. Les faces supérieure 1C et inférieure 1 D sont les faces l'échangeur 10 de chaleur 1 qui sont respectivement disposées vers le haut et vers le bas lorsque l'échangeur de chaleur est monté dans le véhicule automobiles. De façon connue et comme illustré par les figures 4 à 6, les tubes 10 comprennent deux plaques 10A qui sont embouties et brasées l'une à l'autre et entre lesquelles peut-être 15 disposé un perturbateur interne 103 prenant la forme d'une tôle ondulée. Plus précisément, les plaques 10A sont embouties et assemblées entre elles de façon étanche de sorte à former, après assemblage, deux conduits 513, 514 adjacents, à l'intérieur desquels circule le premier fluide caloporteur. Sur l'un de ces tubes 10 est assemblée une plaque de réservoir 120 afin de former 20 un réservoir 12. La plaque de réservoir 120 est également accolée à un autre tube 10. Dans cc mode de réalisation, le réservoir 12 est formé d'une part par une plaque de réservoir 120 et d'autre part par une surface opposée, qui est ici constituée par une face externe du tube réservoir 10 (en l'occurrence la face externe de la plaque 10A). Ainsi, le matériau à changement de phase stocké dans le réservoir 12 est en contact 25 direct avec la face externe du tube réservoir 10, ce qui facilite et améliore les échanges thermiques entre le premier fluide caloporteur circulant dans le tube réservoir 10 et le matériau à changement de phase stocké dans le réservoir 12. La plaque de réservoir 120 peut notamment présenter une pluralité de bossages qui sont distribués sur l'ensemble de sa surface. Les bossages de la plaque de réservoir 120 30 accouplée au tube réservoir 10 sont tangents ou affleurants à la face externe d'un autre tube s 10 adjacent. Des passages sont ainsi délimités à l'extérieur du réservoir 12 de matériau à changement de phase pour que le deuxième fluide caloporteur puisse circuler entre la plaque de réservoir 120 et la face externe du tube 10 adjacent au réservoir 12. Ceci permet d'optimiser les échanges thermiques entre le premier fluide caloporteur et le deuxième 5 fluide caloporteur. Un ou plusieurs intercalaires 11 sont substitués par un réservoir 12 de matériau à changement de phase. Dans le cas d'un évaporateur, ce matériau à changement de phase est apte à stocker du froid lorsque le moteur du véhicule automobile est en marche pour ensuite 10 le restituer, pour une durée limitée, à l'air traversant l'évaporateur lorsque le moteur du véhicule est l'arrêt. Les plaques 10A de tube 10, les plaques de réservoir 120, et les intercalaires 11 sont de préférence réalisés en métal, par exemple en alliage d'aluminium ou autre. Cela 15 permet de les fixer les uns aux autres lors d'une même étape de brasage. Dans une autre variante représentée par exemple aux figures 7 et 78, le réservoir 12 dc matériau à changement de phase n'est pas formé d'une plaque dc réservoir 120 et d'une surface opposée constituée par une face externe d'un tube réservoir 10. 20 Dans cette variante, le réservoir 12 est formé d'une première plaque de réservoir 120 et d'une surface opposée, qui est ici constituée par une deuxième plaque de réservoir 120. Dans ce cas, la première plaque de réservoir 120 est en contact avec un tube 10 alors que la deuxième plaque de réservoir 120 est en contact avec un autre tube 10. Les première et deuxième plaques de réservoir 120 sont essentiellement identiques 25 en sont préférentiellement symétriques par rapport à leur plan de joint. Comme le montrent les figures 4 à 7, chaque réservoir 12 comporte un organe de remplissage 14. Cet organe de remplissage 14 est plus particulièrement disposé sur une des faces supérieure 1C ou inférieure ID du faisceau de tubes (10). 30 Ce positionnement de l'organe de remplissage est particulièrement avantageux car il 9 évite que l'organe de remplissage ne dépasse de la face avant lA ou arrière 1B du faisceau de tubes 10. Ainsi l'échangeur de chaleur 1 est le plus fin possible en profondeur. Cette profondeur n'est pas augmentée par un organe de remplissage dépassant de la face avant lA ou arrière 1B. 5 Afm de faciliter le remplissage du réservoir 12, l'organe de remplissage 14 peut notamment être réalisé sur la face supérieure 1C du faisceau de tubes 10. Ainsi, la gravité facilite le remplissage du réservoir 12 en matériau à changement de phase. Le réservoir 12 peut notamment comporter une première 141 et une deuxième 10 142 parties coopérant l'une avec l'autre en complémentarité de forme de sorte à former l'organe de remplissage 14. Selon l'exemple illustré aux figures 4 et 6 le réservoir 12 est réalisé par une plaque réservoir 120 et la face externe d'un tube 10. Ainsi, la première partie 141 de l'organe de remplissage 14 est formée par la plaque réservoir 120 et la deuxième partie 15 142 par la face externe d'un tube 10. Selon l'exemple illustré aux figures 67 et 8, le réservoir 12 est réalisé par une première et une deuxième plaque réservoir 120 accolées l'une à l'autre. Ainsi, la première partie 141 de l'organe de remplissage 14 est formée par la première plaque réservoir 120 et la deuxième partie 142 par la deuxième plaque réservoir 120. 20 Dans un premier mode de réalisation, illustré aux figures 5 et 6, l'organe de remplissage 14 peut être une ouverture obstruée par un bouchon 143. Cette ouverture peut notamment être réalisée par des emboutissages des première 141 et deuxième 142 parties de l'organe de remplissage 14. Comme illustré par la figure 5, le bouchon 143 25 peut être est une bille, par exemple en élastomère, sertie dans l'organe de remplissage 14. Dans un deuxième mode de réalisation, illustré aux figures 7 et 8, l'organe de remplissage 14 peut comporter une zone de fermeture 15 faisant saillie du réservoir 12. 10 Cette zone de fermeture 15 correspond à une soudure des première 141 et deuxièmes 142 parties entre elles. Cette zone de fermeture 15 est le résultat d'un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur 1 comportant un faisceau de tubes 10. Ce faisceau de tubes 10 5 comporte comme décrit précédemment un empilement de tubes 10 disposés parallèlement les uns aux autres. A l'intérieur de ces tubes 10 est destiné à circuler un premier fluide caloporteur entre deux extrémités collectrices 13. Entre ces tubes 10 est destiné à circuler un deuxième fluide caloporteur. Le faisceau de tubes 10 comporte en outre au moins un réservoir 12 de matériau à changement de phase inséré entre deux 10 tubes 10. Lc faisceau de tubes 10 a une forme parallélépipédique comportant une face avant 1A, une face arrière 1B, une face supérieure 1C, une face inférieure 1D et deux faces latérales 1D, Le procédé de fabrication diagramme de la figure 9. 15 Le procédé comporte ainsi comporte différentes étapes illustrées dans le une étape 190 d'assemblage des plaques 10A pour former les tubes 10 et d'au moins une plaque réservoir 120 de sorte à former au moins un réservoir 12. Le réservoir 12 comporte notamment une première 141 et une deuxième partie 142 disposées à une extrémité collectrice 13. Ces première 141 et deuxième 142 partie sont embouties et accolées l'une à l'autre de sorte à former un 20 organe de remplissage 14 comportant un canal de remplissage 145 (visible sur les figures 7 et 8) faisant saillie d'un des côtés destinés à former une des faces supérieure 1C ou inférieure 1D du faisceau de tubes 10. Lors d'une étape 191 de brasage du faisceau de tubes 10, les première 141 et deuxième 142 parties sont fixées entre elles. Cette étape 191 de brasage permet 25 également la fixation des plaques 10A formant les tubes 10, les intercalaires 11 et les plaques réservoirs 120 dans le but de former le faisceau de tubes 10. Le procédé de fabrication comporte ensuite une étape 192 de remplissage du ou des réservoirs 12 en matériau à changement de phase via le canal de remplissage 145. 11 Ensuite, une étape 193 de fermeture du canal de remplissage 145 est réalisée. Cette fermeture est réalisé par soudure, par exemple par ultrason, des première 141 et deuxième 142 parties entre-elles de sorte à former une zone de fermeture 15. Enfin, le procédé comporte une étape 194 de découpe d'une portion 146 de l'organe 5 de remplissage 14 dépassant du réservoir 12 au-delà de la zone de fermeture 15, comme illustré à la ligure 8. Ainsi, on voit bien que l'échangeur de chaleur 1 de part la position de son organe de remplissage 14 permet un remplissage plus aisé. De plus, cet organe de remplissage 14 10 positionné au niveau d'une des extrémités collectrices 13 permet d'éviter une augmentation de taille en profondeur de l'échangeur